杨文叶 常亚恩 李文中 姜子敬 李振兴 马秋
（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336）
摘 要：对低密度型和发泡型抗石击涂料的力学性能、抗石击性能、附着性能、隔音性能等进行了研究分析。与普通型抗石击涂料相比，2 种轻量化涂料的抗石击性能、施工性能和附着性能无明显差异，粘度可通过调整适应施工需求。适量的中空玻璃微珠填充提高了低密度型抗石击涂料的力学性能；发泡剂的添加则使发泡型涂料膨胀疏松，削弱了抗石击涂料的强度。发泡型和低密度型抗石击涂料丰富的多孔结构使声波转化为热能从而降低噪声，其中发泡型的隔音效果更为显著。此外，与普通型抗石击涂料相比，低密度型和发泡型单车用量可降低30%～55%，轻量化效果显著。
关键词：抗石击涂料 轻量化 力学性能 隔音性能 整车性能
1 前言
汽车在高速行驶的过程中，路面飞溅的砂石直接对车身底部、轮罩和下边梁等部位进行强烈冲击，钣金电泳层一旦被破坏将会造成严重的锈蚀，直接影响车辆的使用寿命。同时，汽车行驶产生的振动和冲击噪声直接影响车内乘员的舒适感。为加强汽车底板的防腐性，并为驾乘者提供相对密封、舒适的乘坐空间，目前国内外整车厂普遍采用在车底、轮罩等特定部位喷涂膜厚0.6～2.0 mm 的PVC 抗石击涂料，以隔离砂石直接冲击。
PVC 抗石击涂料是以聚氯乙烯树脂为基体材料，与增塑剂、促进剂、稳定剂、填料等共混熟化而成的无溶剂型涂料，是一种固体份含量高达95%以上粘稠膏状胶品。PVC 抗石击涂料由德国大众在20 世纪80 年代引进中国市场，以其优异的力学性能、良好的施工性能和工艺匹配性、低成本等优势迅速占据国内市场[1]。PVC 抗石击涂料是汽车涂装胶品中用量较大的一种，单车用量可达10 kg 左右。在汽车生产线上，PVC 抗石击涂料通过高压泵喷涂于车底电泳漆层表面，在特定的烘烤温度下经一定时间熔融塑化成型。
近年来，随着汽车工业的发展，整车厂对汽车轻量化和驾乘舒适性提出了更高要求。在保证性能的前提下，减少用量，降低车底冲击噪声就成了抗石击涂料研究的重要课题。目前，PVC 抗石击涂料主要有普通型、低密度型和发泡型，其中低密度型和发泡型是基于汽车系统轻量化和功能化需求在普通型基础上改性而成。通过研究3 种类型抗石击涂料的性能差异，为车型开发抗石击涂料选择提供参考。
2 轻量化抗石击涂料简介
2.1 低密度型抗石击涂料
低密度型抗石击涂料是在普通PVC 抗石击涂料中添加一定比例的中空薄壁、粒径均匀、抗压性能高的球形玻璃微珠，共混熟化而成。中空玻璃微珠在喷涂和外力冲击时易破碎，导致胶体密度增加，涂膜耐冲击性下降，因此中空玻璃微珠的填充量需要控制在合适的范围内，在保证涂料性能的同时实现轻量化。低密度型抗石击涂料的干膜密度目前可做到1.0 g/mL 以下，与普通型（密度1.4～1.5 g/mL）相比，降重30%以上。低密度型抗石击涂料目前主要成熟应用于外资和合资品牌车型，国内主机厂也逐渐引入应用。
2.2 发泡型抗石击涂料
发泡型抗石击涂料是在普通型抗石击涂料中添加塑料发泡剂，发泡剂受热后产生气体，使烘烤固化后的涂料体积膨胀，变成疏松多孔状的蜂窝结构。发泡剂根据产生气体的机理分为化学发泡剂和物理发泡剂剂2 大类[2]。发泡型抗石击涂料中的发泡剂一般为物理发泡剂，在受热后气体膨胀，使基材形成弹性良好的密闭球体。与普通型抗石击涂料相比，发泡型因固化后体积膨胀，可以设计较薄的湿态喷涂膜厚，从而降低单台车涂料用量，达到轻量化目的。同时，发泡型涂料压缩回弹性好，受到局部冲击时缓冲吸能效果好[3]。但由于发泡型涂层疏松的空腔结构削弱了抗石击涂料的强度，导致抗石击性能衰减。目前，常用的发泡型抗石击涂料的膨胀率为150%～200%，主要应用于日系车型。
3 主要性能研究
抗石击涂料应用于汽车底部，既需要基础性能指标都满足整车厂的标准要求，又需要匹配现场施工工艺。选取某厂具有代表性的普通型（密度1.45 g/mL）、发泡型（发泡倍率150%）和低密度型（密度1.0 g/mL）抗石击涂料对表1 所示主要性能指标进行研究分析。
表1 抗石击涂料研究的主要性能指标
3.1 旋转粘度
粘度是抗石击涂料的1 个重要施工参数，客观反应了涂料的流变性能。因此，抗石击涂料需要根据现场施工调整到适宜的粘度以满足喷涂的连续性和一定的喷幅面积，避免出现流挂、不畅、溢出等失效现象[4]。采用旋转粘度计法，将普通型、低密度型和发泡型抗石击涂料分别按照GB/T 2794—2013《胶粘剂粘度的测定 单圆筒旋转粘度计法》进行试验。试验采用7#转子，转速10 r/min，60 s 读数，重复试验3 次，结果如表2 所示。
低密度型抗石击涂料中的玻璃微珠阻碍了PVC 基材的内部流动，可提高涂料的粘度，改善抗流挂性能。但玻璃微珠的添加比例过高会导致颗粒之间堆积紧密，在高剪切力下难以分散，颗粒间相互摩擦，粘度增大。因此，玻璃微珠的添加虽能提高涂料的抗流挂性，但不利于喷涂[4]。发泡型涂料中的发泡剂具有较高的触变比，在高剪切作用下使涂料变稀有利于施工喷涂，在喷涂后形成不易破坏的网状结构使体系拥有较高的粘度[5]。
表2 抗石击涂料旋转粘度试验结果
经过生产使用反复调试，普通型粘度控制在100～140 Pa·s，低密度型粘度控制在140～180 Pa·s，发泡型粘度控制在75～120 Pa·s较为合适。
3.2 力学性能
将3种类型抗石击涂料分别涂敷在电泳试验板上，经标准条件烘烤后在试验环境下放置24 h。剪切强度试验按照GB/T 7124—2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)》[6]进行，夹持处至搭接端距离为40 mm，拉伸速度为50 mm/min；拉伸强度和断裂伸长率试验按照GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》[7]进行，制备哑铃状试样，标距为25 mm，拉伸速度200 mm/min。
试验结果表3 显示，1.0 g/mL 低密度型抗石击涂料的剪切强度、拉伸强度和断裂伸长率都优于普通型，主要是由于适量比例玻璃微珠均匀分散在PVC 基体中，与PVC 形成较好的黏结界面，阻碍分子链的相对运动，提高了材料的拉伸和剪切性能。发泡型抗石击涂料的剪切强度、拉伸强度和断裂伸长率都比普通型差，主要是因为发泡剂加热使基体材料膨胀，丰富的疏松空腔结构削弱了抗石击涂料的强度。因此，低密度型和发泡型抗石击涂料在实现轻量化效果的同时，需要控制玻璃微珠和发泡剂的添加量，平衡各方面性能要求。
表3 抗石击涂料力学性能试验结果
3.3 抗石击性
将3种类型抗石击涂料分别均匀涂敷在190 mm×100 mm×0.8 mm 的电泳试验板（ED 板）上，经标准条件烘烤后放置24 h 用于试验。然后，在耐碎石冲击试验机上，用直径4～5 mm 的钢丸，以0.5 MPa冲击压力，54°的冲击角度，冲击试片10 次，冲击时长20 min。最后除去试样表面破损未脱落的碎片，放置在循环腐蚀试验箱中，经240 h 中性盐雾试验后观察样品出现的锈斑点数量。
图1 试验结果表明，3 种抗石击涂料涂敷的ED板在抗石击试验后均未出现起泡，试板表面锈点数量为0，满足技术要求。抗石击性能优异的底涂胶能有效防护车底钣金电泳层不被破坏，提高防腐性能。
图1 抗石击涂料中性盐雾试验后试板
3.4 附着力
附着力是检验抗石击涂料与电泳层匹配性能的重要参数。PVC 硬化层一旦与车身钣金剥离，就失去了对砂石冲击的防护作用，因此涂料与电泳钣金良好的附着力是抗石击防护的首要保障。将3 种类型抗石击涂料分别按长80 mm，宽40 mm，厚度1～4 mm 的破形状涂敷ED 板上，经标准条件烘烤后在试验条件下放置24 h。然后用刀切透胶层，间隔5 mm 割成2 条平行线，并从厚的一端剥离切块，评估涂料的附着力。图2 附着力试验显示，PVC 涂层与ED 板进行剥离时，涂料本体发生断裂，而残余的涂料附着在ED 上，判断这3 种抗石击涂料在进行附着力试验时均发生了内聚型破坏。良好的附着力保证了涂料与钣金的粘附能力，避免在复杂环境作用下发生剥离，造成防护失效。
图2 抗石击涂料附着力试验后试板
3.5 隔音性能
车底抗石击涂料利用高分子之间的交联作用，可提升其隔音降噪的能力。汽车底板受砂石冲击发出的噪声经过具有弹性的抗石击涂料时，声波在分子链内部产生摩擦和粘滞阻力，转化为热能被吸收，降低汽车在行驶过程中的噪音对驾乘者的影响[8-9]。采用钢球落下隔音性能测试方法，如图3 所示。在尺寸为150 mm×150 mm×0.8 mm 的ED 板上，分别喷涂100 mm×100 mm，干膜厚度250～1 800 μm 的抗石击涂料，按标准条件烘烤硬化。钢球从2 000 mm 的高度落下，测试ED 板因钢球冲击发出的声压分贝。未做抗石击涂料涂敷的ED 板声压记作P0，涂敷3 种抗石击涂料（UBC-ED板）后的冲击音声压分贝记为Py，隔音量为P0～Py。人类刺耳的频率一般区间为4～10 kHz，试验选用代表性频率8 kHz 时的隔音量进行比较。
图3 UBC-ED板钢球落下隔音性能测试方法
图4 中UBC-ED 板在声波频率8 kHz 的隔音量测试结果表明，抗石击涂料干膜厚度小于500 μm时3 种类型涂料隔音性能无明显差异，但随着涂层膜厚的增加，低密度型和发泡型的隔音量明显优于普通型。其中，发泡型抗石击涂料随膜厚增加的隔音效果更加突出。普通型涂层厚度1 800 μm的隔音量为15 dB，而低密度型膜厚1 500 μm，发泡型膜厚1 235 μm 可实现同样的隔音效果，膜厚较普通型分别降低16.7%和31.5%。
图4 UBC-ED板在声波频率8 kHz的隔音量测试
如图5 所示，普通型抗石击涂料主要由PVC 基材、碳酸钙填料及其他助剂共混而成，涂层截面密实。低密度型涂层截面可见玻璃微珠填充形成的闭孔中空结构，由于需要兼顾涂料的力学性能，玻璃微珠添加比例控制在一定范围内。发泡型涂层呈现较大的疏松多孔结构，拥有丰富的蜂窝状空气层。噪声在传播过程中遇到抗石击涂料硬化层时，一部分声波在涂层表面反射，一部分声波经过涂层的空腔结构时产生摩擦粘滞阻力，声波转化为热能被吸收[10]。发泡型涂料丰富的多孔阻抗，使声波转变成热能较低密度型和普通型更多，因此隔音效果更显著。
图5 抗石击涂料硬化涂层横截面形貌
3.6 整车涂敷性能
低密度型和发泡型抗石击涂料在包装、存储、喷涂方面与普通型没有差异，无需对涂胶及关联设备进行调整。抗石击涂料在使用前通常需要搅拌30 min 左右至混合均匀，然后采用高压泵进行雾化喷涂，喷涂压力达18～30 MPa。涂料在涂装车间经中涂烘烤房和面漆烘烤房加热固化，属于物理变化。通常PVC 抗石击涂料需要140 ℃以上温度烘烤，历时20 min 以上才能充分塑化，使涂膜各性能达到最佳状态。
低密度型抗石击涂料在生产和施工工艺中会涉及到中空玻璃微珠破碎环节，例如搅拌过程中的高速剪切和施工过程中管道、喷嘴压力可高达30 MPa，如果中空玻璃微珠破碎，涂料密度会大幅度上升，失去减重作用。因此，低密度型涂料性能验证需增加密度稳定性试验以确保中空玻璃微珠的抗压能力，使涂料在施工前后密度变化率≤3%。发泡型抗石击涂料中的发泡剂在高温烘烤作用下膨胀，使PVC 塑料基材形成疏松的蜂窝状空腔结构。根据发泡倍率的不同，涂料干膜厚度会有不同程度的增加。因此，发泡型抗石击涂料的喷涂厚度除了要考虑涂层强度、抗石击性能外，还需要注意烘烤后对下一道工序关联零件布置和安装的影响。
在不改变涂装厂涂胶设备和工艺条件前提下，将3 种类型抗石击涂料分别喷涂在同款车身底部，140 ℃条件下烘烤20 min 后对涂层质量和性能进行评价。图6 所示的抗石击涂料整车涂敷下效果表明，低密度型涂层组织均匀，表观质量优于普通型，而发泡型涂层表面平滑性较差且有气泡产生。发泡型涂层触感柔软有弹性，低密度型和普通型涂层则偏硬。整车耐久测试循环过程中均无涂层脱落、开裂、击穿等失效现象。
图6 抗石击涂料整车涂敷下效果
此外，对3 种类型的抗石击涂料进行轻量化效果分析，如表4 所示，与普通型抗石击涂料相比，采用密度为1.0 g/mL 低密度型涂料涂膜厚度不变，单车用量减重3 kg，成本降低4元；使用发泡型抗石击涂料则可以降低膜厚约50%，单车用量减少5.1 kg，成本降低7元。
表4 抗石击涂料轻量化-成本效果分析
4 结论
低密度型和发泡型抗石击涂料是基于汽车轻量化需求在普通型抗石击涂料的基础上改性而成，在贮存、施工和电泳层匹配性能方面没有差异。因此，主机厂采用轻量化抗石击涂料不涉及涂装设备整改，可直接切换使用。2 种轻量化类型抗石击涂料在满足附着性能和施工性能的同时，需通过调整中空玻璃微珠或发泡剂的配比平衡力学性能和轻量化效果。适量中空玻璃微珠的添加提高了低密度型抗石击涂料的拉伸和剪切强度，同时改善了涂层的隔音效果。发泡型抗石击涂料疏松多孔的结构削弱了涂层的强度，但丰富的空腔阻抗可吸收更多的噪声。此外，与普通型抗石击涂料相比，低密度型和发泡型单车用量可降低30%～55%，轻量化效果显著。
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来源：期刊-《汽车工艺与材料》
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