Malowanie tworzyw w motoryzacji

2006-06-29

Wytwarzanie elementów konstrukcji karoserii samochodów z tworzyw sztucznych jest korzystne, ponieważ obniża wagę pojazdu od 35 do 50%, a koszty wytwarzania nawet o 80%. Wymagania odbiorcy, aby barwa elementów wykonanych z tworzywa była maksymalnie zbliżona do koloru pojazdu wymusza na producentach samochodów stosowanie różnych technik ich barwienia.

Dlaczego malowanie?

Malowanie tworzyw sztucznych na skalę przemysłową jest stosowane w wielu gałęziach przemysłu od kilkunastu lat i upowszechniło się do tego stopnia, że stało się standardową operacją technologiczną. Tworzywa maluje się przede wszystkim na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego, sprzętu audio, odtwarzaczy płyt CD, cyfrowych aparatów fotograficznych, elektroniki użytkowej a także produkcji obudów telewizorów. Przedmioty z tworzyw są malowane lub też drukowane w celu połączenia korzystnych właściwości tworzyw i farb, to jest dla:

- nadania wyrobom większej odporności na promieniowanie UV,
- uzyskania przyciągającego wzrok wyglądu (aspekt handlowy), co pozwala na odróżnienie wyrobu od innych podobnych na rynku,
- modyfikacji powierzchni tworzywa dla zwiększenia przewodnictwa elektrycznego lub uzyskania tzw. miękkiego dotyku,
- ukrycia niedoskonałości i wad powierzchni tworzyw powstałych w operacjach wtryskiwania lub wytłaczania.

Warunkiem niezbędnym do uzyskania właściwej przyczepności farby do tworzywa jest jej zdolność do zwilżania powierzchni drukowanego materiału. Zaobserwowano bowiem, że kropla cieczy na powierzchni ciała stałego nie zwilża go, lecz zachowuje swój kształt tworząc kąt zetknięcia między fazami stałą i ciekłą. Jeśli kąt ten jest bliski zeru to ciecz rozlewa się po powierzchni ciała stałego, co umożliwiając druk. Powierzchnia tworzyw jest trudno zwilżalna, ponieważ polimery mają gładką polarną powierzchnię, często z dużym połyskiem.

Powoduje to, że są one trudne do malowania z powodu braku adhezji powierzchniowej. Dla uzyskania efektu zwilżenia napięcie powierzchniowe farby musi być mniejsze niż napięcie powierzchniowe występujące na powierzchni barwionego tworzywa. Aby farba zapewniała długotrwałą przyczepność do tworzywa musi być ona tak samo elastyczna jak barwiony przedmiot. Ponadto powinna charakteryzować się takimi właściwościami jak: szybkie schnięcie, odporność na zarysowanie, elastyczność, odporność na uderzenia, odporność na chemikalia oraz nie wykazywać negatywnego wpływu na znajdujące się pod nią tworzywo.

Jak poprawić zwilżalność powierzchni?

Jest wiele sposobów obróbki powierzchni tworzyw pod kątem poprawy ich zwilżalności. Są to najczęściej: obróbka płomieniowa, wyładowania plazmowe, działanie chemiczne na powierzchnię tworzywa, obróbka koronowa. Po zastosowaniu jednej z powyższych metod poprawia się zwilżalność powierzchni materiału w wyniku reakcji wolnych rodników na powierzchni tworzywa i tlenu z powietrza, dzięki czemu możliwy jest druk. W poniższej tablicy podano wpływ obróbki powierzchni tworzywa na jej zwilżalność (kąt zwilżania).



Metody obróbki plazmowej lub wyładowań koronowych wymagają odpowiedniej komory, w której odbywa się proces przygotowania powierzchni tworzyw - są to jednak metody drogie.

Jak zapobiegać gromadzeniu się ładunków elektrycznych na powierzchni tworzywa?

Mniejsza lub większa łatwość gromadzenia się ładunków elektrycznych na powierzchni jest właściwością wielu stosowanych tworzyw z racji ich budowy chemicznej. Właściwości izolacyjne każdego z materiałów charakteryzuje opór, jaki stawia przechodzącemu przezeń prądowi elektrycznemu. Rozróżnia się opór skrośny, który dotyczy jedynie prądu płynącego wewnątrz materiału i opór powierzchniowy, który mierzy się między elektrodami na powierzchni materiału.

Tworzywa i wykonane z nich materiały można uporządkować w kierunku wzrostu ich właściwości do ładowania się powierzchni elektrycznością statyczną o oporze powierzchniowym p:

- materiały przewodzące,
- materiały częściowo przewodzące,
- dielektryki - materiały te są praktycznie nieprzewodzące oraz mogą osiągać stan naelektryzowania powierzchniowego i skrośnego, którego nie można wyeliminować bez odpowiednich środków zaradczych.

Aby temu zapobiec w zależności od specyficznych potrzeb w przetwórstwie (malowanie, druk farbami rozpuszczalnikowymi) stosuje się środki antyadhezyjne, antyblokingowe oraz dodatki poprawiające przewodnictwo elektryczne. Jako antyelektrostatyki stosuje się substancje hydrofilowe, które znacznie zmniejszają oporność powierzchniową tworzyw dzięki którym nie następują zaburzenia spowodowane elektrostatycznym ładowaniem się tworzyw.

Przygotowanie powierzchni do malowania

Na zmiany wybarwienia tworzywa przez jego malowanie lub też drukowanie składa się wiele czynności, wśród których wymienić należy: przygotowanie powierzchni do malowania i druku, dobór farby i sposób malowania.

W wielu procesach malowania tworzyw do procesu technologicznego wprowadza się etap wstępny polegający na przygotowaniu powierzchni. Zazwyczaj stosuje się czyszczenie lub mycie za pomocą detergentów lub kąpieli myjących o odczynie kwaśnym lub zasadowym. Po tym etapie następują procesy modyfikacji powierzchni, najczęściej stosowane są:

- opalanie powierzchni płomieniem palnika gazowego,
- poddawanie powierzchni działaniu plazmy,
- poddawanie powierzchni tworzywa działaniu zjonizowanego powietrza powstałego w wyniku wyładowań koronowych,
- stosowane są też metody tzw. powlekania związanego, ułatwiającego adhezję powłoki farb do tworzywa niepoddanego wstępnej obróbce.

Podziała farb do malowania tworzyw

Jest wiele sposobów podziału farb do malowania tworzyw na różne sposoby i tak z punktu widzenia ilości stosowanych warstw, farby można podzielić na:

- jednowarstwowe,
- dwuwarstwowe,
- oraz trzy- i więcej warstwowe.

Z punktu widzenia sposobu przygotowania farb, można je podzielić na:

- farby rozpuszczalnikowe (schnące fizycznie lub utwardzane w wyniku reakcji chemicznych),
- farby rozcieńczane wodą.

Ten ostatni podział farb staje się powoli dominujący z uwagi na rosnące wymagania związane z ochroną środowiska.

Tworzywa w motoryzacji

Techniki barwienia tworzyw dla motoryzacji to jedne z najnowszych sposobów uzyskiwania trwałych zabarwień tworzyw. Malowanie tworzyw może odbywać się tradycyjnymi metodami powlekania ręcznego, albo przez nanoszenie wałkiem, czy natryskiwania z zastosowaniem powietrza.

W ostatnich latach tworzywa sztuczne gwałtownie zwiększają swój udział w budowie nadwozi, co spowodowane jest względami ekologicznymi i ekonomicznymi forsującymi lekkość i zdolność do recyklingu oraz minimalizację kosztów wytwarzania. Równocześnie rozwojowi uległy różne koncepcje produkowania detali samochodowych z tworzyw sztucznych. Znajduje to swój wyraz również w lakierowaniu, a trend ten ma na uwadze ogólne życzenie, by barwa elementów tworzywowych była zbliżona maksymalnie do koloru pojazdu, a same detale zintegrowane pod względem formy. W dużych zakładach (motoryzacja) na malarniach tworzyw stosuje się zautomatyzowane linie do malowania natryskowego sterowane komputerowo. Są to procesy bardzo czułe na rozmaite zakłócenia i zanieczyszczenia produkcyjne.

Spośród tworzyw sztucznych termoplastycznych będących surowcem do wyrobu segmentów samochodowych coraz większe znaczenie zyskują blendy polipropylenu, do czego przyczyniła się kataliza metalocenowa jak i względy ekonomiczne. Lakierowanie, np. zderzaków wykonanych z takich blend, wymaga najpierw aktywacji powierzchni za pomocą płomieni celem uzyskania bezbłędnej przyczepności warstwy. Alternatywę takiej metody stanowi gruntowanie powierzchni za pomocą pośredników przyczepności na bazie chlorowanych poliolefin (CPO). Nie jest to jednak proces korzystny dla środowiska naturalnego. Dlatego, aby je zabezpieczyć stosuje się substrat PP z żywicą epoksydową i oczyszczony płomieniem PP-EPOM, a lakierowanie wykonuje się seryjnie z hydrogruntowaniem.

Drobne detale zewnętrzne w samochodach można podzielić na kilka dużych grup (tworzyw sztucznych). Podczas, gdy poliamidy – wzmacniany zwykle włóknem szklanym lub wypełniaczami mineralnymi – stosuje się w Europie Zachodniej przeważnie na klamki drzwiowe i pokrywy kół, to w przypadku lusterek zewnętrznych dominują blendy ABS. Kratki ochronne, kratki powietrza czy znaki rejestracyjne wykonywane są bądź z tych materiałów, bądź z blend PC/PBT. Wszystkie wymienione powyżej materiały nadają się do lakierowania z utwardzaniem w temperaturze 80 – 900C. Dalszym wymaganiem stawianym tworzywom sztucznym odpornym na ciepło jest ustalenie kompromisu między odpornością na odkształcenia cieplne a udarnością w wyniku nagłych zmian temperatury.

Lakierowanie części samochodowych z tworzyw

W zasadzie jest kilka metod lakierowania segmentów samochodowych z tworzyw sztucznych. W Europie Zachodniej około 90 % z nich otrzymuje emalie metodą „off-line” i to bądź u dostawcy bądź w zakładzie lakierniczym fabryki samochodów. Segmenty „off-line” całkowicie polakierowane montuje się w nadwoziu na końcu ciągu emaliowania wstępnego. System „off-line” ma tę przewagę, że można montować segmenty posiadające wymagane wymiary. Zdecentralizowane lakierowanie u dostawcy daje swobodę wyboru warunków instalacyjnych i aplikacji. Wadą natomiast metody off-line” jest możliwość powstania odstępstw w odcieniach barwy i połysku, jak również wyższy koszt materiału, inwestycyjny i fabryczny oraz wysoki nakład na usługi wraz z problemami logistycznymi.

W przypadku całkowitego lub częściowego lakierowania w ciągu lakierniczym karoserii mówi się o tzw. „in-line” lub „on-line”. W metodzie „in-line” segmenty z tworzyw wprowadzane są bezpośrednio na linie lakierniczą. W związku z powyższym detal z tworzywa musi mieć zdolność do polakierowania w procesie nanoszenia elektrostatycznego oraz dostateczną odporność na temperaturę procesu. Powierzchnia detalu tworzywowego musi być prądoprzewodnia i dlatego w procesie „in-line” element musi mieć wstępnie naniesiony grunt. Ponieważ emalie natryskowe na stalowe karoserie samochodu muszą być utwardzane w temperaturach powyżej 1500C, to w rachubę wchodzą tworzywa odpowiednio odporne termicznie. O metodzie „on–line” mówi się wtedy, gdy detal z tworzywa zostaje wbudowany w korpus samochodu przed obróbką wstępną i musi być poddany dodatkowej operacji pierwszego lakierowania. W tej metodzie maksymalnie zostaje zredukowane niebezpieczeństwo zabrudzenia detalu, a ponadto jest prostsza logistyka, lepsza zgodność odcienia barwy. Sposób ten wymaga stosowania tworzyw wytrzymujących wysokie temperatury lakierowania. Do wad tej metody zaliczyć można ograniczony wybór odpornych termicznie tworzyw i wymagane przewodnictwo elektryczne segmentu.

Zmianę powierzchni detalu z tworzywa uzyskuje się poprzez nanoszenie powłok na element przy zastosowaniu farb proszkowych. Ulepszone technologie aplikacyjne oraz coraz nowsze materiały spowodowały, że farby proszkowe stały się atrakcyjnym wyborem w procesie malowania powierzchni z tworzyw. Trwałe połączenie między farbą i tworzywem uzyskuje się za pomocą farb działających na tworzywo napełniane włóknami szklanymi lub kredą. Również nanoszenie farb proszkowych na powierzchnie formy, w której wytwarza się detal tworzywowy otwiera producentom możliwości powlekania powierzchni tworzywa w sposób zarówno efektywny jak i powtarzalny.

Farbę proszkową nanosi się na gorące powierzchnie formy przy jej otwarciu. Cząsteczki proszku zostają elektrostatycznie przyciągnięte do metalowej formy i topią się na jej powierzchni, co pozwala na uzyskanie cienkiego filmu lakieru, a czas nanoszenia trwa około 30 s. Tak prowadzone nanoszenie farby proszkowej pozwala na równomierne rozprowadzenie proszku na skomplikowanych elementach. Po zamknięciu formy zostaje do niej wprowadzana masa tworzywa, a utwardzająca się błona farby reaguje z tworzywem, w wyniku czego obie łącza się w integralny element. Proces wtryskiwania jest tak dobrany, aby utwardzanie proszku i tworzywa nie wymagało dodatkowego czasu.

Najczęściej stosowane farby proszkowe do tworzyw wykonane są na bazie nienasyconych żywic poliestrowych, ale wykorzystywane są również i te oparte na żywicach fenolowo-epoksydowych.

Inne metody barwienia tworzyw

Znane są jeszcze inne formy barwienia w trwały sposób detali z tworzyw przeznaczonych dla motoryzacji. Polegają one na stosowaniu w procesie barwienia detali specjalnych folii wstępnie zabarwionych na odpowiedni kolor, odpornych na działanie promieni UV i zarysowania. Folie takie zostają umieszczone w formie wtryskarki i zasadnicza część tworzywa zostaje wtryśnięta. W takim procesie otrzymuje się warstwowy element skorupowy barwiony na żądany kolor i wyposażony w zewnętrzną warstwę odporną na zarysowania i zadrapania. Testy praktyczne wykazały, że elementy karoseryjne wykonane według opisanej metody posiadają dobre właściwości fizyko-mechaniczne. Nie ulegają zmianom w trakcie próby uderzeniowej przy prędkości 10 i 15 km/h w zakresie temperatur od –200C do +300C. Element można wyprodukować na wtryskarce, czas wtrysku wynosi 80 s.

Wraz z postępującym upowszechnieniem tworzyw w motoryzacji należy spodziewać się stosowania jeszcze innych metod rozwiązujących problem barwienia detali z nich wykonywanych, uszlachetniających powierzchnie wyrobu, przy dużej oszczędności kosztów własnych.

Konstruktorzy i specjaliści od marketingu coraz częściej decydują się na szybkie zmiany kolorów samochodów, aby przyciągnąć potencjalnych nabywców, co zaś może przyczynić się do dalszego postępu w metodach lakierowania tworzyw.

Źródło: Elżbieta Piekarska, IPTS Metalchem Toruń Oddział Zamiejscowy w Gliwicach, Rynek Tworzyw 4/2006