使用创新型聚氨酯材料与加工技术实现表面升级 Copy4

作者:Rühl Puromer公司 荣海涛博士 Jürgen Emig ;克劳斯玛菲技术有限公司 徐玉堂 Erich Fries 文章来源:PT《现代塑料》2014年8月刊 发布时间:2014-08-25
本文介绍了一种创新型聚氨酯材料体系(puroclear),包括其在汽车行业的表面升级应用和相应加工技术(CCM、ColorForm和表面RTM技术).puroclear材料是基于脂肪族多异氰酸酯的高光泽度和自愈合型聚氨酯表面涂层,通过使用上述加工技术,puroclear材料可以在相对温和的加工温度下快速应用于各种基材材料的表面,如木材,热塑性塑料和纤维增强复合材料等.

本文介绍了一种创新型聚氨酯材料体系(puroclear),包括其在汽车行业的表面升级应用和相应加工技术(CCM、ColorForm和表面RTM技术)。puroclear材料是基于脂肪族多异氰酸酯的高光泽度和自愈合型聚氨酯表面涂层,通过使用上述加工技术,puroclear材料可以在相对温和的加工温度下快速应用于各种基材材料的表面,如木材、热塑性塑料和纤维增强复合材料等。由于puroclear材料具有自脱模特性,因此在加工过程无需使用脱模剂。这些在一次性加工过程中直接获得的成型部件展现出典型的高品质表面外观效果和功能特性,例如绚丽的3-D深度效果,钢琴漆表面效果、自愈和耐刮伤效果以及无需预处理即可表面喷漆的涂装效果。 本文介绍的puroclear材料和加工技术已经成功地应用于汽车内外饰零部件的生产。

引言

多年以来,汽车行业对塑料内外饰部件的要求一直在不断地提高。目前,汽车行业不仅面临不断增加和不断提高的环境保护标准、同业竞争压力和降低生产成本的压力,还需面临消费者对内外饰部件,尤其是其表面性能的高要求带来的挑战。因为这些部件可见且可触摸,会在相当程度上影响消费者对汽车的第一印象以及最终的购买决策。也就是说,这些零部件必须同时满足消费者对外观和手感的要求。对高品质表面材料和加工工艺,以及经济效益和环境保护的需求推动了市场和技术的全面创新,其中即包括如何经济高效地生产具有高品质、高光泽度表面的内外装饰零部件,对汽车行业而言,这已形成了一个极具吸引力的成长型市场。为满足这一应用领域中制造商和消费者不断增长的需求,对常规零部件表面进行升级改性,例如使用合适的材料和加工技术对热塑性塑料进行表面升级处理,已被认定是一种非常具有成本竞争力和市场前景的生产方式。应用这种表面升级方式可以获得在物理化学性能方面具有更多功能的表面,例如使其具有耐刮伤性能、自愈合性能和无需预处理即可喷漆涂装等功能;也可以使其在外观方面呈现出多样化,使整个组件看起来更具价值和更显豪华,亦或在触感方面传达更舒适的手感。由于无溶剂型聚氨酯系统在基本化学性能、加工性能和材料性能,以及低排放的环保特性方面具有其他材料系统无法比拟的多样性和多功能性,多年以前即已被确认为用于表面升级应用的理想材料系统。十多年前,一个由克劳斯玛菲技术公司(以下简称“克劳斯玛菲”)、德国塑料加工业内知名的机械和技术供应商——Rühl Puromer公司、德国一家从事研发和生产量身订制的聚氨酯和复合材料的专业供应商,以及其他合作伙伴共同组成的团队开始研发这一极具挑战性的课题。其目标是以无溶剂型聚氨酯为原料,通过采用在闭合模具内浇注这一非常具有成本竞争力的方式,使在基材表面获得一种具有良好3-D深度效果的环保型高光泽表面涂层。2001年,研发成果首次在德国杜塞尔多夫国际塑料和橡胶展 (K展)上成功展出。在这一创新项目中,研发团队采用无溶剂型双组分聚氨酯体系成功地创建了一种在极短的加工时间内直接在封闭模具内部对木制表面进行高光涂覆的工艺,使用该工艺所获得的组件表面不仅具有优质的外观,而且可以在简单修整后直接进行组装。这一创新项目为如今克劳斯玛菲的CCM技术(聚氨酯透明涂层注射成型)奠定了坚实的基础,对此本文稍后作进一步的介绍。

自2001年K展以来,该技术无论在聚氨酯材料体系还是在加工工艺方面均取得了长足的进步。Rühl Puromer公司的聚氨酯体系经过不断地改进和完善,现已用于生产高端汽车中的高品质组件。克劳斯玛菲的加工技术也得到进一步的改进和扩展,在CCM工艺基础上,现有3种不同的采用无溶剂型双组分聚氨酯体系制作豪华外观和功能型表面的加工技术,亦即CCM、ColorForm和表面RTM技术。在2013年K 展上,克劳斯玛菲、Rühl Puromer公司以及其他合作伙伴就这项最新开发的表面RTM技术成功地进行了现场演示。在本文中,我们将对这款创新型聚氨酯材料体系(puroclear),包括其在汽车行业表面升级方面的应用以及相应的加工工艺(CCM、ColorForm和表面RTM技术)作一概括性地介绍。

创新型聚氨酯材料体系(puroclear)

puroclear是这种创新型聚氨酯材料体系的商标名,它主要用于生产应用于多种不同应用领域的高光泽和自愈性表面涂层。puroclear作为商标名已成功在中国注册。

puroclear材料是基于脂肪族聚异氰酸酯的无溶剂型双组分聚氨酯材料,它不含有毒物质(材料没有骷髅标记),从而确保生产和加工以及最终产品的安全性。由于puroclear材料的黏度很低,即使在室温情况下也可以顺利进行泵送,因此加工厂商不需购置额外的恒温器来作为预加热装置以保持聚氨酯材料具有足够低的黏度(好的流动性)。另外,这款聚氨酯材料可以在相对非常温和的加工温度如60℃下应用,这样不仅可以通过节能降低生产成本,而且可以实现对某些温度敏感的基材进行表面升级。当然,puroclear材料体系的主要特点之一是其自脱模性能。puroclear材料中含有内脱模剂,通过与材料配方中其他化学成分的有机结合来实现优异的自脱模效果,进而保证无间断的连续性生产。自脱模特性不仅使得采购和使用脱模剂以及安装附加的排气系统变得多余,而且还能够缩短节拍时间,减少后期表面处理工序,提高生产效率,从而达到降低生产成本的目的。

通过使用合适的聚氨酯加工技术,例如CCM、ColorForm或表面RTM技术, Puroclear材料可作为表面涂层应用于各种基材表面,包括木材、热塑性塑料和复合材料表面。由此所获得的表面呈现出典型的高光泽度和绚丽的3-D深度以及奢华的外观效果和自愈合功能,如果需要,该表面亦适合直接喷漆涂装。如前所述,高光和钢琴漆表面能够满足消费者对高品质汽车内外饰件完美外观的追求,然而,任何在使用过程中产生的划痕都将破坏其完美的外观,这就意味着同时对其光学性能、力学性能和耐化学性的要求非常高。以往用于改善材料表面耐磨性和防划伤性的方法,是使生成的表面涂层具有尽可能高的硬度,但这种方法并不能完全解决材料表面在使用过程中受损伤的难题,这是由于,所有有机材料涂层的硬度均有一定限度, 对于高硬度表面,虽然最初的划痕只有在负荷力较高时才出现,但一旦出现划痕,则其具有不可逆性,也就是说,划痕将会永久留在表面,从而破坏了表面的整体美观效果。

与之相比,自愈合功能型材料无疑是一个更好的选择。对消费者来说,最重要的不是产生划痕本身,而是划痕要在一定时间后消失,组件表面必须能够恢复原始状态,即完美的高光外观。即使在室温条件下,我们也可以在puroclear表面涂层上观察到这种独特的自愈合效果,实验表明,用H4铅笔所形成的表面划痕在几分钟后即可完全消失;通过更高的应力产生的较深划痕也会在数小时后消失(见表1)。需要指出的是,与传统高光表面涂层类似,在puroclear自愈合型表面涂层上,最初的划痕也只有在较高负荷下才出现,所以在日常使用中自愈合表面并不容易出现划痕。而一旦由于使用不慎出现表面划痕,puroclear的自愈合效果可为组件表面提供额外的保护,使其表面始终保持完美的外观。Puroclear材料和puroclear涂层符合德国汽车工业的严格要求,已通过诸如VOC/FOG、耐热老化、热光老化测试、气候变化和太阳能模拟、耐化学性和耐划伤性等测试(见表1)。由于puroclear出色的整体性能,该材料体系已被戴姆勒公司选定用于生产2013年推出的最新款奔驰S级轿车的方向盘。

新型设备和加工技术(CCM、ColorForm和表面RTM技术)

在典型的聚氨酯涂层加工工艺中,双组分聚氨酯反应体系中的两种初始组分在混料头中充分混匀,随后被注入置有预成型基材的封闭模具中。反应性聚氨酯在基材表面的涂覆,以及聚氨酯材料的固化均在极短时间内发生在封闭模具中。因此,型腔及其表面结构决定了最终模制部件的尺寸、厚度、轮廓以及表面质量。预成型基材部件可在分步加工过程中或者在一个集成工艺过程(ColorForm和表面RTM技术)中获得。如前所述,聚氨酯涂层加工技术主要用于表面升级(例如实木装饰表面)以实现高光泽度和豪华外观。针对此项应用,长期以来一直采用的常规方法是使用溶剂型聚酯喷涂/涂装工艺。与这一费时的喷涂工艺相比,聚氨酯加工技术(CCM、ColorForm和表面RTM技术)通常具备如下优点:属于无溶剂加工工艺,确保了生产、加工和最终产品的安全性;满足德国OEM厂商高级环保标准的要求,显著减少排放量;由于采用封闭法,且无喷溅,因此可节省可观的材料;使用一次性工艺,加工时间短,可显著提高生产效率;降低废品率,可大大节约成本并增强产品竞争力。

克劳斯玛菲是世界上唯一一家在注塑成型、反应过程机械设备和自动化技术方面积累了数十年实践经验的塑料加工机器制造商。作为一家知名的塑料加工机械和技术供应商,克劳斯玛菲已在该应用领域中成为开发新技术和新工艺的先驱者,不断接受新的技术挑战并推出满足市场需求的设备和工艺。克劳斯玛菲多年来在热塑性塑料和反应注射成型、模具及模具载体设计与制作方面积累了丰富的经验,从而使其在结合不同的加工技术方面具有独特的优势,能够针对具体应用为客户提供最佳的完整解决方案,使客户通过提高生产效率和产品稳定性及可靠性来受益。通过使用CCM、ColorForm和表面RTM技术可以获得高品质的表面涂层,puroclear自愈合表面更可进一步提高产品的附加值。

自动化CCM技术是一种具有成本竞争力的聚氨酯涂层工艺,它可使零部件具有高光泽度和奢华表面,主要用于(也不限于)生产高端车辆的木制内饰部件。在CCM工艺中,首先将待涂覆工件置入模具中,并在型腔中留出相当于漆层厚度的间隙。然后在高压工艺中用聚氨酯浇注该工件。通过这种方式能够在相当短的时间内制出高品质的涂层。CCM设备的工艺恒定性确保了部件外观满足高品质的要求。此外,对敏感性原材料(如木材)进行加工时,CCM机器可确保最佳温度控制。即使很小的排料量也能得到完美的混合,而且注入型腔中的混合料绝对无气泡。克劳斯玛菲已获专利的型腔压力调节系统可严格控制填充过程,这样就可以补偿由于天然木材变异而产生的微量体积变化,从而使型腔始终能够达到最佳填充效果,且无质量损失。自推出以来,CCM加工技术经过多年应用已日趋成熟,在欧洲已广泛用于生产高档汽车的内饰件。目前来自亚洲,特别是来自中国的需求量的增加,使我们有理由相信,CCM技术今后在中国也会得到更广泛的应用。

ColorForm工艺是以注塑加工和聚氨酯加工为基础的独特的组合式工艺,它将这两项工艺各自的优势完美地结合在一起,并首次实现了直接在模具内生产带有涂层的注塑部件,且无需对正在制造的支承部件进行表面预处理。在ColorForm工艺中,首先通过使用注塑机获得热塑性基材,随后在下一个型腔内实施聚氨酯表面浇涂。全自动的ColorForm工艺仅通过一道连续的工序即可将具有不同厚度、不同表面结构(例如同一表面具有哑光和高光泽度)和颜色的聚氨酯涂层涂覆于热塑性背衬材料之上,而无需中间存储或处理。该工艺完全取代了典型的成本密集型上漆步骤,以及所有上下游的工作步骤。使用ColorForm工艺既可提高生产效率、提高产品合格率,又可显著降低生产成本。

作为一种高光表面部件的生产方案,ColorForm可将高光泽表面与各种基体材料(如热塑性塑料、热固性塑料或聚氨酯)相结合。它确保了从透明到钢琴黑的广泛色彩的显示,并使得色彩管理灵活可变。ColorForm工艺的吸引力不仅在于优异的部件质量,而且还具有生产的经济性。采用过程可靠且自动化程度极高的一步式方法,将能够提高产品的合格品率,并无需再单独清洁产品。零部件质量和成本效益是使ColorForm令人一见难忘的原因。可靠的一步法加工工艺和高度自动化,可确保快速实施进一步加工,进而大幅减少物流成本。由于无过度喷涂,因此与后续涂装过程相比,可显著节省材料。与传统的多步骤加工工艺相比,ColorFrom工艺可将制造优质部件表面的费用减少大约30%。使用puroclear作为涂料,可使普通高光泽表面展现出令人印象深刻的3-D深度效果;此外还有高度耐刻划、表面硬度可调节以及层厚可变等诸多其他优势。

表面RTM工艺(表面树脂传递成型)是由克劳斯玛菲、Rühl Puromer公司和其他合作伙伴共同研发的新工艺,通过对碳纤维增强的RTM组件的表面升级处理,可实现无需传统的预处理即可表面喷漆的涂装效果。与ColorForm形式类似,表面RTM是包括两次连续反应注射成型的一步式工艺。首先,将碳纤维预成型件置于模具中,在闭合的模具中导入反应性RTM树脂,例如Rühl Puromer公司的产品puropreg RTM聚氨酯材料体系。当基体固化后,打开模具,使其达到指定间隙宽度,再使用同一型腔中的第二种聚氨酯体系puroclear进行涂覆,这样即可在已涂装纤维增强的部件上形成可涂覆聚氨酯层。表面材料厚度取决于部件的几何形状和积聚的纤维层,其厚度范围可为0.15~0.2mm。 该聚氨酯层可对纤维增强部件表面上的任何不规则情况进行补偿,以使该部件在涂装时无需增加任何额外的中间或后期处理步骤。

puroclear的自脱模特性使无预处理即可表面喷漆的涂装成为可能。由于整个生产过程,从第一步的RTM工艺到第二步的表面浇涂工艺均发生在在封闭的模具内,故无需额外的中间步骤,同时也避免了耗时的处理、储存和返工,从而使每个部件的生产成本节省近60%。基材中的高碳纤维含量(50%,以体积计)可确保组件的轻量化和出众的力学性能,同时puroclear涂层提供的无预处理即可表面喷漆的涂装性能,使该技术不仅满足了采用富有成本竞争力的方式生产优质表面的市场需求,同时亦满足了目前汽车行业对大量轻量化结构件的需求。在2013年K展上,克劳斯玛菲、Rühl Puromer公司和其他合作伙伴首次展出了这种表面树脂传递成型工艺,并取得了非常积极的反响。

总结

在本文中,我们介绍了一种创新型聚氨酯体系puroclear及其在表面升级方面的应用以及相应的加工技术(CCM、ColorForm和表面RTM技术)。具有独特自愈合性能的新一代表面涂层,以及先进的加工技术完全迎合了市场的需求。市场和客户的积极反馈使我们相信,puroclear材料和相应的加工技术在汽车和非汽车领域均有巨大的应用潜力,比如对汽车内外饰件、电子电气部件、家具零部件、体育和休闲用品的零部件以及装饰零部件进行表面升级(有关puroclear材料和相应加工技术总结,见表2)。

puroclear已被用于生产高端车的内部组件。图示最新型奔驰S级轿车方向盘(2013年量产,生产商:德国Quin公司)的木质表面puroclear表面涂层,呈现出了典型的高光表面和绚丽的3-D深度效果,并给人以超豪华的印象。基于独特的自愈合性能,这种高光表面在日常使用过程中几乎不会被损坏,即使在室温下,由戒指、手镯和车钥匙等日常物品在意外情况下造成的表面划痕也会迅速自行消失(图片来自Rühl Puromer公司)

 上图:使用CCM工艺在木质基材上涂覆puroclear材料的前(左)后(右)效果对比,图示为某高端汽车内饰零部件的一部分。在一步加工工序内获得的高光泽表面涂层呈现出豪华外观和绚丽的3D深度效果,当然,该涂层也具有自愈合效果(图片来自Rühl Puromer公司);下图:汽车扶手样板:使用puroclear材料和ColorForm技术可以获得高端的钢琴黑效果。puroclear材料的自脱模特性保证了PC/ABS的热塑性塑料注射成型和聚氨酯的反应性注射成型之间实现无缝对接,从而提高生产率。该部件的基体材料为PC/ABS(厚2.5mm),注射时间为1.9s;透明自愈型聚氨酯涂层采用puroclear(厚 0.25mm),固化时间为40s,冷却时间为30s,节拍时间<60s(图片来自Rühl Puromer公司)

 

采用表面RTM工艺生产的Roding R1跑车顶棚。在闭合的模具中,用puroclear材料对在第一个步骤中获得的RTM部件——碳纤维增强顶棚表面进行溢流涂覆。puroclear配方的自脱模性能使最终部件可以直接用于涂装,也就是说喷涂时,无需采用传统的中间步骤或二次加工(图片来自克劳斯玛菲)

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