基于ABS基材的水披覆转印工艺应用研究

廖勇 陈三林 倪雪辉

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

0 引言

水披覆转印技术是依靠水的压力，将聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）膜上的油墨图案均匀转印到产品表面，同时使油墨与PVA材料分离[1-2]。该工艺最大特点和优势是不仅适用于平面基材的装饰，也适用于曲面及凹面等不规则基材的装饰，同时还可以在塑料、金属、陶瓷、木材等不同材质的产品上进行装饰[3-4]。通过选择合适的图纹，可在产品表面获得如木纹、云石、翡翠等各种逼真的图案纹理效果[5]，因此具有较大应用价值。目前水披覆转印工艺在汽车内饰件、电子产品上应用比较普遍[6]，在家电行业中有一定的应用，但在空调上的应用较少。目前行业内对水披覆工艺中的油墨、PVA膜片及图案印刷研究较多，但对水披覆工艺具体参数的公开报道较少。

在空调行业中ABS塑料应用较广[7]，常作为外观及结构件，但ABS注塑件外观相对单一，为丰富空调外观，将水披覆转印工艺应用到空调行业中。本文研究了水披覆转印工艺在ABS基材上的应用，探讨了底漆羟值、转印槽水温、活化时间、工件入水角度及UV面漆硬度等对水披覆转印效果的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

原料：水披覆膜，型号I1309-F，广州学创化工有限公司；活化剂，型号S601，上海高鸣化工有限公司；底漆，型号K-1190，惠州飞凯化工有限公司；面漆，型号YX-1107，江门亿鑫化工有限公司。

仪器：实验室水喷柜，华纬设备有限公司；烘箱，FR-1210型，吴江吴越烘箱设备有限公司；UV固化机，UVA-322型，东莞心舟工业设备有限公司；水转印槽，东莞易红机械设备有限公司；清洗设备，东莞益炜有限公司；静电喷枪，W101型，昆山大东扬自动化设备有限公司；百格刀，3M胶带，秒表；水煮箱，DK-8AS型，上海合恒仪器设备有限公司。

1.2 工艺流程

水披覆工艺主要流程如图1所示，其中前处理主要是使用白电油除去注塑件表面油污，并通过静电喷枪进行静电除尘，以保证基材与底漆之间具有良好的附着力，喷涂底漆主要用于遮盖基材缺陷并为水披覆转印油墨提供良好的附着；水披覆转印包含三个连续过程，即水披覆膜在水面上的延展、溶剂对转印膜层油墨的活化以及图案转印工序；喷涂面漆主要用于保护转印图案不受破坏。

图1 水披覆工艺流程图

1.3 水披覆实验过程

（1）底漆喷涂及固化

使用空气喷枪喷涂底漆，喷涂气压为0.35～0.55 MPa，喷幅为4～10 cm，喷涂距离为（15±5）cm，喷涂膜厚为（15±2）μm，喷涂结束后将样件置于60℃烘箱中烘烤20 min。

（2）水披覆转印

将水披覆膜在转印槽中铺展开，并用喷枪将活化剂喷涂于水披覆膜上使油墨活化，然后将喷涂完底漆的ABS工件以一定角度压入水中，使水披覆膜上的图案转印到工件上，并水洗工件表面，最后置于60℃烘箱中烘烤20 min。

（3）面漆喷涂与固化

面漆喷涂膜厚为（20±2）μm，其喷涂参数同底漆喷涂参数一样，喷涂结束后将样件在自然状态下流平2 min，然后将样件置于60℃烘箱中预热5 min，再放入UV固化机中固化，固化能量为800 mJ/cm²。

1.4 性能测试

（1）附着力测试

按GB/T 9286-2021《色漆和清漆 划格试验》进行测试，测试结果0级为最佳，5级为最差。

（2）耐水煮测试

将样件于60℃水中煮6 h，取出后用滤纸吸干表面的水份，立即观察外观，静置24 h后进行附着力测试。

（3）溶解时间测试

将水披覆膜裁剪成4 cm×4 cm大小，并置于不同温度的水槽中进行溶解性测试，用秒表记录溶解的时间。

2 结果与讨论

2.1 底漆对水披覆工艺性能的影响

底漆在水披覆工艺中主要起到遮盖基材缺陷并为水披覆转印油墨提供良好的层间附着力的作用，同时底漆的好坏也影响到水披覆膜的耐水煮性能。对不同羟值单组分底漆进行了层间附着力及耐水煮性能研究。

底漆树脂对水披覆性能的影响如表1所示，由表1可知，附着底漆树脂中羟值含量从2 mgKOH/g逐步增大到20 mgKOH/g时，底漆对水披覆油墨的层间附着力从1级增大到0级，表明底漆树脂羟值含量增加有利于提高底漆与水披覆油墨的层间附着力。这是因为羟基为极性基团，这些极性基团与水披覆油墨之间形成相互作用的吸附点，随着羟值增加，底漆树脂与水披覆油墨之间吸附点增加，分子间作用力增加，从而使附着力增加。

表1 底漆树脂对水披覆性能的影响

水煮性能可以在一定程度上反映出涂层的湿热附着力，从表1可知，随着附着底漆树脂中羟值含量增加，水煮后的外观稳定性出现下降趋势，而水煮后附着力出现先增加后减小的趋势。这是因为羟基为亲水性极性基团，水分子透过底漆与羟基形成结合水，羟基含量越大形成结合水的能力越强，在外观上最终出现起泡现象，从而影响层间附着力，引起附着力下降，因此底漆树脂羟值在6～15 mgKOH/g范围内较佳。

2.2 水温对水披覆膜性能的影响

2.2.1 水温对膜溶解时间的影响

在水披覆工艺当中，水主要起两个作用，一是水溶性PVA膜片，二是提供足够的压力，使浮于水面上的油墨图案通过水的压力将图案完整、紧密贴合在工件上。图2为水温对水披覆膜溶解性能的影响图，从图2可知，随着水温升高，水披覆膜溶解时间变短，这是因为PVA膜为水溶性高分子，在水温升高时，水分子运动加剧，同时温度升高也使得高分子链段更加容易舒展，二者共同作用使PVA膜溶解时间变短，当水温超过40℃时，PVA膜溶解时间减少不明显，从生产效率及节能角度考虑，水温为40～50℃较佳。

图2 水温对水披覆膜溶解性能的影响

2.2.2 水温对水披覆效果的影响

水温对水披覆效果的影响如表2所示，由表可知，当水温低于35℃时，水披覆工序结束时工件表面出现了PVA颗粒残留并有图案变形现象，这主要是因为水温太低时，PVA膜不能很好地溶解于水中，故后期水洗工序无法彻底清洗掉残留的PVA膜；另外因水温较低，PVA溶解时间延长，使得油墨溶胀变形。当水温高于60℃时水披覆图案出现变形甚至破裂，这是因为高温水湿的环境下水分子运动加剧使PVA膜溶解过快，导致油墨层树脂受热的运动加剧而出现图案变形甚至破裂。因此水温控制在40～50℃较适宜。

表2 水温对水披覆效果的影响

2.3 活化时间对水披覆效果的影响

活化剂主要成分为二甲苯、甲苯、甲基异丁基酮的混合物，将其喷涂于转印膜上，其主要作用是将转印膜上的呈烘干状的油墨图案活化成溶胀状态，使图案保持完整性，从而使图案层与PVA分离[8]。活化时间对水披覆效果的影响如表3所示，由表可知，随着活化剂活化时间的增加，转印图案呈现出图案不全—良好—变形的阶段性变化，这主要是因为在活化时间较短时，油墨层未充分软化溶胀，部分油墨与底漆之间无法充分润湿，导致图案不能完整转印到底漆上；随着活化时间延长，油墨与底漆之间可以充分接触并附着，从而图案较完整；但随着活化时间进一步增加，油墨进一步膨胀而出现纹路积压的现象，导致图案变形。因此从图案效果上看，活化时间为15～30 s较佳。

表3 活化时间水披覆效果影响

2.4 转印入水角度对水披覆效果的影响

入水角度是指工件缓慢入槽时工件与水平面的夹角，工件入水角度对水披覆效果影响较大。工件转印入水角度对水披覆效果的影响如表4所示，由表可知，工件以较低入水角进行转印时，水披覆产品表面出现局部纹变的现象，这主要是因为入水角度太小，工件与水披覆膜在瞬间接触面积较大，接触界面的气泡被包覆而无法及时排出，后期进行烘干时气泡破裂而发生图案局部纹变；当入水角度增大时，接触界面的气泡排出较快因而转印的图案效果较好；当入水角度进一步增加时，工件对水披覆膜的拉伸较大从而使图案变形。因此入水角度控制在30°～45°较佳。

表4 转印角度对水披覆效果的影响

2.5 面漆硬度对水披覆效果的影响

为保护转印图案不被破坏，需要在转印层上喷涂一层透明的面漆作为保护层，为提高生产效率，选用UV光油进行工艺研究。面漆硬度对水披覆性能影响如表5所示，由表可知，随着UV光油硬度增加，面漆与水披覆层附着力呈现下降的趋势，这是因为UV光油硬度与交联度有关，交联度越大硬度越高，光油中可自由旋转的极性分子链减少，与水披覆层油墨吸附点减小，从而导致附着力下降。另外，随着UV光油硬度增加，水煮后附着力先增加后减小，水煮外观依次呈现出起泡、正常和开裂的现象，这主要是光油硬度较低时，交联密度较低，对水分子屏蔽作用较小，从而出现起泡问题；当UV光油硬度过大时，光油内应力较大而出现水煮开裂问题，因此面漆硬度控制在HB至F之间较佳。

表5 面漆硬度对水披覆性能影响

3 结论

水披覆转印工艺可极大提升空调外观视觉效果，本文研究了水披覆转印工艺在ABS基材上的应用，探讨并分析了底漆羟值、转印槽水温、活化时间、工件入水角度及UV面漆硬度等对水披覆效果的影响，得出如下结论：

（1）随着底漆羟值含量增加，底漆与水披覆膜之间的附着力从1级提高至0级，水煮耐水性先提高后降低；羟值含量为6～15 mgKOH/g时，层间附着力及耐水煮性能合格。

（2）随着水温增加，水披覆膜溶解时间变短，同时转印膜图案发生形变；水温为40～50℃时，水披覆转印效果较好。

（3）活化时间为15～30 s时，水披覆转印效果较好。

（4）随着转印入水角度的增大，图案发生变形，转印入水角度为30°～40°时，水披覆转印效果较好。

（5）面漆硬度处于HB与F之间时，面漆耐水煮性能及层间附着力较佳。