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阴极电泳涂装技术的发展

信息来源:paintkey.com  时间:2009-06-05  浏览次数:138

  摘要:在扼要分析阴极电泳涂装原理的基础上,概述了阴极电泳的特点、在涂装行业中的应用以及国内外阴极电泳涂装的发展状况,探讨了前处理及电泳工艺参数对阴极电泳质量的影响,并展望了阴极电泳涂装技术的发展方向。
关键词:阴极电泳;涂装技术;阴极电泳涂料

  0 引言

  电泳涂料源于20世纪30年代,从20世纪60年代中期开始研究合成阳离子型树脂,并于20世纪70年代初用于对耐腐蚀性能要求高的家用电器上作底漆,随后逐渐开发出了耐蚀性能更高且具有装饰性效果的阴极电泳涂料,由于其具有优良的防腐蚀性、高泳透率、高流平性、高装饰性且涂装自动化程度高、涂装污染少等特点,广泛应用于机动车工业中,并推广应用到建材、轻工、家用电器等工业领域以及五金和工艺品的表面防腐和装饰[1-2]

  1 阴极电泳原理[3]

  阴极电泳是带正电荷的阳离子树脂通电后向阴极移动,由于阴极附近pH值上升,发生粒子交换,阴极涂料就析出覆到试件上。概括起来,它包括电解、电泳、阴极电沉积、电渗四种现象。下面以环氧树脂类阴极电泳漆为例,来分析阴极电泳过程。

  环氧树脂一般带有碱性基团,用有机酸(如醋酸)中和后生成盐而溶于水。同时,由于水的离解,在直流电场作用下,阴极电泳过程如下:

  (1)电解反应:2H2O+2e=H2↑+2OH

  (2)电泳:RN+H(C2H4OH)2:和H+向阴极运动;

  (3)阴极电沉积:由H+在阴极放电,阴极和漆液界面处,OH-浓度升高,当OH-浓度增加到一定数值时(pH值最高可达12),漆膜便在阴极(工件)表面产生沉积;

(4)电渗:电泳涂装过程中,漆膜沉积的初始阶段,

粒子(或离子)电荷不一定全部被中和、放电。沉积所得的漆膜结构是疏松的,含水量相当高,离子能通过。因此,电渗的作用是:当继续通电时,阴极表面产生的阴离子通过漆膜向阳极方向移动,并在漆膜表面与涂料粒子中和形成新的沉积漆膜。同时,阴离子渗出时夹带着水分子移动,使漆膜内所含水分逐渐排到漆膜外,最后形成含水率很低,电阻相当高的致密漆膜,这种漆膜就可直接进入烘箱中固化,形成最终的电泳涂层。

  2 阴极电泳的特点

  与阳极电泳涂装法相比,它具有如下优点:被涂物不发生阳极溶解,使涂膜与底材的附着力和防腐蚀性能均有所提高;漆基中含有防止底材腐蚀的基团(如含氮基团),耐腐蚀性和泳透力均高于阳极电泳涂料,因而使被涂物的内腔和焊缝泳涂得更好[4]。

  4 阴极电泳涂装的应用

  目前,世界汽车生产中有92%使用电泳涂料(ED),其中有90%采用阴极电泳涂料(CED)。以福特和通用汽车公司为例,从1977年1月开始投建汽车车身阴极电泳涂装线至今,这两个公司的阴极电泳涂装线占汽车车身涂装线的99%;而日本各汽车公司为在各国际市场上获得竞争能力,继美国之后,于1977年10月投建了第一条汽车车身阴极电泳线至今,也有95%以上的汽车车身采用了阴极电泳涂装线。我国汽车工业于2O世纪8O年代中期应用阴极电泳漆,如今第二汽车制造厂的东风汽车车身,大众的桑塔纳,还有奥迪、标致等轿车车身百分之百采用了阴极电泳漆,其他如汽车零部件、车箱、车架等,为提高这些薄板件的使用寿命,也纷纷采用了耐蚀性高的阴极电泳漆。

  由于阴极电泳涂料有着优良的防腐蚀、渗透性和装饰性能,不但应用在汽车行业中,还广泛地应用在其他行业中。如在建筑材料中,防火门、钢窗等涂装耐候性好的双涂层的环氧树脂阴极电泳涂料,钢制家具和间壁材料使用丙烯酸树脂系阴极电泳涂料。在五金行业中,电泳锁具、金属眼镜架、自行车部件、文具、皮箱扣、打火机等用品,均取得了令人满意的效果[5-6 ]。

  4 国内外阴极电泳涂装的发展概况

  4.1 国外阴极电泳发展概况

  阴极电泳涂装最先在美国应用。早在20世纪60年代中期联邦德国BASF公司和美国PPG公司首先进行了阳离子型树脂的合成(即阴极电泳的研究)。1971年美国的PPG公司开始应用第一代阴极电泳漆。先在菲利普公司的电冰箱、洗衣机以及干燥机等耐腐蚀性能要求高的家用电器上作底漆。1976年6月美国通用汽车公司将汽车部件采用PPG 公司第二代阴极电泳漆(CED-3002 )获得成功。1977年开始正式用阴极电泳漆为底漆来涂装汽车车身。1978年美国通用汽车公司和福特汽车公司基本上把原来使用的65条阳极电泳涂装生产线改用新的阴极电泳涂装生产线。1977年日本和英国由美国PPG公司引进技术以后,他们的汽车涂装从1978~1979年也向阴极电泳涂装转化。到1978年底初步统计,世界上约有120条阴极电泳涂装线,其中美国有70条以上,日本有20条,欧洲有10条[7]。到20世纪80年代初期几乎所有的汽车电泳线都由阴极电泳取代了阳极电泳涂装。

  4.2 国内阴极电泳发展概况

  我国于1976年开始阴极电泳涂漆的研究。第一代阴极电泳涂料由当时的兵器部五四研究所(现改为五九所)于1979年首先研制成功,并在军工产品上得到了一定的应用。随后化工部涂料所(现常州涂料化工研究院)、上海涂料所以及沈阳、北京、天津等大中型造漆厂也做了大量阴极电泳涂料的开发研制工作[8]。在“六五”期间我国涂料工业从日本、澳大利亚和英国引进了阴极电泳涂料制造技术和涂料技术。前几年我国先后从美国、德国、意大利等国引进先进涂料技术和涂装设备。第一条现代化流水生产的汽车车身阴极电泳涂装生产线于1986年7月在第一汽车制造厂车身厂投产。随后第二汽车制造厂和济南车身阴极电泳线相继投产,在我国汽车工业中形成了阴极电泳涂装替代阳极电泳涂装趋势。到1990年底共建成投产的阴极电泳涂装线有21条(其中车身涂装线16条),至1994年底投产的已接近40条,还有几条生产能力为10万辆以上阴极电泳涂装线(一汽-大众、上海-大众、天津夏利等大槽电泳线)。到1999年我国已有几十条生产线投产,仅10万辆以上的阴极电泳涂装线就有5条以上(如:第一汽车制造厂大众有限公司、上海别克汽车有限公司等上百吨的电泳槽生产线)已于2000年之前建成投产。今天阴极电泳漆已占汽车涂装市场的大部分[9]

  5 阴极电泳涂装工艺

  在阴极电泳涂装过程中,除了电泳设备与电泳涂料等客观因素影响涂膜质量外,电泳前处理及电泳工艺参数,对涂膜的性能起着关键性作用。

  5.1 电泳前处理

  5.1.1 脱脂

  工件表面的油污必须首先彻底清除,脱脂普遍采用水基型脱脂剂。脱脂工艺要点是控制脱脂温度、浓度和脱脂时间。脱脂温度过高,水解速度加快,工件表面易泛黄;温度过低,不利于脱脂液中表面活性剂的润湿、乳化、增溶等作用,脱脂不干净。脱脂温度一般控制在50~60 ℃为佳。同时,脱脂液pH值高,脱脂能力强,反之脱脂能力差,一般脱脂液总碱度控制在10~20点。

脱脂的方式以喷浸联用为好,因为喷淋时的冲击力有利于油污除去(压力为0.06~0.12 MPa,时间3 min ),浸渍能除去工件内部不易冲洗的油污(时间3 min)。

  脱脂后应清洗干净,否则金属表面覆盖一层碱性物质,使金属表面活泼晶核被覆盖,导致晶核数减少,使后续磷化膜粗糙、发花,最终影响抗腐蚀性能。

  4.1.2 磷化

  磷化膜质量的优劣,主要表现在所生成晶体粗细和致密程度、表面有无沉淀物以及膜厚等方面,它们的差异对漆膜结合力产生不同的影响。

  适用阴极电泳的磷化膜应薄(2~6 μm),吸漆量小。常用低温、低渣快速磷化工艺,但是中温磷化工艺稳定,磷化膜质量比低温磷化好。

  磷化工艺的关键是控制磷化温度、时间、促进剂含量及磷化液的游离酸和总酸度。一般控制磷化液温度38~45℃,浸入时间3 min,总酸度20~27点,游离酸0.7~1.3点,含锌量0.9~1.2 g/L,磷化出槽喷淋1 min,喷淋压力0.04~0.06 MPa。

  另外,磷化后的清洗工序不能忽视,必须彻底洗净磷化膜上残留的可溶性盐,因为这种可溶性盐在湿热条件下,易引起涂层的早期起泡和脱落;另外,这种可溶性盐带入电泳槽会严重污染电泳漆。一般磷化后,先用自来水喷淋清洗,然后用去离子水喷淋。

  5.2 阴极电泳涂装工艺[10]

  5.2.1 电压

  通常电泳时间是固定的,膜厚是通过提高或降低电压

来调节。提高电压可增加工件内表面及半封闭面的漆膜厚度,但由于工件入槽瞬间冲击电流太大,漆膜沉积速度过

快。易造成漆膜外观和性能变劣。电压过低,电沉积速度

太低、效率低、漆膜薄、泳透力差。一般在保证漆膜外观

质量的前提下,尽可能采用较高的电压进行电泳,电压控制在150~220 V。

  5.2.2 温度

  一般电泳温度范围25~28 ℃,对于厚膜电泳涂装,通常升高温度,漆液黏度降低,电极反应加快,膜厚增加,同时电泳膜表面粗糙度降低。温度过高,沉积速度加快,漆膜粗糙甚至产生裂纹;另外泳透力降低,并使槽液稳定性变差,漆液不易控制。对厚膜电泳,槽温一般推荐28~30 ℃,在此范围内能获得均匀、光滑的涂层。

  5.2.3 pH 值

  电泳漆的pH值是控制漆稳定性的最重要因素,电泳过程中必须保持pH=5.90~6.15。电泳漆是酸溶物质,依靠保持适当的酸度使漆溶解,pH值升高,酸量减少,漆开始不稳定。pH值高于6.15,开始生成难溶物质,漆膜质量变差。当pH值降低时,电泳电流增大,电沉积量增加,有利于漆膜形成,但随pH值的降低,漆膜再溶解增加,当电沉积和溶解达到平衡时,酸度再增加会使漆膜反而变薄。

  5.2.4 电导率

  操作时,漆的电导率一般在1 200~1600 μΩ/cm,保持电流的适当流动,从而保证涂层的质量。当电导率过高,电解反应加剧、颜料分散性差、光泽降低,而且漆膜也易含有杂质,降低了漆膜的防腐蚀性能。

  5.2.5 固体分

  在正常范围内,固体分对电沉积量的影响不大,因为浓度增加,黏度也相应增加,运动速度与黏度成反比。但固体分过高时,电泳速度过快,漆膜变得粗糙,甚至呈桔皮状。固体分过低时,泳透力低,漆膜的遮盖力不好,漆膜薄,易产生针孔,槽液稳定性变差。故厚膜电泳的固体分应控制在18%~25%。

  5.2.6 颜基比

  颜基比失调,会导致漆膜的外观质量和抗腐蚀能力变差。颜基比过高,漆膜粗糙无光泽,甚至颜料发生沉积;颜基比过低,漆膜虽有光泽,但易产生针孔,漆膜抗腐蚀能力降低。因此对厚膜电泳,抗腐蚀要求较高的涂层,颜基比为0.24~0.30。

  5.2.7 溶剂

  电泳漆中的溶剂含量对电泳质量影响较大。溶剂含量太低,降低了树脂在水中的溶解性。溶剂含量过高,漆膜厚,使电泳漆的破坏电压降低,槽液不易控制,故溶剂含

量一般在1%左右。

  5.2.8 电泳时间

  工件在电泳槽内的时间越长,膜厚及泳透力增加。不过电泳时间过长,涂膜的厚度不会再增加。因此,在保证涂层质量的前提下,应尽量缩短时间,提高生产效率。通常大型工件用3~4 min,一般工件只需2 min。

  5.2.9 烘烤的温度和时间

  电泳漆烘烤的温度和时间,对漆膜的耐腐蚀性和抗石击性均有很大的影响。高温长时间烘烤,可能导致漆膜变脆,故一般烘烤温度在180 ℃左右,时间约为0.5 h。阴极电泳涂装技术,由于其涂层的均匀性和优良的耐蚀性,生产性以及低污染性等优点,应用领域日益扩大,已成为涂装领域不可缺少的方法之一。今后,在阴极电泳涂装新技术开发过程中,涂装工艺应向着节省能源、降低劳动强度和生产成本,减少环境污染等方向发展。


参考文献

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[4] 王锡春.电泳涂装技术问答(1)[J].材料保护,1995,28(4):37-39.

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[6] 吴守智.日本关西涂料公司新型电泳涂料[J].沈阳化工,1990(4): 36-40.

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[8] 孙兰新,宋文章,王善勤,等.涂装工艺与设备[M].北京:中国轻工业出版社,2001: 148-149.

[9] 宋华,王锡春.国内外阴极电泳涂料的进展[J].涂料工业,1994,24(6): 33-37.[10] WISMER M, PIERCE P E, CHRISTENSON R M, et al. Cathodic electrodeposition[J]. Journal of Coatings Technology, 1982,54(5): 35-44.
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