阴极电泳涂装技术

阴极电泳涂装技术
摘要：电泳涂装技术是上世纪中叶才研制出的一门较新兴的涂装技术，它是以水性树脂为主要成膜基料配置成工作液，导电工件浸泡在工作液内，采用电泳法（亦称电沉积法）进行涂装，将成膜基料沉积在工件表面，经固化成膜的一种涂装技术。

关键词：阴极电泳涂装工艺
一概念
电泳涂装技术是上世纪中叶才研制出的一门较新兴的涂装技术，它是以水性树脂为主要成膜基料配置成工作液，导电工件浸泡在工作液内，采用电泳法（亦称电沉积法）进行涂装，将成膜基料沉积在工件表面，经固化成膜的一种涂装技术。

二阴极电泳涂装基本原理
阴极电泳涂料所含的树脂带有碱性基团，经酸中和后成盐而溶于水。

通直流电后，酸根负离子向阳极移动，树脂离子及其包裹的颜料粒子带正电荷向阴极移动，并沉积在阴极上，这就是电泳涂装的基本原理（俗称镀漆）。

电泳涂装是一个很复杂的电化学反应，一般认为至少有电解、电泳、电沉积、电渗这四种作用同时发生。

1) 电解
任何一种导电液体在通电时产生分解的现象，如水的电解能分解成H2和
O2。

2) 电泳
在导电介质中，带电荷的胶体粒子在电场的作用下向相反电极移动的现象，如阴极电泳中带正电荷的胶体粒子（R3N H）夹带和吸附颜料粒子由电泳过程移向阴极。

3)电沉积
漆粒子在电极上的沉积现象。

电沉积的第一步是H2O的电化学分解，这一反应至使在阴极表面区产生高碱性（OH）界面层，当阳离子（树脂和颜料）与OH 反应变成不溶性时，就产生涂膜的沉积。

4)电渗
刚沉积到被涂物表面的涂膜是半渗透的膜，在电场的持续作用下，涂膜内部
所含的水分从涂膜中渗析出来移向槽液，使涂膜脱水，这种现象称电渗。

电渗使亲水的涂膜变为涂膜，脱水而使涂膜致密化。

三电泳涂装技术的优点：
1)底涂工序可实现自动化，适用于流水作业。

相对于喷涂工艺而言，电沉积工艺虽然一次性投资较大，但投槽后两至三年内就可收回高于常规喷涂工艺的部分成本。

另外，电沉积工艺的能量消耗和保养费用大大低于常规喷涂工艺。

2)可控性
工作槽液容量较大使涂料及工艺参数的变化减到最小。

操作工艺参数已有明确的规定，且是以丰富经验为基础，依靠调整电压，容易得到均一目标的膜厚，通过选择不同品种的电泳漆和调整泳涂工艺参数，膜厚可控制在 10-35 μ m 范围内。

3)高效性
若槽操作参数及设备维护得当,涂料的有效利用率可高达95%以上，工作液是低固体份的水稀释液，粘度与水相似，原漆带出槽外的量很少。

泳涂的湿漆膜是水不溶性的，泳后可UF液封闭清洗，回收带出槽外的漆液。

4)低污染性，高安性
与其他溶剂型涂料，水性涂料相比，因其溶剂含量少，且低浓度，故无火灾危险，对水源和大气污染少。

采用UF和RO装置，实现电泳后的全封闭水洗，可大大减少废水处理量。

5)电泳涂膜的外观好，烘干时有较好的展平性。

电泳涂装所得涂膜的含水量少，溶剂含量也低，在烘干过程中不会象其它涂料样产生流痕、溶落、积漆等弊病。

电泳水洗后的涂膜相对干燥，因此晾干时间短，可直接进入高温固化。

四阴极电泳涂装工艺
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。

4.1电泳前处理
4.1.1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0.06～0.12MPa，时间3min)，浸渍能除去工件内部不易冲洗的油污(时间3min)。

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(2～6μm)，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3min，总酸度20～27点，游离酸0.7～1.3点，含锌量0.9～1.2g/L，磷化出槽喷淋1min，喷淋压力0.04～0.06MPa。

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。

4.2阴极电泳涂装工艺[10]
4.2.1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150～220V。

4.2.2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。

4.2.3pH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。

4.2.4电导率
操作时，漆的电导率一般在1200～1600μΩ/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。

4.2.5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%。

4.2.6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。

4.2.7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。

4.2.8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3～4min，一般工件只需2min。

4.2.9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0.5h。

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。

五国内外电泳涂装的发展史
1809年俄国科学家列斯首先发现了电泳现象，1950年Ford汽车公司开始从事电泳涂装技术的研究，1961年美国PPG公司与Ford公司共同建立起一条电泳涂装车轮的生产线，1963年电泳涂装成功地用于汽车车身地涂装。

电泳涂装在实际应用中显示出地高效、安全、经济等优点，受到世界各国地普遍重视，得到了广泛地应用。

1969年在电泳涂装线上使用了超虑系统，解决了电泳涂装中冲洗浮漆回收问题和工作液净化问题。

由于工件带出地漆液得到回收，大大减少了涂装地损失，提高使用效率，减少了环境污染。

1976年美国PPG 公司研制出阴极电泳漆，并运用于汽车车轮地涂装，由于阴极电泳漆地使用，电泳涂装涂层地耐蚀性得到较大地提高，很快在电泳涂装中替代了阳极电泳涂装。

随着新型阴极电泳漆地开发，阴极电泳涂装已成为最重要地涂装方式之一。

在国内六十年代中期，上海涂料研究所和西北涂料研究所分别研制成功两种具有代表性的阳极电泳漆，酚醛改性醇酸阳极电泳漆和环氧酯阳极电泳漆。

为了解决钢质药筒地防腐问题，原五机部五四研究所（现五九研究所）于1980年在国内率先研制成功阴极电泳漆。

1985年又将此产品推广应用于长安微型汽车车身阴极电泳涂装。

在六五期间，我国涂料工业先后从日本和奥地利引进阴极电泳漆的制造技术和涂装技术，第一条现代化汽车车身阴极电泳涂装生产线于1986年在一汽车身厂投产，随着国内不断吸收消化阴极电泳漆制造和设计技术，现几乎在所用的车身底漆涂装都采用阴极电泳涂装。

六结语
阴极电泳涂料是今后水性涂料发展应用的重要方向之一,也是现阶段应用最为广泛和成功的水性涂料。

和国外发达国家相比, 我国的阴极电泳涂料的发展水平还相对落后,其中如何自主开发和研制可用于汽车和装饰行业的高端阴极电泳涂料,是我国现阶段要重点研究的问题。

对于整个阴极电泳涂料行业来说,汽车行业是其主要的应用领域,对于汽车底漆来说,进一步降低固化温度和发展底表合一的新型阴极电泳涂料是将来该行业发展的重要方向。

参考文献
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