阴极电泳涂装技术的发展

    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0.06～0.12MPa，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。

     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150～220V。

     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。

     5.2.3pH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。

     5.2.4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。

     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3～4min，一般工件只需2min。

    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0.5h。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。