陰極電泳涂裝技術的發展
摘要：在扼要分析陰極電泳涂裝原理的基礎上，概述了陰極電泳的特點、在涂裝行業中的應用以及國內外陰極電泳涂裝的發展狀況，探討了
前處理及電泳工藝參數對陰極電泳質量的影響，并展望了陰極
電泳涂裝技術的發展方向。
0引言
電泳涂料源于20世紀30年代，從20世紀60年代中期開始研究合成陽離子型樹脂，并于20世紀70年代初用于對耐
腐蝕性能要求高的家用電器上作底漆，隨后逐漸開發出了耐蝕性能更高且具有裝飾性效果的陰極電泳涂料，由于其具有優良的
防腐蝕性、高泳透率、高流平性、高裝飾性且涂裝自動化程度高、涂裝污染少等特點，廣泛應用于機動車工業中，并推廣應用到建材、輕工、家用電器等工業領域以及
五金和工藝品的表面防腐和裝飾[1-2]。
1陰極電泳原理[3]
陰極電泳是帶正電荷的陽離子樹脂通電后向陰極移動，由于陰極附近pH值上升，發生粒子交換，陰極涂料就析出覆到試件上。概括起來，它包括電解、電泳、陰極電沉積、電滲四種現象。下面以環氧樹脂類陰極電泳漆為例，來分析陰極電泳過程。
環氧樹脂一般帶有堿性基團，用有機酸(如醋酸)中和后生成鹽而溶于水。同時，由于水的離解，在直流電場作用下，陰極電泳過程如下：
(1)電解反應：2H2O+2e－=H2↑+2OH－；
(2)電泳：RN+H(C2H4OH)2：和H+向陰極運動；
(3)陰極電沉積：由H+在陰極放電，陰極和漆液界面處，OH-濃度升高，當OH-濃度增加到一定數值時(pH值最高可達12)，漆膜便在陰極(工件)表面產生沉積；
(4)電滲：電泳涂裝過程中，漆膜沉積的初始階段，
粒子(或離子)電荷不一定全部被中和、放電。沉積所得的漆膜結構是疏松的，含水量相當高，離子能通過。因此，電滲的作用是：當繼續通電時，陰極表面產生的陰離子通過漆膜向陽極方向移動，并在漆膜表面與涂料粒子中和形成新的沉積漆膜。同時，陰離子滲出時夾帶著水分子移動，使漆膜內所含水分逐漸排到漆膜外，最后形成含水率很低，電阻相當高的致密漆膜，這種漆膜就可直接進入烘箱中固化，形成最終的電泳涂層。
2陰極電泳的特點
與陽極電泳涂裝法相比，它具有如下優點：被涂物不發生陽極溶解，使涂膜與底材的附著力和防腐蝕性能均有所提高；漆基中含有防止底材腐蝕的基團(如含氮基團)，耐腐蝕性和泳透力均高于陽極電泳涂料，因而使被涂物的內腔和焊縫泳涂得更好[4]。
4陰極電泳涂裝的應用
目前，世界汽車生產中有92%使用電泳涂料(ED)，其中有90%采用陰極電泳涂料(CED)。以福特和通用汽車公司為例，從1977年1月開始投建汽車車身陰極電泳涂裝線至今，這兩個公司的陰極電泳涂裝線占汽車車身
涂裝線的99%；而日本各汽車公司為在各國際市場上獲得競爭能力，繼美國之后，于1977年10月投建了第一條汽車車身陰極電泳線至今，也有95%以上的汽車車身采用了陰極電泳涂裝線。我國汽車工業于2O世紀8O年代中期應用陰極電泳漆，如今第二汽車制造廠的東風汽車車身，大眾的桑塔納，還有奧迪、標致等轎車車身百分之百采用了陰極電泳漆，
其他如汽車零部件、車箱、車架等，為提高這些薄板件的使用壽命，也紛紛采用了耐蝕性高的陰極電泳漆。
由于陰極電泳涂料有著優良的防腐蝕、滲透性和裝飾性能，不但應用在汽車行業中，還廣泛地應用在其他行業中。如在建筑材料中，防火門、鋼窗等涂裝耐候性好的雙涂層的環氧樹脂陰極電泳涂料，鋼制家具和間壁材料使用丙烯酸樹脂系陰極電泳涂料。在五金行業中，電泳鎖具、金屬眼鏡架、自行車部件、文具、皮箱扣、打火機等用品，均取得了令人滿意的效果[5-6]。
4國內外陰極電泳涂裝的發展概況
4.1國外陰極電泳發展概況
陰極電泳涂裝最先在美國應用。早在20世紀60年代中期聯邦德國BASF公司和美國PPG公司首先進行了陽離子型樹脂的合成(即陰極電泳的研究)。1971年美國的PPG公司開始應用第一代陰極電泳漆。先在菲利普公司的電冰箱、洗衣機以及干燥機等耐腐蝕性能要求高的家用電器上作底漆。1976年6月美國通用汽車公司將汽車部件采用PPG公司第二代陰極電泳漆(CED-3002)獲得成功。1977年開始正式用陰極電泳漆為底漆來涂裝汽車車身。1978年美國通用汽車公司和福特汽車公司基本上把原來使用的65條陽極電泳涂裝生產線改用新的陰極電泳涂裝生產線。1977年日本和英國由美國PPG公司引進技術以后，他們的汽車涂裝從1978～1979年也向陰極電泳涂裝轉化。到1978年底初步統計，世界上約有120條陰極電泳涂裝線，其中美國有70條以上，日本有20條，歐洲有10條[7]。到20世紀80年代初期幾乎所有的汽車電泳線都由陰極電泳取代了陽極電泳涂裝。
4.2國內陰極電泳發展概況
我國于1976年開始陰極電泳涂漆的研究。第一代陰極電泳涂料由當時的兵器部五四研究所(現改為五九所)于1979年首先研制成功，并在軍工產品上得到了一定的應用。隨后化工部涂料所(現常州涂料化工研究院)、上海涂料所以及沈陽、北京、天津等大中型造漆廠也做了大量陰極電泳涂料的開發研制工作[8]。在“六五”期間我國涂料工業從日本、澳大利亞和英國引進了陰極電泳涂料制造技術和涂料技術。前幾年我國先后從美國、德國、意大利等國引進先進涂料技術和涂裝設備。第一條現代化流水生產的汽車車身陰極電泳涂裝生產線于1986年7月在第一汽車制造廠車身廠投產。隨后第二汽車制造廠和濟南車身陰極電泳線相繼投產，在我國汽車工業中形成了陰極電泳涂裝替代陽極電泳涂裝趨勢。到1990年底共建成投產的陰極電泳涂裝線有21條(其中車身涂裝線16條)，至1994年底投產的已接近40條，還有幾條生產能力為10萬輛以上陰極電泳涂裝線(一汽-大眾、上海-大眾、天津夏利等大槽電泳線)。到1999年我國已有幾十條生產線投產，僅10萬輛以上的陰極電泳涂裝線就有5條以上(如：第一汽車制造廠大眾有限公司、上海別克汽車有限公司等上百噸的電泳槽生產線)已于2000年之前建成投產。今天陰極電泳漆已占汽車涂裝市場的大部分[9]。
5陰極電泳涂裝工藝
在陰極電泳涂裝過程中，除了電泳設備與電泳涂料等客觀因素影響涂膜質量外，電泳前處理及電泳工藝參數，對涂膜的性能起著關鍵性作用。
5.1電泳前處理
5.1.1脫脂
工件表面的油污必須首先徹底清除，脫脂普遍采用水基型脫脂劑。脫脂工藝要點是控制脫脂溫度、濃度和脫脂時間。脫脂溫度過高，水解速度加快，工件表面易泛黃；溫度過低，不利于脫脂液中表面活性劑的潤濕、乳化、增溶等作用，脫脂不干凈。脫脂溫度一般控制在50～60℃為佳。同時，脫脂液pH值高，脫脂能力強，反之脫脂能力差，一般脫脂液總堿度控制在10～20點。
脫脂的方式以噴浸聯用為好，因為噴淋時的沖擊力有利于油污除去(壓力為0.06～0.12MPa，時間3min)，浸漬能除去工件內部不易沖洗的油污(時間3min)。
脫脂后應清洗干凈，否則金屬表面覆蓋一層堿性物質，使金屬表面活潑晶核被覆蓋，導致晶核數減少，使后續磷化膜粗糙、發花，最終影響抗腐蝕性能。
4.1.2磷化
磷化膜質量的優劣，主要表現在所生成晶體粗細和致密程度、表面有無沉淀物以及膜厚等方面，它們的差異對漆膜結合力產生不同的影響。
適用陰極電泳的磷化膜應薄(2～6μm)，吸漆量小。常用低溫、低渣快速磷化工藝，但是中溫磷化工藝穩定，磷化膜質量比低溫磷化好。
磷化工藝的關鍵是控制磷化溫度、時間、促進劑含量及磷化液的游離酸和總酸度。一般控制磷化液溫度38～45℃，浸入時間3min，總酸度20～27點，游離酸0.7～1.3點，含鋅量0.9～1.2g/L，磷化出槽噴淋1min，噴淋壓力0.04～0.06MPa。
另外，磷化后的清洗工序不能忽視，必須徹底洗凈磷化膜上殘留的可溶性鹽，因為這種可溶性鹽在濕熱條件下，易引起涂層的早期起泡和脫落；另外，這種可溶性鹽帶入電泳槽會嚴重污染電泳漆。一般磷化后，先用自來水噴淋清洗，然后用去離子水噴淋。
5.2陰極電泳涂裝工藝[10]
5.2.1電壓
通常電泳時間是固定的，膜厚是通過提高或降低電壓
來調節。提高電壓可增加工件內表面及半封閉面的漆膜厚度，但由于工件入槽瞬間沖擊電流太大，漆膜沉積速度過
快。易造成漆膜外觀和性能變劣。電壓過低，電沉積速度
太低、效率低、漆膜薄、泳透力差。一般在保證漆膜外觀
質量的前提下，盡可能采用較高的電壓進行電泳，電壓控制在150～220V。
5.2.2溫度
一般電泳溫度范圍25～28℃，對于厚膜電泳涂裝，通常升高溫度，漆液黏度降低，電極反應加快，膜厚增加，同時電泳膜表面粗糙度降低。溫度過高，沉積速度加快，漆膜粗糙甚至產生裂紋；另外泳透力降低，并使槽液穩定性變差，漆液不易控制。對厚膜電泳，槽溫一般推薦28～30℃，在此范圍內能獲得均勻、光滑的涂層。
5.2.3pH值
電泳漆的pH值是控制漆穩定性的最重要因素，電泳過程中必須保持pH=5.90～6.15。電泳漆是酸溶物質，依靠保持適當的酸度使漆溶解，pH值升高，酸量減少，漆開始不穩定。pH值高于6.15，開始生成難溶物質，漆膜質量變差。當pH值降低時，電泳電流增大，電沉積量增加，有利于漆膜形成，但隨pH值的降低，漆膜再溶解增加，當電沉積和溶解達到平衡時，酸度再增加會使漆膜反而變薄。
5.2.4電導率
操作時，漆的電導率一般在1200～1600μΩ/cm，保持電流的適當流動，從而保證涂層的質量。當電導率過高，電解反應加劇、顏料分散性差、光澤降低，而且漆膜也易含有雜質，降低了漆膜的防腐蝕性能。
5.2.5固體分
在正常范圍內，固體分對電沉積量的影響不大，因為濃度增加，黏度也相應增加，運動速度與黏度成反比。但固體分過高時，電泳速度過快，漆膜變得粗糙，甚至呈桔皮狀。固體分過低時，泳透力低，漆膜的遮蓋力不好，漆膜薄，易產生針孔，槽液穩定性變差。故厚膜電泳的固體分應控制在18%～25%。
5.2.6顏基比
顏基比失調，會導致漆膜的外觀質量和抗腐蝕能力變差。顏基比過高，漆膜粗糙無光澤，甚至顏料發生沉積；顏基比過低，漆膜雖有光澤，但易產生針孔，漆膜抗腐蝕能力降低。因此對厚膜電泳，抗腐蝕要求較高的涂層，顏基比為0.24～0.30。
5.2.7溶劑
電泳漆中的溶劑含量對電泳質量影響較大。溶劑含量太低，降低了樹脂在水中的溶解性。溶劑含量過高，漆膜厚，使電泳漆的破壞電壓降低，槽液不易控制，故溶劑含
量一般在1%左右。
5.2.8電泳時間
工件在電泳槽內的時間越長，膜厚及泳透力增加。不過電泳時間過長，涂膜的厚度不會再增加。因此，在保證涂層質量的前提下，應盡量縮短時間，提高生產效率。通常大型工件用3～4min，一般工件只需2min。
5.2.9烘烤的溫度和時間
電泳漆烘烤的溫度和時間，對漆膜的耐腐蝕性和抗石擊性均有很大的影響。高溫長時間烘烤，可能導致漆膜變脆，故一般烘烤溫度在180℃左右，時間約為0.5h。陰極電泳涂裝技術，由于其涂層的均勻性和優良的耐蝕性，生產性以及低污染性等優點，應用領域日益擴大，已成為涂裝領域不可缺少的方法之一。今后，在陰極電泳涂裝新技術開發過程中，涂裝工藝應向著節省能源、降低勞動強度和生產成本，減少環境污染等方向發展。
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