影響陰極電泳涂裝的因素

影響陰極電泳涂裝的因素
前言
20世紀60年代美國福特（Ford）汽車公司率先開發了陽極電泳涂料，主要用作汽車底漆。70年代以后，陰極電泳涂料獲得了迅速的發展。陰極電泳涂料除保留了陽極電泳涂料的優點外，還具有可避免工件的陽極溶解、泳透力高、抗腐蝕性強、自動化程度高等優點，已廣泛用于汽車、家電、儀器儀表、玩具、五金及工藝品等的表面涂裝。有關陰極電泳涂料的進展我國已有一些文獻報道，我們對陰極電泳涂料的一些最近的發展動向也進行了闡述。
電泳涂料的基料樹脂的組成和結構對涂層的性能有著至關重要的影響。陰極電泳涂料是一個多相分散體系，被涂基材的表面組成與結構、電泳前處理以及涂裝工藝參數對涂層的性能都有重要的影響。本文就影響電泳涂裝的主要因素對電沉積涂層性能的影響進行了討論。
5.2.2 影響陰極電泳涂裝的因素
5.2.2.l 基材的表面性質
陰極電泳涂裝過程中，作為陰極的基材，如低鋅、普鋅或含鋅鎳的磷化鋼板由于電解作用，沉積的涂層會有缺陷，影響電沉積涂層的防腐性能。此外，電泳時陰極表面堿性增強（開始電沉積時陰極附近的pH值約12），會使部分磷化膜溶解、基材表面微觀結構發生變化，影響整體涂層的性能。目前，解決的措施是改進磷化工藝，使基材表面覆蓋Zn與Mn、Ca、Fe等金屬的復合磷酸鹽[Zn2M(PO4)2·H2O](式中M為Fe、Ni、Mn和Ca)，以提高磷化膜的耐堿性。
值得注意的是，在不同基材表面上電沉積的涂層其熱性能也有差異。如在氧氣氣氛下，未經過磷化處理的鋼板上電沉積的環氧涂層在450℃即開始熱降解，熱降解殘余量約25％；表面鍍鋅-鎳合金的鋼板在520℃開始熱降解直至完全。這是因為不同基材表面對陰極放氫反應的催化活性不同，導致環氧主鏈的吸氫反應程度及涂層的多孔性呈現差異，從而影響了熱降解速率。此外，基材對于樹脂的固化溫度也有影響，比如鍍鎳表面環氧樹脂的固化溫度可降低20～30℃。
5.2.2.2 電泳前處理
5.2.2.2.1 脫脂
脫脂的目的是除去金屬表面的油污。目前脫脂普遍采用水溶性堿性脫脂劑，關鍵在于控制好脫脂溫度和脫脂時間。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。脫脂液除油能力隨pH值的提高而提高，但pH值過高可能使鋁及鋁合金等金屬工件被腐蝕。一般控制脫脂溫度60～80℃、脫脂時間10～15min效果較好。此外，脫脂后應立即清洗干凈。否則金屬表面覆蓋一層堿性物質，會影響后續除銹和磷化工序，最終使電泳涂層的抗腐蝕性下降。
5.2.2.2.2 磷化
對于陰極電泳涂裝，磷化膜必須是輕量極的（膜厚為2～6μm）過厚的磷化膜導致電阻增大，使電沉積的效率降低。此外，電泳涂裝還要求磷化膜致密而均勻，只有在工件的導電能力、電場強度一致的前提下，才能得到均勻的電沉積膜。我國廣泛采用鋅系或鋅鈣系中低溫、低渣快速磷化工藝。低鋅磷化與陰極電泳配套性好，可充分發揮陰極電泳涂裝的優勢，發達國家高檔汽車的電泳涂裝均采用低鋅磷化。磷化工序的控制重點是磷化液的游離酸和總酸度、促進劑含量，以及磷化溫度和時間。一般低鋅磷化采用NO3-促進劑體系（含量＞15g/L），處理溫度50～60℃，浸入時間3～5min，總酸度20～27點（滴定10mL磷化液至酚酞終點時所消耗的氫氧化鈉溶液的毫升數），游離酸0.7～1.3點（滴定10mL磷化液至甲基橙終點時所消耗的氫氧化鈉溶液的毫升數）。若在鋅系或鋅鈣系磷化液中加入一定量的Ni2+或Mn2+（2～5g/L），可形成顆粒狀晶粒致密的磷化膜，增強磷化膜的耐堿性。從而提高電泳涂層的耐腐蝕性。此外，磷化后必須徹底洗凈磷化膜上殘留的可溶性鹽，因為在濕熱條件下這種可溶性鹽容易引起涂層的脫落，且它帶入電泳槽會嚴重污染電泳涂料。
5.2.2.3 固體分
陰極電泳槽液的固體分通常控制在18％～25%（質量分數），固體分的高低對涂料電沉積量的影響較大。涂料的固體分高，槽液導電性好，電沉積量也隨之增加，但固體分過高（＞ 30％），電沉積量增加過多，涂膜變得過厚，烘烤時因流平性不佳而在表面形成桔皮等弊病；固體分過低（＜10％）時，涂料的泳透力低，涂膜的遮蓋力差，還會引起電解反應加劇，涂膜易產生針孔，槽液穩定性變差。實際涂裝過程中，由于涂料固體分的下降，需要定期檢測固體分的下降值，通過計算向槽液中補加新鮮電泳涂料。
5.2.2.4 顏基比
對以顏料為著色物質的陰極電泳漆，顏基比失調會導致涂膜的外觀和抗腐蝕能力變差。顏基比過高，涂膜粗糙無光澤，甚至顏料發生沉淀；顏基比過低，涂膜易產生針孔，抗腐蝕能力降低。陰極電泳過程中，一般通過向槽液中補加高顏基比的顏料漿的方法，以維持顏基比恒定在0.24～0.3。
5.2.2.5 助溶劑
助溶劑是陰極電泳涂料的重要組成部分，一方面有利于保持涂料的穩定，另一方面影響涂膜的質量。助溶劑含量太低，降低了樹脂的水溶性，導致電沉積量和泳透力降低；助溶劑含量太高，涂膜變厚，與此同時，泳透力和涂膜的擊穿電壓下降，槽液不易控制。通常，陰極電泳涂料中助溶劑含量為20％～40%；在中和及用水稀釋之后，槽液中有機溶劑一般控制在2%～5%。若選擇的助溶劑是低沸點的醇類溶劑，生產中還需注意定期補加其損失量。
5.2.2.6 槽液的pH值
電泳過程中，槽液的pH值是控制電泳涂料穩定性的重要因素。通常情況下，陰極電泳涂裝需嚴格控制pH在5.90～6.15。槽液的pH值太高，電泳涂料變得不穩定，嚴重時導致沉淀析出；槽液的pH值也不應過低，雖然pH值降低時電泳電流增大，電沉積量增加，有利于涂膜形成，但漆膜的再溶解程度也隨之加大。
連續電泳時，由于樹脂不斷沉積，中和劑不斷積累，使得槽液pH值漸漸降低、電導率增大，導致泳透力降低。更為嚴重的是已沉積在工件上的漆膜重新溶解的趨勢加大，使沉積膜變薄，失光甚至露底。一般通過極罩法、補加低中和度涂料和更換超濾液的方法來調整pH值，使之穩定在規定的范圍之內。
5.2.2.7 槽液電導率
陰極電泳涂料槽液的電導率通常在1200～1600μS/cm，維持槽液一定的導電能力，保證涂層的質量。在電泳過程中，由于雜質離子的混入，以及游離出的中和劑的濃度增加的緣故，電導率會逐漸增大。電導率過高既增加耗電量，降低了泳透力，又使槽液升溫過快，涂膜光澤降低，顏料顆粒析出、漆膜抗腐蝕能力下降。
5.2.2.8 槽液溫度
槽液溫度對陰極電泳涂裝及涂膜性能的影響是非常顯著的。在其他工藝條件不變的情況下，升高溫度，槽液粘度降低，電極反應加快，同時涂膜的電阻值也下降，有利于電沉積，使膜厚增加。但槽液溫度過高（＞35℃），涂膜變得粗糙，烘干后產生波浪狀的堆積，且槽液中的助溶劑易揮發，導致槽液變質，穩定性變差。溫度過低（＜15℃ ），沉積量很小，涂膜很薄，光澤度和遮蓋力都差，且槽液粘度大，電沉積過程中產生的氣泡難以消除，漆膜易出現針孔。一般陰極電泳槽液溫度控制在 28～34℃，實際操作中需采取恒溫措施。以防止槽液溫度超出此范圍。
5.2.2.9 電泳電壓
陰極電泳涂裝的電壓主要取決于涂料的品種，操作時還應該綜合考慮極間距、極比、槽液溫度等因素，以確定最佳電壓范圍。電壓的高低對電泳涂膜的質量影響很大。通常電泳時間是固定的，通過提高或降低電壓來調節涂膜厚度。極間電壓越高，電場強度越強，電沉積量亦隨之增加，工件內表面及半封閉面的涂膜厚度增大。但電壓過高，工件入槽瞬間的沖擊電流太大，涂膜沉積速度過快，易造成涂膜外觀和性能變差。電壓高到超過電泳膜的擊穿電壓時，沉積涂膜被擊穿，電解反應加劇，電極表面產生大量氣體，涂膜表面產生大量氣泡。電泳電壓過低，涂料泳透力差，沉積速度慢，效率低，涂膜變薄。一般在保證涂膜外觀質量前提下，盡可能采用較高的電壓進行陰極電泳涂裝。電壓控制在150～340V為宜。
據文獻報道，陰極電泳涂裝時采用不同的供電方式對涂膜的外觀影響較大。線性升高電壓既可獲得較高的泳透力，又可限制峰值電流，防止涂膜弊病的產生。
5.2.2.10 電泳時間
一般情況下，電泳時間長，膜厚及泳透力會增加，涂膜電阻值也隨之增大，約2～3min后，涂膜達到一定厚度，厚度就幾乎不再增加。電泳時間過長，會導致涂膜缺陷產生，外觀變差。因此，在保證涂層質量前提下，應盡量縮短電泳時間，電泳結束后，被涂物應盡快從槽中取出，以免涂膜發生再溶解而變薄。
5.2.2.11 極間距與極比
陰極電泳時陽極與陰極（被涂物）之間的距離（極間距）和面積比值（極比)對電沉積效率有一定影響。極間距過遠，極間電阻增大，電沉積效率降低，沉積量減小，涂膜不均勻，局部甚至電泳不上；反之則會產生局部電流大和過量電沉積，影響膜厚均勻度。一般合適的極間距為50～400mm。對于較大的工件，必要時可設置輔助陽極，以達到合理的極間距范圍。陽極面積過大，被涂物表面易產生異常電沉積，沉積出的涂膜厚且粗糙，附著力也降低；陽極面積過小，電沉積效率降低，涂膜變薄，泳透力也低。一般合適的極比（陽極面積／陰極面積）為1/4～1/6。
5.2.2.12 烘烤溫度和時間
烘烤溫度和時間對涂膜的耐腐蝕性、耐沖擊性均有很大的影響。高溫長時間烘烤可能導致涂膜泛黃、變脆等；烘烤溫度太低，樹脂沒有充分交聯，耐腐蝕性變差。一般烘烤溫度為165～180℃，烘烤時間20～30min。

影響電泳泳動度的因素

1、顆粒性質：顆粒的直徑、形狀及所帶靜電荷量對泳動速度有較大影響。一般來說顆粒帶凈電荷量越多，或其形狀越接近球形，在電場中的泳動速度就越快。反之則越慢。
2、電場強度：電場強度是指每一厘米的電位降。又稱為電位梯度或電勢梯度。它對泳動速度起著十分重要的作用。電場強度越高，帶電顆粒的泳動速度越快。反之，則越慢。根據電場強度（電壓的高低）大小，又可將電泳分為常壓電泳（100－500V）和高壓電泳（500－10000V）。前者電場強度為2－10 伏特/厘米，后者為70－200伏特/厘米。常壓電泳多用于分離大分子物質。高壓電泳常需要冷卻裝置。高壓電泳時間短，有時僅需數分鐘，多用于分離小分子物質。
3、溶液的性質：主要是指電極溶液（緩沖溶液）和蛋白質樣品溶液的pH值、離子強度和粘度等。
（1）pH值：溶液pH值決定帶電顆粒的解離程度，也即決定其帶凈電荷的量。對蛋白質而言，溶液的pH值離其等電點越遠，則其帶凈電荷量就越多，從而泳動速度就越快。反之，則越慢。當pH值等于其PI時，凈電荷為0，μ也為0。因此電泳時應選擇適宜的PH值，并需采用緩沖溶液，使溶液的pH值恒定。
（2）離子強度：溶液的離子強度一般在0.02－0.2之間時，電泳較合適。若離子強度過高，則會降低顆粒的泳動速度。其原因是，帶電顆粒能把溶液中與其電荷相反的離子吸引在自己周圍形成離子擴散層。若離子強度過低，則緩沖能力差，往往會因溶液PH值變化而影響泳動的速率。
離子強度的計算公式為：
I＝1/2∑mizi2=1/2(m1z12+m2z22+…mnzn2)
I－溶液的離子強度；
mi－離子的摩爾濃度；
zi－離子的價數
1，2，…n－代表各種離子。
（3）溶液粘度：
泳動度與溶液粘度是成反比關系。因此，粘度過大或過小，必然影響泳動度。
4、電滲：當支持物不是絕對惰性物質時，常常會有一些離子基團如羧基、磺酸基、羥基等吸附溶液中的正離子，使靠近支持物的溶液相對帶電。在電場作用下，此溶液層會向負極移動。反之，若支持物的離子基團吸附溶液中的負離子，則溶液層會向正極移動。這種溶液層的泳動現象稱為電滲。
因此，當顆粒的泳動方向與電滲方向一致時，則加快顆粒的泳動速度；當顆粒的泳動方向與電滲方向相反時，則降低顆粒的泳動速度。
A? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? B
/////////////////////? ?? ?? ?? ? /////////////////////
－ － － －? ?? ? ++++++++++
－? ?? ?? ???++++++++++? ?? ?? ?? ? － － － －? ?? ? +
A支持物? ?? ?? ???B支持物
5、焦耳熱：在電泳過程中，電流強度與釋放出熱量（Q）之間的關系可列成如下公式：
Q＝I2Rt
式中R為電阻；t為電泳時間；I為電流強度。公式表明，電泳過程中釋放出的熱量與電流強度的平方成正比。當電場強度或電極緩沖液中離子強度增高時，電流強度會隨著增大。這不僅降低分辨率，而且在嚴重時會燒斷濾紙或熔化瓊脂糖凝膠支持物。
6、篩孔：支持物瓊脂和聚丙烯酰胺凝膠都有大小不等的篩孔，在篩孔大的凝膠中溶質顆粒泳動速度快。反之，則泳動速度慢。
除上述影響泳動速度的因子外，溫度和儀器裝置等因子的影響也應考慮。
防水汽車漆技術改變中國涂裝業現狀
巴斯夫將其Ｅｘｃｅｌｌｅ防水涂層技術推廣到上海通用汽車的生產線，這標志著在中國的汽車工業中開創了使用防水涂層技術的里程碑，而Ｅｘｃｅｌｌｅ技術是專門針對中國市場而設計的。
環保防水汽車漆在歐洲和北美已經使用了近２０年，其趨勢正在日益明顯。然而在中國，直到現在這種技術還鮮為人知。巴斯夫希望該技術可以改變中國汽車業涂裝技術的現狀，更好地達到環保和持續發展的要求。