陰極電泳涂料涂裝原理

1、陰極電泳涂料涂裝原理簡介一、電泳涂料成膜原理1. 涂料工作原理電泳涂裝(electro-coating)是利用外加電場使懸浮于電泳液中的顏料和樹脂等微粒定向遷移并沉積于電極之一的基底表面的涂裝方法。電泳涂裝的原理發(fā)明于是20世紀(jì)30年代末，但開發(fā)這一技術(shù)并獲得工業(yè)應(yīng)用是在1963年以后，電泳涂裝是近30年來發(fā)展起來的一種特殊涂膜形成方法，是對水性涂料最具有實際意義的施工工藝。具有水溶性、無毒、易于自動化控制等特點，迅速在汽車、建材、五金、家電等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。電泳涂裝屬于有機涂裝，利用電流沉積漆膜，其工作原理為“異極相吸”。電泳涂裝最基本的物理原理為帶電荷的涂料粒子與它所帶電荷相反的電極相

2、吸。采用直流電源，金屬工件浸于電泳漆液中。通電后，陽離子涂料粒子向陰極工件移動，陰離子涂料粒子向陽極工件移動，繼而沉積在工件上，在工件表面形成均勻、連續(xù)的涂膜。當(dāng)涂膜達(dá)到一定厚度（漆膜電阻大到一定程度），工件表面形成絕緣層，“異極相吸”停止，電泳涂裝過程結(jié)束。整個電泳涂裝過程可以概括為以下四個步驟：電解：水的電解電泳：帶電的聚合物分別向陰極或陽極 泳動的過程電沉積：帶電的聚合物分別在陰極或陽 極沉積的過程電滲：沉積的電泳涂膜收縮、脫去溶劑和水，形成均勻致密的濕膜電極附近主要的化學(xué)反應(yīng)如下表所示：    陽極性電泳涂裝    陰極性電泳

3、涂裝  陰極反應(yīng)  2H2O + 2e- 2(OH)- + H2  陽極反應(yīng)             2H2O 4H+ + O2 + 4e-      當(dāng)pH=3    -(COO)- 陰離子樹脂                COOH &

4、#160;            MMn+ +e-              (金屬)                  -(COO)- 陰離子樹脂     &

5、#160;        -(COO)nM 析出  陽極反應(yīng)          2H2O 4H+ + O2 + 4e-  陰極反應(yīng)  2H2O + 2e- 2(OH)- + H2                    p

6、H = 1214    NH+ 陽離子樹脂              N 析出 反應(yīng)過程圖如下所示：在電場作用下，涂料粒子向陰極移動（電泳），由于受到陰極附近堿擴(kuò)散層（OH-）的影響，涂料粒子在陰極聚結(jié)（電沉積）。槽液的流動影響擴(kuò)散層，流動速率高，擴(kuò)散層薄，流動速率低，擴(kuò)散層厚。剛沉積的濕膜含有大量水分，由于電流的影響，會發(fā)生部分脫水，使?jié)衲げ粨]發(fā)份達(dá)到80%（電滲）。脫水后濕膜牢牢黏附在底材上，通常的清洗不能洗脫。由于邊緣電流密度高，電泳過程首先發(fā)生在這

7、些區(qū)域。如下圖所示：2. 電沉積類型 陽極電沉積（AED）陽極電泳涂裝，金屬工件為陽極，吸引漆液中帶負(fù)電荷的涂料粒子，電沉積時，少量的金屬離子（陽極氧化）遷移到涂膜表面，對涂膜的性能造成影響。陽極電泳涂料主要用于對耐蝕性要求較低的工件，是經(jīng)濟(jì)型涂料。 陰極電沉積（CED）陰極電泳涂裝，金屬工件為陰極，吸引漆液中帶正電荷的涂料粒子，由于被涂工件是陰極而非陽極，進(jìn)入涂膜的金屬離子大大減少，從而提高了漆膜性能。涂膜優(yōu)良，具有優(yōu)異的耐蝕性能。二、電泳涂裝過程整個電泳涂裝過程可分為四個部分： 前處理 電泳 后沖洗 烘干整個體系流程如下圖所示：工件脫脂后，經(jīng)過表調(diào)、磷化，使表面形成一層均勻致密的磷化膜為進(jìn)

8、入電泳槽作準(zhǔn)備。進(jìn)入槽液，在工件和對應(yīng)電極間通直流電。在電場作用下，涂料粒子被吸附到工件上并在表面沉積。漆膜達(dá)到一定厚度，電泳停止。此時把工件從槽中取出，經(jīng)后沖洗沖洗掉浮漆，最后送入烘箱固化。1 前處理金屬工件經(jīng)脫脂，酸洗除銹（若必要），表調(diào)，磷化處理為下一步電泳做準(zhǔn)備的過程稱為前處理。為了獲得良好的電泳涂膜，清洗和磷化都是非常重要的環(huán)節(jié)。磷化通常采用鐵系和鋅系磷化液，處理工藝包括噴淋和浸漬。主要適用于鋼鐵底材。前處理簡單步驟可表示如下（鋼鐵件為例）：預(yù)脫脂脫脂水洗除銹（如有必要）去離子水洗表調(diào)磷化去離子水洗2 電泳工件經(jīng)前處理后進(jìn)入電泳槽液，工件入槽前狀態(tài)必須保證工件表面無油無銹，磷化膜均勻

9、，工件表面溫度應(yīng)在40以下，進(jìn)入電泳槽前工件應(yīng)全干或全濕，干濕不勻可導(dǎo)致漆膜產(chǎn)生花紋或斑痕。電泳槽系統(tǒng)各部件及其作用： 直流電源（整流器）提供直流電，使電沉積得以進(jìn)行。 主循環(huán)系統(tǒng)包括循環(huán)泵、噴射管以及過濾器，保證槽液混合均勻，同時去除槽液中顆粒污染物及雜質(zhì)。 超濾系統(tǒng)控制槽液電導(dǎo)率，提供后清洗工件的超濾液，并回收浮漆。 熱交換器控制槽液溫度。電泳槽相關(guān)系統(tǒng)的控制：3. 后沖洗工件從超濾液出來后，利用超濾液沖洗掉黏附在漆膜表面的浮漆，浮漆可以回收到槽液中，使漆液利用率提高，同時保證了漆膜光滑、美觀。通過循環(huán)系統(tǒng)，清洗液也回收到槽液中，從而使涂裝效率達(dá)到95%以上。采用封閉式循環(huán)清洗，可以有效去

10、除和回收浮漆，使漆液利用率最大。通過超濾得到的超濾液（含有去離子水、溶劑等低分子量物質(zhì)）是構(gòu)成清洗液的最重要的組成部分。清洗區(qū)包括一系列單獨的噴淋清洗間或浸漬清洗間。前幾道采用超濾液清洗，最后一道采用新鮮去離子水清洗。每道清洗之間都有足夠的排液時間。經(jīng)過最后一道沖洗后，可回收幾乎所有的被洗出物。大部分電泳涂裝線在工件進(jìn)入烘房前，利用自動空氣吹干機除去漆膜表面的水分，防止水跡產(chǎn)生。4. 烘干固化清洗吹干后，工件進(jìn)入烘房，漆膜通過交聯(lián)固化達(dá)到最佳性能。不同的電泳涂料所用的烘烤溫度不同，在指定工藝溫度下，通常至少需要20min的烘烤時間。大部分烘房設(shè)有不同的溫度區(qū)。這種設(shè)計有利于工件通過不同溫度區(qū)，

11、逐步去除揮發(fā)性物質(zhì)，防止溶劑斑和水跡產(chǎn)生，使漆膜達(dá)到最佳流平，得到外觀優(yōu)良的漆膜。三、陰極電泳涂料（CED）基本參數(shù)1. 基本物理參數(shù) 電壓（V） 電泳時間：電泳時間越長，泳透率越高。 槽液溫度（）：通常為28-32 電量大?。◣靵觯弘娏浚≦）=電流（I）×時間（t） 庫侖效率：每克干漆膜所消耗的電量。該值與樹脂中和度和電泳涂料配方有關(guān)。庫侖效率=電量（庫侖）/干漆膜（g） 或 庫侖效率=干漆膜（g）/電量（庫侖） 電流密度：每平方厘米漆膜消耗的電流（A）電泳初期，工件外表面的電流密度比內(nèi)腔的大的多，隨著電泳過程的進(jìn)行，外表面漆膜逐漸增厚，電阻增大，絕緣程度增加，這部分電流密度逐漸

12、減小，內(nèi)腔電流密度逐漸增加，電沉積在工件內(nèi)腔進(jìn)行。由于工件邊緣的電場強度較高，電流密度較大，電沉積首先發(fā)生在這些部位，隨后才進(jìn)入相鄰區(qū)域。電沉積發(fā)生在最低電流密度和最高電流密度之間，低于最低值，電沉積不能發(fā)生。最高臨界電流密度約為10A/m2 ，與此相對應(yīng)有一個斷裂電壓。低于斷裂電壓，電泳才能平穩(wěn)進(jìn)行，伴隨一定量的氣泡（電解水產(chǎn)生）。高于斷裂電壓，電解劇烈，氣泡產(chǎn)生速度極快，將導(dǎo)致電泳過程完全失控，此時發(fā)生一連串的連鎖反應(yīng)：高電流引起漆膜溫度急速升高，溫度升高導(dǎo)致濕膜電阻下降，濕膜電阻下降又引起更高的電流密度，如此往復(fù)，最終得到外觀極差的漆膜。 濕膜電阻：不同電泳時間CED濕膜電阻（）。隨著電

13、泳進(jìn)行，膜厚增加，濕膜電阻RN增加，電流量減少，如下圖：其影響因素有：漆液配方，其中溶劑、基料、顏料和助劑含量都會影響濕膜電阻大小。 槽液電導(dǎo)：電阻倒數(shù)，1/R=西門子（S）去離子水的電導(dǎo)率通常小于10s/cm。槽液中的離子主要來自于主題樹脂及研磨樹脂被酸中和后產(chǎn)生的離子，槽液電導(dǎo)主要由這些離子產(chǎn)生，顏料本身產(chǎn)生的離子很少，因而槽液不揮發(fā)分越高，電導(dǎo)越高。 槽液電阻：不同溫度下槽液電阻。 干膜厚度：單位m。主要影響因素：槽液溫度溶劑含量槽液固體分電泳電壓電泳時間 泳透力：涂裝工件凹陷內(nèi)腔的能力，可通過法拉第盒來表示：包含內(nèi)腔的工件（陰極）與陽極之間建立電場，電泳首先在工件外表面開始。進(jìn)入內(nèi)腔的

14、孔洞越小，孔洞周圍產(chǎn)生的電場線越密集。開始，電場線不可能進(jìn)入工件內(nèi)腔，內(nèi)腔不存在電場，這就是法拉第盒。孔洞越大，盒子對內(nèi)腔的屏蔽作用就越弱，電場就由可能在內(nèi)腔建立，更多電場線將進(jìn)入內(nèi)腔。進(jìn)入程度隨其他一些因素例如電導(dǎo)升高，庫侖效率降低而增加。如果孔洞非常小，法拉第盒問題可以通過輔助陽極解決。增加泳透力的因素有：更長的電泳時間工件屏蔽作用小，例如孔洞較多且大施工電壓高庫侖效率高（低C/g或高mg/C）固體分含量高CED濕膜電阻高（工件外表面電沉積在短時間內(nèi)終止，電沉積可以更快進(jìn)入內(nèi)腔）CED槽液電導(dǎo)率升高 槽液流動速率：電泳槽中槽液流動速率（m/s）2. 基本化學(xué)參數(shù) 固體分（NV）：槽液固體分

15、，包括基料、顏料及不揮發(fā)添加劑。 pH pH和MEQ表示槽液中H+（H3O+）濃度。相較之下，MEQ更能體現(xiàn)，因為它表示中和槽液中基料所需要的酸量。 R-NH2 + H+ RNH3+如果中和度不夠（MEQ值太低，pH太高），樹脂水溶性降低，可能引起涂料粒子聚結(jié)。 RNH3+ + OH- R-NH2 + H2O 電導(dǎo)：如前所述。中和酸的種類是影響電導(dǎo)的決定因素，酸越強，電導(dǎo)越高。 MEQ：毫克當(dāng)量（mmol消耗的酸或堿/100g樹脂）。有兩種毫克當(dāng)量，MEQacid（mmolKOH/100g樹脂）和MEQbase（mmol acid/100g樹脂）。 MEQ值與槽液中和度有關(guān)。中和度=MEQac

16、id/MEQbase。通常中和度在50%左右，樹脂水溶性已經(jīng)很好，中和度太高，酸度太高，對設(shè)備腐蝕較大。 P/B（顏基比）：P/B=P/（NV-P） 溶劑含量：影響膜厚及流平性。主要是助溶劑的影響，在電泳過程及CED濕膜形成過程中有重要影響。它們可以在樹脂膠束結(jié)構(gòu)中存在，并可以隨之電沉積在CED濕膜中。助溶劑含量的提高降低了CED濕膜電阻，使膜厚增加，泳透力降低。助溶劑對MCT（最低聚結(jié)溫度）影響很大。 MCT：最低聚結(jié)溫度，適合電泳的最低溫度，此時可獲得最佳CED濕膜。助溶劑進(jìn)入樹脂膠束并且影響電泳過程。當(dāng)施工電壓一定時，電泳過程通常在18-32之間進(jìn)行。溫度與膜厚之間的關(guān)系如下圖低于MCT

17、時，隨著溫度降低，濕膜厚度增加但疏松多孔，水電解產(chǎn)生的氣泡多于涂料粒子的電沉積，樹脂的流平性不佳。隨著溫度增加，膜厚減少，膜致密性增加。高于MCT時，膜厚隨溫度增加而增加，膜致密性同時增強。最佳槽液溫度通常高于MCT值3。而其中不溶于水的助溶劑決定MCT大小。如果不加助溶劑，隨著時間的推移，助溶劑逐漸減少，在這種情況下，MCT曲線向右移動。因此，可以調(diào)節(jié)助溶劑含量得到所需的最佳MCT，最佳槽液溫度及最佳漆膜。四、CED設(shè)備電泳過程可簡單表示如下圖：1. 前處理設(shè)備在CED主槽之前為前處理區(qū)好的前處理質(zhì)量是獲得具有優(yōu)良耐蝕性和附著力漆膜的基礎(chǔ)。通常，前處理包括脫脂、清洗、磷化三部分：脫脂：主要目

18、的是為了除去工件表面的礦物油、潤滑油及沖壓拉延油以及附著在金屬表面的金屬屑、灰塵、焊渣、它們是磷化和電泳潛在的塵埃源，可能引起涂膜外觀的顆粒；注意脫脂后的清洗效果。如脫脂不充分，一方面易產(chǎn)生黃銹，導(dǎo)致磷化不均勻；另一方面使磷化結(jié)晶變粗，涂膜外觀變差，耐蝕性能下降。除銹：一般在無銹的情況下，可省去除銹工藝，有銹則用除銹劑去除。除銹后清洗干凈，特別是夾縫、點焊縫等處易殘留除銹劑（一般為無機酸）。 表調(diào)：表調(diào)劑由金屬鈦鹽組成，它能沉積在工作上形成磷化膜的結(jié)晶中心。表面調(diào)整和表調(diào)效果的好壞，直接影響磷化膜的狀態(tài)以及磷化膜的結(jié)晶大小。 磷化：磷化方式：浸漬型和噴淋型磷化膜特征：· 外觀：均勻、

19、致密的灰色膜，無條紋、花紋式雜色斑痕· 電泳失重：8%· 結(jié)晶大?。?10mm · 膜厚：25mm· P比：85（噴淋型膜P比略低） 去離子水洗：清洗用循環(huán)去離子水，水質(zhì)電導(dǎo)率100ms/cm。新鮮去離子水洗的水質(zhì)25ms/cm（最好10ms/cm以下）。最后一道去離子水洗后的滴水電導(dǎo)率應(yīng)30ms/cm 滴水取樣法：離開最后一道水洗區(qū)后至下一道工序（風(fēng)干或電源）間滴落的水，以判斷工件的水洗狀態(tài)。磷化膜表面的磷化沉渣應(yīng)盡可能地洗掉。2. 電泳槽CED電泳涂裝線包括漆液循環(huán)系統(tǒng)、陽極系統(tǒng)、超濾系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、加料系統(tǒng)以及直流電源等六大部分組成。 漆液循環(huán)系統(tǒng)

20、 陽極系統(tǒng)陽極系統(tǒng)由陽極槽、泵、陽極箱、極板、滲析膜、陽極液等組成。生產(chǎn)過程中主要針對陽極液的變化進(jìn)行監(jiān)控。陽極液規(guī)格：pH值:25（25），電導(dǎo)率：300-500ms/cm（25）外觀：淡黃色透明液體。陽極液變化及調(diào)整：陽極液電導(dǎo)率太低： 可能去離子水加多了，將引起膜不足，可用添加劑進(jìn)行調(diào)整；電導(dǎo)率太高： 將導(dǎo)致漆膜過厚，施工電壓下降， 可排放部分陽極液及補加去離子水進(jìn)行調(diào)節(jié)；陽極液混濁： 由陽極罩滲或陽極膜破裂導(dǎo)致，應(yīng)進(jìn)行檢查， 關(guān)閉陽極罩，斷電進(jìn)行修理；陽極液不流動： 可能由于泵壞或管道及閥門堵塞引起， 應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行凈化；陽極液“長毛”： 由菌類形成，應(yīng)用化學(xué)藥品如H2O2等進(jìn)行 殺毒和

21、清洗。 超濾系統(tǒng)電泳漆超濾裝置，系加壓使電泳液通過由特殊材料制成的膜管，將漆中的樹脂與水、溶劑以及溶解的金屬雜質(zhì)分離的過濾裝置。超濾過程是連續(xù)相（水 + 溶液 + 包括染鹽的溶解雜質(zhì)）與分散相（樹脂和色素）分離的過程，也可說是水相與機相的分離過程。水相因透過超濾膜故稱“滲透液”滲透液含有一些溶劑、所有的水溶性離子雜質(zhì)和一些低分子量的樹脂。超濾膜管內(nèi)有很多支薄膜材料制成的小管。當(dāng)電泳漆通過的這些小管時，部分水相透過這些小管，流出超濾機外，樹脂和大部分流出濾管返回電泳漆槽。 用于電泳漆超濾機有四個功能： 1. 迅速降低電導(dǎo)率 2. 除去電泳漆工作液的雜質(zhì) 3. 加速新溶液熟化和控制工作液中的溶劑含

22、量 4. 電泳漆的回收利用 除雜是超濾機最有用，最主要的功能，因為大多污染物是以可溶性鹽形成帶入工作液的。它們危害工作液：大多數(shù)陰離子（尤其是氫氧化物和鉻酸鹽）易與漆形成沉淀物：陰離子會降低漆在工件表面的沉積速率并使漆外觀變差。超濾機能有效除去這些污染物，起凈化作用。電泳液不宜過量超濾。否則會損失電泳漆的主份和降低溶劑含量以及改變電泳漆的酸度。只有新配電泳漆時，才過量超濾，以除去過量溶劑和小分子合成物。 清洗系統(tǒng)1.槽上沖洗· 除去電泳漆膜表面附著的浮漆，保證涂膜外觀· 工件（車身）露出電泳槽后要在1min內(nèi)進(jìn)行清洗2.人工輔助沖洗（包括噴淋和浸漬沖洗）3.清潔的去離子水清

23、洗 加料系統(tǒng)為保證漆液中的固體份維持在正常范圍，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，必須不斷補入色漿和乳液。配漆系統(tǒng)亦稱混漆系統(tǒng)，是由帶攪拌器的混漆罐、高壓供漆泵、供溶劑和供酸裝置、漆液輸送泵、過濾器、管路等組成。 直流電源：整流器電壓在0400v之間連續(xù)可調(diào)；適用電壓的1.5倍能力；電壓脈沖幅度5，最大不超過10。每m2涂裝面積的電流強度15A，最大20A。電泳涂裝時，可通過調(diào)節(jié)施工電壓大小來控制漆膜厚度，達(dá)到一定厚度，工件表面形成絕緣層，電泳隨之停止。3. 烘烤固化設(shè)備 被涂工件先在100下預(yù)烘烤約10min ，再加熱到150-180（工件）下保持25-30分鐘。固化時，封閉的異氰酸酯解封發(fā)生交聯(lián)，漆膜由于封

24、閉劑損失會發(fā)生部分收縮。烘烤效果：用MIBK（甲基異丁基酮）擦試，往復(fù)十次，擦布上應(yīng)不染色，被擦的漆面不模糊失光，說明固化已充分。五、檢測項目 槽液固體份測定（NV）固體份是指電泳涂料在105時加熱3小時后，剩余的干燥樹脂和顏料份的百分含量。測定方法如下:1）稱取約2g的槽液存于干燥潔凈的小蒸發(fā)皿中，在105±5下，烘干3小時，稱量。2）計算: （21）×100式中: 固體份值2 烘干后殘留物重量1 樣品起始稱量 測定時，可取23個平行實驗計算平均值。 灰分和顏基比的測定電泳涂裝場合的顏基比是指電泳涂料、槽液或者涂膜中的顏料和基料（樹脂）之比。顏基比的測定有溶劑法和測灰分法

25、。電泳涂料所用的顏料，除碳黑外一般都是不燃性的無機顏料，因而常用測定灰分來算出顏料份，方法簡便。1) 檢測儀器和材料.坩鍋和馬福爐.恒溫干燥箱2) 測定方法.稱取定量（10g左右）的漆樣或槽液樣于已稱量的坩鍋中;.在110±5下烘干1小時，隨后在200250下烘1小時，再在400450烘0.5小時，再升溫至800煅燒0.5小時;.冷卻后將坩鍋重新稱量;.計算:灰分（）×100（）×（100）顏基比（）（C-A）K D（B-A）-（C-A）K 式中: 坩鍋的重量（g） 坩鍋加試樣重量（g） 煅燒后坩鍋加試樣重量（g） 漆樣固體份（）K 為碳黑修正系數(shù)，在黑漆中K為1

26、.15。 pH值的測定測定pH值，可采用一般pH計。測定前，先按pH計的說明書校準(zhǔn)pH計。測定溫度控制在25。其中槽液、極液、超濾液、去離子水可直接取樣測定，而乳液和色漿則必須先用去離子水稀釋一倍后再測定。 電導(dǎo)率的測定電導(dǎo)率的測定可采用一般的電導(dǎo)儀測定。注意溫度控制在25六、陰極電泳涂料可能出現(xiàn)的問題及解決方案HED系列陰極電泳涂料在施工過程中，盡管在規(guī)定的工藝參數(shù)下實施監(jiān)控和管理，但由于各種相關(guān)條件的影響，仍存在出現(xiàn)問題的可能性。為了方便用戶的使用，我們特把易發(fā)生的問題，產(chǎn)生的原因及解決方法列表如下：現(xiàn)象可能的原因?qū)Σ吣?厚 不 足固體份降低補充原漆，提高固體份施工電壓低升高施工電壓槽液溫度偏低升高槽液溫度溶劑含量降低添加專用的補給溶劑槽液電導(dǎo)率降