阴极电泳涂装的研究现状及发展趋势

阴极电泳涂装的研究现状及发展趋势 刘壮1 丁小荣2 陈为2 （重庆大学汽车工程学院车辆工程系 重庆 400044） 摘要： 关键词： Present Research Situation and Development Trend of Cathodic Electrophoretic Coatings Abstract： Key words： 1 前言 汽车车身涂底漆的最初采用喷涂法和浸涂法，但这两种方法的油漆利用率低，漆膜厚度不均匀，耐腐蚀性不好，外观也不够理想。美国为了解决上述涂漆的缺点，最先研究成功了和采用电泳法涂底漆。电泳涂漆法又分为阳极电泳和阴极电泳，其中阴极电泳涂漆具有生产效率高、成膜均匀、涂料利用率高以及漆膜稳定性好、坚韧耐磨、抗腐蚀性优良等优点。20世纪80年代中期，阳离子水性涂料及其阴极电泳涂装工艺开始在我国发展并获得应用，经过国内研究者多年的努力，不仅阳离子水性涂料的品种、质量、检测技术及生产规模有了长足进步，而且电泳装备的开发和制造也有了快速发展，这有力地促进了阴极电泳涂装应用领域的发展。本文从阴极电泳技术的概念、电泳参数、研究现状和改进方向出发，通过对近几年来国内外关于新型阴极电泳技术的推广和发展进行，了解其未来的发展方向。 2 电泳涂装工艺 1.1 电泳原理 阴极电泳涂装是以被镀金属基底作为阴极，带电的阳离子树脂在电场作用下进行定向移动，从而在金属面实现电沉积的方法。电泳涂装是一个极为复杂的电化学反应过程，其中至少包括电泳动、电沉积、电解、电渗4个过程。 1.2 阴极电泳的特点 电泳涂装明显优于其它涂装工艺。它与其他涂装方法相比较，具有下述特点： （1）阴极电泳漆具有优异的抗腐蚀性能。 （2）阴极电泳底漆涂层均匀、平整、光滑，具有出色的附着力、耐冲击性能、耐腐、防锈性，已经能很好地满足底漆所要求的各项机械性能，及与中涂、面漆的配套性。 （3）电泳漆是水溶性涂料，以水为溶解介质，其有机溶剂含量低而具有突出的环保优势。 （4）电泳涂装效率高，涂料损失小，涂料的利用率可达 90％～95％。 （5）用于大量流水线的生产工艺，施工可实现自动化连续生产，大大提高劳动效率。 2  电泳参数 要想得到良好的电泳涂膜 ，必须按所使用涂料的特性来控制电泳涂装的工艺参数，现场控制的主要工艺参数有施工电压、电泳槽液温度、pH 值、电导率及泳涂时间等，常见冲洗处理工艺及参数见表1/2。 表1  阴极电泳及后冲洗处理工艺 表2  阴极电泳涂装工艺参数 2.1 泳涂电压 在电泳涂装过程中，电压可控制电泳成膜的速度和库仑量，一般情况下槽液温度、泳涂时间是固定不变的 ，如需改变膜厚 ，可通过改变电压来实现。在实际生产过程中通常初始电压会低一些 ，这样可以减轻电极反应、然后电压再增高一些 ，用来提高工件内腔及缝隙间的泳涂质量。 2.2 工作液温度 电泳工作液温度一般控制在 28 ±2℃范围内，随温度升高，漆膜厚度较正常增厚，会导致漆膜外观质量变差；如温度过高，则沉积量增加过快，会使漆膜粗糙并带孔隙，从而引起漆膜破损。当温度过低时，漆膜变薄，湿膜粘度大，被涂工件表面的气泡不易排出，因而造成漆膜表面不好，同样也造成带孔隙的粗糙漆膜。因此，必须将工作液温度控制在一定范围内，以保证电泳漆膜良好。具体控制方法为：(1)当温度大于 30℃时,通过冷冻机把冷却槽内水的温度降低到 7～12℃左右，再用 7～12℃的冷水通过热交换机使工作液降温，该过程是个缓慢过程。冷水和工作液在热交换机内为逆向交换过程。(2)当温度小于 26℃时，启动贮水槽内的电加热器，把水槽内的水加热到 40℃左右,再用 40℃左右的温水通过热交换机将工作液升温。 2.3 pH 值 电泳漆的 pH 值是控制电泳漆稳定性的最重要因素 ，当漆的 pH 值减小时 ，电流会升高 ，漆膜较易形成 ，但随着 pH 值的逐渐减小 ，漆膜再溶解性增加 ，尤其电沉积和溶解达到平衡时 ，酸度再增加反而使漆膜变薄 ；当漆液的 pH 值高于控制范围上限时 ，电泳槽液稳定性变差 ，严重时槽液易分层沉淀、产生不溶性颗粒 ，以至堵塞阳极隔膜和超滤膜。 2.4 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。 2.5 电导率 不同品种的电泳涂料电导控制范围不同 ，电导的微小变化对涂膜性能影响较小 ，故一般控制范围较宽。当电导率高于规定值时 ，电解反应加速、颜料分散性变差、漆膜光泽降低 ，而且漆膜杂质含量可能过高对漆膜的抗腐蚀性能有较大影响。槽液电导超过规定值上限时 ，可用去离子水置换超滤液来解决。 3  阴极电泳技术的不足及改进方向 近年来，随着原材料价格的持续上涨，人力资源成本的不断提高，环保要求的进一步加强，阴极电泳涂装作为公司主要涂装方式，其一次合格率的高低，直接影响着企业的效益和成本控制。因此在增效"降本"节能"减耗的企业发展大环境下，提高涂装产品一次合格率，也就意味着降低成本"提高效率，进而提升客户的满意度，争得更多的市场份额及产品开发机会。根据公司阴极电泳涂装生产线近一年的生产统计，分类统计出了主要缺陷及其发生频率，见图1.可以看出，焦烧-缩孔、附漆不全、磕碰划伤是零件缺陷较多的特性，其累积频率为85.6%，按照“关键的少数”原则，在改进过程中应将焦烧-缩孔、附漆不全、磕碰划伤确定为主要改进方向。而焦烧-缩孔造成的缺陷比例为54.0%，应作为首要解决方向。 图1缺陷类型统计 3.1  影响因素 3.1.1 缩孔 缩孔是阴极电泳漆涂装线最常见的且很难消除的漆膜缺陷之一。缩孔会严重降低作为底漆的电泳漆膜的保护性能，使中涂漆和面漆不能很好地附着在基层上，从而影响装饰效果。产生缩孔的原因是漆膜中混入油污、颗粒等杂质，在烘烤过程中由于杂质和漆膜的表面张力梯度不一致，导致漆膜流展能力不平衡，从而产生缩孔。减少漆膜混入的油污及颗粒等杂质和降低漆膜表面张力梯度差值，是解决缩孔缺陷的关键。 3.1.2 挂钩导电性 附漆不全的主要影响因素是挂钩导电性。阴极电泳的前提条件是零件必须导电，而零件是悬挂于挂钩上进入电泳槽的，挂钩导电性的好坏直接关系到零件的附漆情况，无需验证，故不再进行相应数据的收集与分析! 3.1.3 处理过程 在这里的“处理过程”仅指涂装前处理的影响因素!阴极电泳涂装质量的好坏与其表面前处理的过程有很大的关系!前处理过程各槽间存在一定的串槽情况，由于零件面积变化大"产量不均等原因，参数在一定时间段内下降较多，部分参数在规定的检测时间范围内已不能满足技术参数的要求，造成后期缺陷品的产生!因此确定“处理过程”存在影响，需要进一步优化! 3.1.4 泳前纯水喷淋 纯水处理作为阴极电泳前的最后一个清洗环节，主要清洗零件表面的杂质离子，清洗越彻底质量越好!如果泳前纯水杂质离子超标，会污染电泳槽液，对产品的质量存在严重的影响!我们通过对不同纯水喷淋状态下的数据进行收集，并通过双比率检验进行验证，结果显示纯水喷淋良好状态下产品合格率明显提高，即泳前纯水喷淋对零件合格率存在影响! 3.1.5 电泳电压 电泳电压是阴极电泳系统的一个关键参数，它直接关系到漆膜厚度"表面质量等各个方面，由于我们是带电加湿入槽，其对产品表面质量的影响就特别明显，对此我们通过对不同电压情况下的漆膜质量数据进行收集，并通过相关"回归分析进行验证，经过分析合格数与电压存在明显相关性，得出电泳电压对零件合格率存在影响! 3.2  改进 3.2.1 缩孔：控制杂质源头，减少油污来源，增强脱脂 采用预擦洗剂对白车身上的顽固油渍进行清除，这样可以大大减少顽固油渍进入电泳槽的几率，直接消除入槽油污的重要来源，从而减少缩孔出现的几率对脱脂槽槽液的油污含量及碱度进行监控，油污含量偏高时，可以排放部分脱脂槽液，然后补加脱脂剂和自来水，以降低油污含量。 3.2.2 挂钩导电性：缩短处理时间，改变打磨方式 1）将每季度集中处理挂具，调整为每月分批处理部分挂具，以季度为周期!在正常生产时挂具表面的漆膜也易于清除! 2）定期更换部分使用时间较长的挂钩，减少工人的劳动强度，以提高零件下线时挂钩的处理效率。 3）在打磨挂具过程中，工装的耗损也特别严重，依据生产实际，可以对打磨工装进行更换，减少打磨强度，提高打磨效率。  3.2.3 处理过程：改变化验方式，调整化验时间 1）规定定期化验并添加完药剂后必须进行复测，且给定一个中位值，使得复测结果在该参数范围内，避免参数过低。同时缩短化验周期，规定化验周期在3-4h之内，避免特殊情况使得槽液参数异常。 2）针对槽液的污染情况及生产实际，定期对槽液清污或重新配槽，避免槽液污染、老化，达不到预期的处理效果。 3.2.4 泳前纯水喷淋：增强纯水处理，改善处理效果 从技术理论分析及实际的数据收集验证结果，确定纯水处理存在一定的影响，这主要是由于我们的产量不断地增大，原有纯水设备已经不能满足现有生产需求，针对该情况我们对原有纯水设备进行了扩容、加强，确保正常生产时纯水的供应量。 3.2.5 电泳电压：加强质量监控，适时调整参数 针对不同电压及实际生产时存在的不同情况，对电压进行了一个大体的范围确定，在实际生产时依据阴极电泳线可能出现的问进行小范围的调整，见表3。 表3电泳电压优化 4  阴极电泳技术发展趋势 参考文献 [1]李田霞，陈峰.阴极电泳涂装技术的发展[J].涂装技术与文摘，2010：9-11. [2]徐双，陈梦.阴极电泳涂装工艺及发展前景[J].中国科技信息，2010：97-98.