阴极电泳涂装原理

阴极电泳涂料涂装原理简介一、电泳涂料成膜原理1.涂料工作原理电泳涂装(electro-coating)是利用外加电场使悬浮于电泳液中的颜料和树脂等微粒定向迁移并沉积于电极之一的基底表面的涂装方法。电泳涂装的原理发明于是20世纪30年代末，但开发这一技术并获得工业应用是在1963年以后，电泳涂装是近30年来发展起来的一种特殊涂膜形成方法，是对水性涂料最具有实际意义的施工工艺。具有水溶性、无毒、易于自动化控制等特点，迅速在汽车、建材、五金、家电等行业得到广泛的应用。电泳涂装属于有机涂装，利用电流沉积漆膜，其工作原理为“异极相吸”。电泳涂装最基本的物理原理为带电荷的涂料粒子与它所带电荷相反的电极相吸。采用直流电源，金属工件浸于电泳漆液中。通电后，阳离子涂料粒子向阴极工件移动，阴离子涂料粒子向阳极工件移动，继而沉积在工件上，在工件表面形成均匀、连续的涂膜。当涂膜达到一定厚度（漆膜电阻大到一定程度），工件表面形成绝缘层，“异极相吸”停止，电泳涂装过程结束。整个电泳涂装过程可以概括为以下四个步骤：●电解：水的电解●电泳：带电的聚合物分别向阴极或阳极泳动的过程●电沉积：带电的聚合物分别在阴极或阳极沉积的过程●电渗：沉积的电泳涂膜收缩、脱去溶剂和水，形成均匀致密的湿膜电极附近主要的化学反应如下表所示：阳极性电泳涂装阴极性电泳涂装阴极反应2H2O+2e-→2(OH)-+H2阳极反应2H2O→4H++O2+4e-当pH=3↓---(COO)-[阴离子树脂]COOHM→Mn++e-(金属)↓---(COO)-[阴离子树脂]---(COO)nM[析出]阳极反应2H2O→4H++O2+4e-阴极反应2H2O+2e-→2(OH)-+H2pH=12～14↓—NH+[阳离子树脂]—N[析出]反应过程图如下所示：在电场作用下，涂料粒子向阴极移动（电泳），由于受到阴极附近碱扩散层（OH-）的影响，涂料粒子在阴极聚结（电沉积）。槽液的流动影响扩散层，流动速率高，扩散层薄，流动速率低，扩散层厚。刚沉积的湿膜含有大量水分，由于电流的影响，会发生部分脱水，使湿膜不挥发份达到80%（电渗）。脱水后湿膜牢牢黏附在底材上，通常的清洗不能洗脱。由于边缘电流密度高，电泳过程首先发生在这些区域。如下图所示：2.电沉积类型●阳极电沉积（AED）阳极电泳涂装，金属工件为阳极，吸引漆液中带负电荷的涂料粒子，电沉积时，少量的金属离子（阳极氧化）迁移到涂膜表面，对涂膜的性能造成影响。阳极电泳涂料主要用于对耐蚀性要求较低的工件，是经济型涂料。●阴极电沉积（CED-cathodicelectrodeposition）阴极电泳涂装，金属工件为阴极，吸引漆液中带正电荷的涂料粒子，由于被涂工件是阴极而非阳极，进入涂膜的金属离子大大减少，从而提高了漆膜性能。涂膜优良，具有优异的耐蚀性能。二、电泳涂装过程整个电泳涂装过程可分为四个部分：●前处理●电泳●后冲洗●烘干整个体系流程如下图所示：工件脱脂后，经过表调、磷化，使表面形成一层均匀致密的磷化膜为进入电泳槽作准备。进入槽液，在工件和对应电极间通直流电。在电场作用下，涂料粒子被吸附到工件上并在表面沉积。漆膜达到一定厚度，电泳停止。此时把工件从槽中取出，经后冲洗冲洗掉浮漆，最后送入烘箱固化。1．前处理金属工件经脱脂，酸洗除锈（若必要），表调，磷化处理为下一步电泳做准备的过程称为前处理。为了获得良好的电泳涂膜，清洗和磷化都是非常重要的环节。磷化通常采用铁系和锌系磷化液，处理工艺包括喷淋和浸渍。主要适用于钢铁底材。前处理简单步骤可表示如下（钢铁件为例）：预脱脂→脱脂→水洗→除锈（如有必要）→去离子水洗→表调→磷化→去离子水洗2．电泳工件经前处理后进入电泳槽液，工件入槽前状态必须保证工件表面无油无锈，磷化膜均匀工件表面温度应在40℃以下，进入电泳槽前工件应全干或全湿，干湿不匀可导致漆膜产生花纹或斑痕。电泳槽系统各部件及其作用：●直流电源（整流器）—提供直流电，使电沉积得以进行。●主循环系统—包括循环泵、喷射管以及过滤器，保证槽液混合均匀，同时去除槽液中颗粒污染物及杂质。●超滤系统—控制槽液电导率，提供后清洗工件的超滤液，并回收浮漆。●热交换器—控制槽液温度。电泳槽相关系统的控制：3.后冲洗工件从超滤液出来后，利用超滤液冲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，同时保证了漆膜光滑、美观。通过循环系统，清洗液也回收到槽液中，从而使涂装效率达到95%以上。采用封闭式循环清洗，可以有效去除和回收浮漆，使漆液利用率最大。通过超滤得到的超滤液（含有去离子水、溶剂等低分子量物质）是构成清洗液的最重要的组成部分。清洗区包括一系列单独的喷淋清洗间或浸渍清洗间。前几道采用超滤液清洗，最后一道采用新鲜去离子水清洗。每道清洗之间都有足够的排液时间。经过最后一道冲洗后，可回收几乎所有的被洗出物。大部分电泳涂装线在工件进入烘房前，利用自动空气吹干机除去漆膜表面的水分，防止水迹产生。4.烘干固化清洗吹干后，工件进入烘房，漆膜通过交联固化达到最佳性能。不同的电泳涂料所用的烘烤温度不同，在指定工艺温度下，通常至少需要20min的烘烤时间。大部分烘房设有不同的温度区。这种设计有利于工件通过不同温度区，逐步去除挥发性物质，防止溶剂斑和水迹产生，使漆膜达到最佳流平，得到外观优良的漆膜。三、阴极电泳涂料（CED）基本参数1.基本物理参数●电压（V）●电泳时间：电泳时间越长，泳透率越高。●槽液温度（℃）：通常为28-32℃●电量大小（库仑）：电量（Q）=电流（I）×时间（t）●库仑效率：每克干漆膜所消耗的电量。该值与树脂中和度和电泳涂料配方有关。库仑效率=电量（库仑）/干漆膜（g）或库仑效率=干漆膜（g）/电量（库仑）●电流密度：每平方厘米漆膜消耗的电流（A）电泳初期，工件外表面的电流密度比内腔的大的多，随着电泳过程的进行，外表面漆膜逐渐增厚，电阻增大，绝缘程度增加，这部分电流密度逐渐减小，内腔电流密度逐渐增加，电沉积在工件内腔进行。由于工件边缘的电场强度较高，电流密度较大，电沉积首先发生在这些部位，随后才进入相邻区域。电沉积发生在最低电流密度和最高电流密度之间，低于最低值，电沉积不能发生。最高临界电流密度约为10A/m2，与此相对应有一个断裂电压。低于断裂电压，电泳才能平稳进行，伴随一定量的气泡（电解水产生）。高于断裂电压，电解剧烈，气泡产生速度极快，将导致电泳过程完全失控，此时发生一连串的连锁反应：高电流引起漆膜温度急速升高，温度升高导致湿膜电阻下降，湿膜电阻下降又引起更高的电流密度，如此往复，最终得到外观极差的漆膜。●湿膜电阻：不同电泳时间CED湿膜电阻（Ω）。随着电泳进行，膜厚增加，湿膜电阻RN增加，电流量减少，如下图：电流-时间051015时间电流电流-时间电阻-时间051015时间电阻电阻-时间其影响因素有：漆液配方，其中溶剂、基料、颜料和助剂含量都会影响湿膜电阻大小。●槽液电导：电阻倒数，1/R=西门子（S）去离子水的电导率通常小于10μs/cm。槽液中的离子主要来自于主题树脂及研磨树脂被酸中和后产生的离子，槽液电导主要由这些离子产生，颜料本身产生的离子很少，因而槽液不挥发分越高，电导越高。●槽液电阻：不同温度下槽液电阻。●干膜厚度：单位μm。主要影响因素：槽液温度溶剂含量槽液固体分电泳电压电泳时间●泳透力：涂装工件凹陷内腔的能力，可通过法拉第盒来表示：包含内腔的工件（阴极）与阳极之间建立电场，电泳首先在工件外表面开始。进入内腔的孔洞越小，孔洞周围产生的电场线越密集。开始，电场线不可能进入工件内腔，内腔不存在电场，这就是法拉第盒。孔洞越大，盒子对内腔的屏蔽作用就越弱，电场就由可能在内腔建立，更多电场线将进入内腔。进入程度随其他一些因素例如电导升高，库仑效率降低而增加。如果孔洞非常小，法拉第盒问题可以通过辅助阳极解决。增加泳透力的因素有：更长的电泳时间工件屏蔽作用小，例如孔洞较多且大施工电压高库仑效率高（低C/g或高mg/C）固体分含量高CED湿膜电阻高（工件外表面电沉积在断时间内终止，电沉积可以更快进入内腔）CED槽液电导率升高●槽液流动速率：电泳槽中槽液流动速率（m/s）2.基本化学参数●固体分（NV）：槽液固体分，包括基料、颜料及不挥发添加剂。●pHpH和MEQ表示槽液中H+（H3O+）浓度。相较之下，MEQ更能体现，因为它表示中和槽液中基料所需要的酸量。R-NH2+H+→[RNH3]+如果中和度不够（MEQ值太低，pH太高），树脂水溶性降低，可能引起涂料粒子聚结。[RNH3]++OH-→R-NH2+H2O●电导：如前所述。中和酸的种类是影响电导的决定因素，酸越强，电导越高。●MEQ：毫克当量（mmol消耗的酸或碱/100g树脂）。有两种毫克当量，MEQacid（mmolKOH/100g树脂）和MEQbase（mmolacid/100g树脂）。MEQ值与槽液中和度有关。中和度=MEQacid/MEQbase。通常中和度在50%左右，树脂水溶性已经很好，中和度太高，酸度太高，对设备腐蚀较大。●P/B（颜基比）：P/B=P/（NV-P）●溶剂含量：影响膜厚及流平性。主要是助溶剂的影响，在电泳过程及CED湿膜形成过程中有重要影响。它们可以在树脂胶束结构中存在，并可以随之电沉积在CED湿膜中。助溶剂含量的提高降低了CED湿膜电阻，使膜厚增加，泳透力降低。助溶剂对MCT（最低聚结温度）影响很大。●MCT：最低聚结温度，适合电泳的最低温度，此时可获得最佳CED湿膜。助溶剂进入树脂胶束并且影响电泳过程。当施工电压一定时，电泳过程通常在18-32℃之间进行。温度与膜厚之间的关系如下图低于MCT时，随着温度降低，湿膜厚度增加但疏松多孔，水电解产生的气泡多于涂料粒子的电沉积，树脂的流平性不佳。随着温度增加，膜厚减少，膜致密性增加。高于MCT时，膜厚随温度增加而增加，膜致密性同时增强。最佳槽液温度通常高于MCT值3℃。而其中不溶于水的助溶剂决定MCT大小。如果不加助溶剂，随着时间的推移，助溶剂逐渐减少，在这种情况下，MCT曲线向右移动。因此，可以调节助溶剂含量得到所需的最佳MCT，最佳槽液温度及最佳漆膜。四、CED设备电泳过程可简单表示如下图：1.前处理设备在CED主槽之前为前处理区好的前处理质量是获得具有优良耐蚀性和附着力漆膜的基础。通常，前处理包括脱脂、清洗、磷化三部分：脱脂：主要目的是为了除去工件表面的矿物油、润滑油及冲压拉延油以及附着在金属表面的金属屑、灰尘、焊渣、它们是磷化和电泳潜在的尘埃源，可能引起涂膜外观的颗粒；注意脱脂后的清洗效果。如脱脂不充分，一方面易产生黄锈，导致磷化不均匀；另一方面使磷化结晶变粗，涂膜外观变差，耐蚀性能下降。一般在无锈的情况下，可省去除锈工艺，有锈则用除锈剂去除。除锈后清洗干净，特别是夹缝、点焊缝等处易残留除锈剂（一般为无机酸）。表调剂由金属钛盐组成，它能沉积在工作上形成磷化膜的结晶中心。表面调整和表调效果的好坏，直接影响磷化膜的状态以及磷化膜的结晶大小。磷化：磷化方式：浸渍型和喷淋型磷化膜特征：·外观：均匀、致密的灰色膜，无条纹、花纹式杂色斑痕·电泳失重：≤8%·结晶大小：5~10mm·膜厚：2~5mm·P比：≥85％（喷淋型膜P比略低）去离子水洗：清洗用循环去离子水，水质电导率≤100ms/cm新鲜去离子水洗的水质≤25ms/cm（最好10ms/cm以下）最后一道去离子水洗后的滴水电导率应≤30ms/cm滴水取样法：离开最后一道水洗区后至下一道工序（风干或电源）间滴落的水，以判断工件的水洗状态。磷化膜表面的磷化沉渣应尽可能地洗掉。2.电泳槽CED电泳涂装线包括漆液循环系统、阳极系统、超滤系统、清洗系统、加料系统以及直流电源等六大部分组成。●漆液循环系统●阳极系统阳极系统由阳极槽、泵、阳极箱、极板、渗析膜、阳极液等组成。生产过程中主要针对阳极液的变化进行监控。阳极液规格：pH值:2~5（25℃）电导率：300-500ms/cm（25℃）外观：淡黄色透明液体。阳极液变化及调整：阳极液电导率太低：可能去离子水加多了，将引起膜不足，可用