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1、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
2、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阳极反应2H2O + 2e- f 2
3、(0H)- + H22H2O f 4H+ + O2 + 4e-阳极反应阴极反应2H2O f 4H+ + O2 + 4e-2H2O + 2e- f 2(OH)- + H2当pH=3 J -(COO)-阴离子树脂pH = 1214 J NH+ 阳离子树脂COOHN 析出MfMn+ +e-（金属）J -（COO）-阴离子树脂-(COO)nM 析出OxygenHCOOOH-HSO*AnoaeHCO0 HjO*H - 1 茂 04 HOHI_Rectil 柜 rHydrogenHCOQ-MH,OHHDH- H1, + OHR-NH -I. HCOOH fi-NH3- + HCOOHHCQCathodeu
4、p +e =HOH 1Z2H?R-NH/ + OH - RNH?+ HOH反应过程图如下所示:HCOO + H#C* * HFCOOH + HOH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
5、引漆液中带负电荷的涂料粒子，电沉积时，少量的金属离子 邙日极氧化）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-cathodic electro deposition）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。nr1呵GoirtliigFlin-1 - 1ILJANODIC SVSTEMCATHODIC SYSTEM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
6、所示:Typical Electro coat System From Pretreatmenti1. - LConveyorPower Suppl/ Process ControlGonterE-coat Dip TankRineTankRinseTankUttF-afiitraticnHeat Ekc Flanker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
7、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f脱脂f水洗f除锈（如有必要）f去离子水洗f表调f磷化f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40C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）一提供直流电，使电沉积得以进行。主循环系统一包括循
8、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
9、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 ）
10、电泳时间：电泳时间越长，泳透率越高。槽液温度（C）：通常为28-32C电量大小（库仑）：电量（Q）=电流（I） x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
11、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（0）。随着电泳进行，膜厚增加，湿膜电阻Rn增加,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/
12、R=西门子（S）去离子水的电导率通常小于10ys/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：单位卩m。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
13、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咼库仑效率高（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+ （H30+ ）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
14、-NH2 + H+ f 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- f 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/lOOg树脂）。有两种毫克当量，MEQacid （mmolKOH/lOOg 树脂）和 MEQbase（mmol acid/lOOg 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/
15、 （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18-32C 之间进行。温度与膜厚之间的关系如下图Thickness /urn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
