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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