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陰極電泳涂裝的應(yīng)用及發(fā)展
1.齊智遠(yuǎn)2.孫淑萍
(l.燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島河北秦皇島066004)066005;2.燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院
摘要:陰極電泳涂料具有高耐候性、高耐恤性、高透明度、裝飾性好和環(huán)保安全且時(shí)金屬基體無(wú)腐蝕性等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于金屬表面涂裝處理。概述了國(guó)內(nèi)外陰極電泳涂裝的發(fā)展?fàn)顩r，并介紹了幾種特殊陰極電泳涂料，如紫外光固化電泳涂料和自分層相極電泳涂料等。闡述了陰極電泳的特點(diǎn)和在涂裝行業(yè)中的應(yīng)用以及電泳涂料發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)。
關(guān)鍵詞:陰極電泳涂料;耐腐蝕;紫外光固化電泳涂料;自分層陰極電泳涂料
中圈分類號(hào):TG174.461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
引言
電泳涂料源于20世紀(jì)30年代，從20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始研究合成陽(yáng)離子型樹(shù)脂，并于20世紀(jì)70年代初用于對(duì)耐腐蝕性能要求高的家用電器上作底漆，隨后逐漸開(kāi)發(fā)出了耐蝕性能更高且具有裝飾性效果的陰極電泳涂料，由于其具有優(yōu)良的防腐蝕性、高泳透率、高流平性、高裝飾性且涂裝自動(dòng)化程度高、涂裝污染少等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車工業(yè)中，并推廣應(yīng)用到建材、輕工、家用電器等工業(yè)領(lǐng)域以及五金和工藝品的表面防腐和裝飾。
1陰極電泳的特點(diǎn)
1)與傳統(tǒng)的溶劑型涂料和其它浸涂、噴涂水性烘烤漆相比，陰極電泳涂料具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性:涂底漆工序可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，適用于大流水生產(chǎn);可得到均一的膜厚;泳透性好，提高了工件內(nèi)腔的防腐蝕性，尤其是陰極電泳涂膜的耐腐蝕性;涂料利用率高;安全性比較高，是低公害涂料;涂膜的外觀好，烘干時(shí)有較好的展平性。
2)與陽(yáng)極電泳涂裝法相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn):被涂物不發(fā)生陽(yáng)極溶解，使涂膜與底材的附著力和防腐蝕性能均有所提高;漆基中含有防止底材腐蝕的基團(tuán)(如含氮基團(tuán))，耐腐蝕性和泳透力均高于陽(yáng)極電泳涂料，因而使被涂物的內(nèi)腔和焊縫泳涂得更好。
2陰極電泳涂裝的應(yīng)用
目前，世界汽車生產(chǎn)中有92%使用涂料(ED),其中有90%采用陰極電泳涂料(CED)。以福特和通用汽車公司為例，從1977年1月開(kāi)始投建汽車車身陰極電泳涂裝線至今，這兩個(gè)公司的陰極電泳涂裝線占汽車車身涂裝線的9900;而日本各汽車公司為在各國(guó)際市場(chǎng)上獲得競(jìng)爭(zhēng)能力，繼美國(guó)之后，于1977年10月投建了第一條汽車車身陰極電泳線至今，也有95%以上的汽車車身采用了陰極電泳涂裝線。我國(guó)汽車工業(yè)于20世紀(jì)80年代中期應(yīng)用陰極電泳漆，如今第二汽車制造廠的東風(fēng)汽車車身，大眾的桑塔納，還有奧迪、標(biāo)志等轎車車身百分之百采用了陰極電泳漆，其它如汽車零部件，車箱、車架等，為提高這些薄板件的使用壽命，也紛紛采用了耐蝕性高的陰極電泳漆。例如新研制的高流平性陰極電泳涂料，已經(jīng)在美國(guó)汽車制造廠中使用。其代表產(chǎn)品有PPG公司(匹茨堡平板玻璃公司)的Edll厚膜陰極電泳徐料、Edl2中厚膜陰極電泳涂料、杜邦的CormaxTM厚膜或中厚膜陰極電泳涂料，其主要性能改進(jìn)是使漆膜表面粗糙度下降。
由于陰極電泳涂料有著優(yōu)良的防腐蝕、滲透性和裝飾性能，不但應(yīng)用在汽車行業(yè)中，還廣泛地應(yīng)用在其它行業(yè)中。如在建筑材料中，防火門(mén)、鋼窗等涂裝耐候性好的雙涂層的環(huán)氧樹(shù)脂陰極電泳涂料，鋼制家具和間壁材料使用丙烯酸樹(shù)脂系陰極電泳涂料。在五金行業(yè)中，電泳鎖具、金屬眼鏡架、自行車部件、文具、皮箱扣、打火機(jī)等用品，均取得了令人滿意的效果。
除此之外，陰極電泳還應(yīng)用于金屬氧化物的沉積和金屬膜的制備從而獲得某種特殊性能的材料。例如，將ZnCo204電泳沉積在以鎳為基體的電極上作氧化反應(yīng)的催化劑，能獲得催化性好，機(jī)械穩(wěn)定性的電極。將固態(tài)熱解反應(yīng)制備的高純氧化鋅粉末通過(guò)電泳沉積的方法生成高質(zhì)量的氧化鋅薄膜，這種薄膜能夠在室溫下發(fā)射出波長(zhǎng)為390nm的紫外線。
3國(guó)外陰極電泳發(fā)展概況
陰極電泳涂裝最先在美國(guó)應(yīng)用。早在20世紀(jì)6。年代中期聯(lián)邦德國(guó)BASF公司和美國(guó)PPG公司首先進(jìn)行了陽(yáng)離子型樹(shù)脂的合成(即陰極電泳的研究)。1971年美國(guó)的PPG公司開(kāi)始應(yīng)用第一代陰極電泳漆。先在菲利普公司的電冰箱、洗衣機(jī)以及干燥機(jī)等耐腐蝕性能要求高的家用電器上作底漆。1976年6月美國(guó)通用汽車公司將汽車部件采用PPG公司第二代陰極電泳漆(CED-3002u)獲得成功。1977年開(kāi)始正式用陰極電泳漆為底漆來(lái)涂裝汽車車身。1978年美國(guó)通用汽車公司和福特汽車公司基本上把原來(lái)使用的65條陽(yáng)極電泳涂裝生產(chǎn)線改用新的陰極電泳涂裝生產(chǎn)線。1977年日本和英國(guó)由美國(guó)PPG公司引進(jìn)技術(shù)以后，他們的汽車涂裝從1978-1979年也向陰極電泳涂裝轉(zhuǎn)化。到1978年底初步統(tǒng)計(jì)，世界上約有120條陰極電泳涂裝線，其中美國(guó)有70條以上，日本有20條，歐洲有10條。
由于美國(guó)、日本、德國(guó)等許多涂料公司的不懈開(kāi)發(fā)，20世紀(jì)80年代陰極電泳涂料又取得了許多新的成就。其中最有代表性的是[121厚膜型陰極電泳涂料、低溫固化型陰極電泳涂料及彩色陰極電泳涂料。20世紀(jì)80年代末期，國(guó)際上形成了三大體系:以美國(guó)PPG公司為開(kāi)端的防銹蝕陽(yáng)離子型電泳涂料;以德國(guó)Hoechst公司為先驅(qū)的轎車、卡車用陽(yáng)離子型電泳底漆;以日本神東、關(guān)西涂料公司為代表的改進(jìn)型陽(yáng)離子電泳涂料。
20世紀(jì)90年代后相繼開(kāi)發(fā)和發(fā)展了多種性能優(yōu)異的陰極電泳涂料，如紫外光固化電泳涂料，自分層陰極電泳涂料，邊角防銹型陰極電泳涂料等。
3.1紫外光固化電泳涂料
紫外光(UV)固化涂料是利用紫外光照射涂料樹(shù)脂發(fā)生聚合架橋反應(yīng)的固化方式，在低溫的條件下短時(shí)間內(nèi)就能完成涂料的固化過(guò)程。它能提高生產(chǎn)效率，同時(shí)具有節(jié)約能源、防止環(huán)境污染等許多優(yōu)點(diǎn)。UV固化涂料由于其固化溫度低，除適用于一般的電泳涂裝的產(chǎn)品外還用于金屬鍍層上的裝飾、防腐，金屬蒸發(fā)膜上的保護(hù)，受熱易變形材料上的涂裝和電子產(chǎn)品及精密產(chǎn)品上的封閉、印刷等的加工。目前國(guó)內(nèi)外研究的UV固化陰極電泳涂料的基體樹(shù)脂主要集中于丙烯酸樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂及聚氨醋。
3.2自分層陰極電泳涂料
自分層涂料指涂料一次施工在底材上后，能自發(fā)的直接產(chǎn)生相分離，在成膜過(guò)程中分成兩個(gè)連續(xù)的不同功能涂層，形成不同組成的復(fù)合涂層系統(tǒng)，每層顯示出不同的特性。這種一次施工的多層涂層，不僅節(jié)約了勞動(dòng)力，而且解決了多層涂裝系統(tǒng)的層間附著力問(wèn)題。其機(jī)理有如下幾種:重力作用機(jī)理，選擇性潤(rùn)濕機(jī)理，不同滲透速率機(jī)理，顏料潤(rùn)濕機(jī)理，界面張力梯度機(jī)理，相收縮機(jī)理現(xiàn)在市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)研究的耐候性陰極電泳涂料就屬于自分層涂料的一種。這種涂料樹(shù)脂的主要組成為環(huán)氧系樹(shù)脂和丙烯酸系樹(shù)脂，利用兩者表面張力的不同，烘烤時(shí)表面張力大的環(huán)氧樹(shù)脂沉于下層，表面張力小的丙烯酸樹(shù)脂浮于表面層，形成了耐候性和耐腐蝕性都較好的“底面合一”型陰極電泳涂料。
3.3邊角防銹型陰極電泳涂料
汽車車身和零部件在沖壓加工時(shí)形成大小不同的棱邊和尖角。這些邊角在涂裝時(shí)，由于覆蓋性不好，容易生銹。在電泳烘烤后，由于涂膜的粘度下降而產(chǎn)生熱流動(dòng)，加上表面張力的作用，使邊角露底。因此，提高邊角覆蓋性，但同時(shí)涂膜的平滑性卻受到損害。為解決這種矛盾，日本油脂公司采用了高相對(duì)分子質(zhì)量樹(shù)脂作為涂膜加熱時(shí)的流動(dòng)調(diào)整劑，并通過(guò)流變學(xué)控制技術(shù)，使徐膜邊角覆蓋性和表面平整性得以兼顧，成功開(kāi)發(fā)了邊角防銹型涂料。這種涂料在涂膜熔融時(shí)，由于高相對(duì)分子質(zhì)量樹(shù)脂添加劑的作用而抑制了涂膜的熱流動(dòng)性，達(dá)到固化溫度后，由于該樹(shù)脂自身的熔融和交聯(lián)反應(yīng)而形成均勻的涂膜。
從陰極電泳涂料的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，總的發(fā)展趨勢(shì)是:漆膜厚度由薄到厚，泳透率由低到高，有機(jī)溶劑含量由高到低，烘干溫度由高到低。
4國(guó)內(nèi)陰極電泳發(fā)展概況
我國(guó)于1976年開(kāi)始陰極電泳涂漆的研究。第一代陰極電泳涂料由當(dāng)時(shí)的兵器部五四研究所(現(xiàn)改為五九所)于1979年首先研制成功，并在軍工產(chǎn)品上得到了一定的應(yīng)用。隨后上海涂料所、蘭州涂料所、沈陽(yáng)、北京、天津等大中型造漆廠也做了大量陰極電泳涂料的開(kāi)發(fā)研制工作。在“六五”期間我國(guó)涂料工業(yè)從日本、澳大利亞和英國(guó)引進(jìn)了陰極電泳涂料制造技術(shù)和涂料技術(shù)。前幾年我國(guó)先后從美國(guó)、德國(guó)、意大利等國(guó)引進(jìn)先進(jìn)涂料技術(shù)和涂裝設(shè)備。第一條現(xiàn)代化流水生產(chǎn)的汽車車身陰極電泳涂裝生產(chǎn)線于1986年7月在第一汽車制造廠車身廠投產(chǎn)。隨后第二汽車制造廠和濟(jì)南車身陰極電泳線相繼投產(chǎn)，在我國(guó)汽車工業(yè)中形成了陰極電泳涂裝替代陽(yáng)極電泳涂裝趨勢(shì)。到1990年底共建成投產(chǎn)的陰極電泳涂裝線有21條(其中車身涂裝線16條)。至1994年底投產(chǎn)的已接近40條，還有幾條生產(chǎn)能力為10萬(wàn)輛以上陰極電泳涂裝線(一汽一大眾、上海一大眾、天津夏利等大槽電泳線)。到1999年我國(guó)已有幾十條生產(chǎn)線投產(chǎn)，僅十萬(wàn)輛以上的陰極電泳涂裝線就有5條以上(如:第一汽車制造廠大眾有限公司、上海別克汽車有限公司等上百噸的電泳槽生產(chǎn)線)已于2000年之前建成投產(chǎn)。今天陰極電泳漆已占汽車涂裝市場(chǎng)的大部分。
5陰極電泳涂料的發(fā)展方向
陰極電泳涂料經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，國(guó)際上以美國(guó)PPG公司和德國(guó)Herberts公司為代表的涂料供應(yīng)商不斷采用新技術(shù)，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，使電泳涂料不斷更新?lián)Q代。新一代的陰極電泳涂料應(yīng)具有以下特點(diǎn):
1)新一代陰極電泳涂料的泳透率應(yīng)進(jìn)一步提高。泳透率越高，車身內(nèi)部膜厚就越均勻，從而提高車身整體防腐蝕性，降低施工電壓，減少涂料用量。
2)提高邊緣防腐性。電泳過(guò)程中，一些邊緣部分由于涂料電化學(xué)作用，造成邊角涂層特別薄，從而腐蝕易在此處發(fā)生，通過(guò)改善涂料性能提高防腐能力。
3)降低顏基比。顏基比就是涂料中顏料與樹(shù)脂的比例，降低它可以增加樹(shù)脂的含量，提高涂料的流動(dòng)性，降低膠體的沉降整速率，減少顏料絮凝和保護(hù)泵，降低材料消耗。
4)降低溶劑量。溶劑含量越高對(duì)環(huán)境污染越大，不利于工作。降低它有利保護(hù)環(huán)境，節(jié)約投資。
5)無(wú)鉛無(wú)錫，更趨環(huán)保型。鉛在電泳涂料的防腐蝕催化、鈍化和加速交聯(lián)等方面起著重要作用，但含鉛的顏料對(duì)裸鋼板的防腐蝕影響很大，且鉛本身是毒性很強(qiáng)的元素，環(huán)保上對(duì)其限制甚嚴(yán)。錫的性能與鉛比較接近，通常二者混用。新一代電泳涂料通過(guò)改進(jìn)樹(shù)脂去除鉛等重金屬，更有利于環(huán)保陰極電泳涂裝的涂層均勻性和優(yōu)良耐蝕性、生產(chǎn)性以及低污染性對(duì)涂裝今后的發(fā)展起著積極的作用，它作為一種涂裝工藝在金屬表面處理的防護(hù)、裝飾方面得到廣泛應(yīng)用。因此，陰極電泳涂裝在涂料開(kāi)發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)拓方面有著很大的潛力。