電泳粗糙度影響因素及其改善

王兵，賴云飛，單志愿，許能才，李文鵬

（合眾新能源汽車有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500）

電泳工藝作為車身涂裝主要環(huán)節(jié)之一，電泳涂層的各項指標不僅關乎車身防腐，其外觀粗糙度對后序涂層質量也有明顯影響，對緊湊型B1B2工藝外觀的影響尤其更大。隨著環(huán)保要求的日益嚴格，節(jié)能減排、降低環(huán)境污染成為涂裝工藝的主要改善方向之一，與傳統3C2B工藝相比，緊湊型B1B2工藝壓縮了中涂工藝，減少了VOC(揮發(fā)性有機物)排放，降低了設備能耗，且外觀優(yōu)良，因此已被越來越多的主機廠所采用。而電泳粗糙度是影響面漆涂層短波及 DOI(鮮映性)的主要因素之一，為獲得良好的面漆外觀，一般要求電泳粗糙Ra< 0.3 μm。本文研究了采用硅烷工藝前處理的電泳過程中，硅烷溫度、硅烷銅離子含量、硅烷活化點、電泳槽液循環(huán)壓力、電泳溶劑含量、電泳電壓、電泳溫度等因素對電泳粗糙度的影響，并研討了改善電泳粗糙度的方法。

1 硅烷薄膜前處理、電泳工藝流程簡介

根據長期實踐經驗，要想降低白車身板材對電泳粗糙度的影響，一般將白車身板材粗糙度控制在0.7 ~1.0 μm，這既保證了沖壓施工性，同時兼顧涂裝電泳漆膜的質量。在此前提下，從某新能源主機廠實際應用的硅烷薄膜體系著手，就硅烷工藝對電泳粗糙度的影響進行了驗證。

硅烷薄膜前處理及電泳工藝流程為：手工預清理→洪流熱水洗→預脫脂→脫脂→水洗→純水 1→硅烷→純水2→純水3→瀝水→電泳→超濾1→超濾2→純水4。

2 粗糙度的影響因素

結合前處理電泳參數，列出可能影響粗糙度的參數及其范圍，見表1。

表1 前處理電泳工藝參數范圍Table 1 Range of pretreatment and electrophoresis parameters

計劃將前處理參數保持在一定范圍內，第一步先對電泳槽液參數進行調整驗證，然后根據實驗結果，固定電泳參數后再調整硅烷參數，進行二次驗證。

實驗室驗證過程中，固定相同的工序流程，減少不必要的變量，步驟如下：

(1) 采用同批車身材料相同的冷軋板，測得其粗糙度為1.0 μm，取樣尺寸為70 mm × 150 mm。

(2) 按照硅烷前處理工藝流程處理后，在同一工作環(huán)境下模擬電泳小槽進行電泳。

(3) 模擬電泳后取出，用純水沖洗1 min。

(4) 放入同一烤箱內，在180 °C下烘烤20 min。

(5) 使用Mahr PS1的粗糙度檢測儀，在17.5 mm的取樣長度下測量車身外表面，固定點位置。

3 電泳工藝對粗糙度的影響

3.1 電泳一段電壓對粗糙度的影響

按前期調試確認的電壓及時間進行調整驗證，一段工藝時間為30 s，二段為150 s，二段電壓穩(wěn)定在290 V，通過調整一段電壓分別為180、160、140、120和100 V，驗證一段電壓對電泳涂層粗糙度的影響，粗糙度測量結果見圖1。

圖1 不同一段電壓下的電泳粗糙度Figure 1 Roughness of electrophoretic coatings prepared at different first-stage voltages

通過對比發(fā)現，二段電壓不變的前提下，粗糙度隨著一段電壓的降低而呈現先減小再增大的趨勢。這個現象與一段電壓形成的電泳膜厚有關。一段電壓過高，電泳上膜速度相對較快，一段上膜階段膜厚增大，對板材填充過快，導致粗糙度升高；一段電壓過低，則電泳上膜速度相對變慢，一段上膜階段膜厚減小，對板材的填充性較差，導致粗糙度升高，二段啟動后成膜速率不變。此兩種情況均會造成電泳涂層粗糙度增大，故一段適宜的電壓為140 V。

3.2 電泳二段工藝時間驗證

在穩(wěn)定一段電壓為140 V和二段電壓290 V的情況下，通過調整電泳一段和二段工藝時間比例進行驗證，在總電壓、時間不變的前提下，驗證一段與二段電泳時間對電泳涂層粗糙度的影響，結果見表2。調整電泳一、二段工藝時間，電泳涂層粗糙度波動較小。為保證車身成膜厚度，最佳時間為：一段30 s，二段150 s。

表2 電泳不同時間的粗糙度Table 2 Roughness of coatings prepared by electrophoresis for different time

3.3 電泳溫度驗證

在固定電泳工藝電壓及時間的情況下，即一段電壓140 V、時間30 s，二段電壓290 V、時間150 s，梯次升高調整電泳槽液的溫度，驗證電泳溫度對電泳涂層粗糙度的影響，結果如圖2所示。隨電泳槽液溫度升高，電泳涂層粗糙度呈降低趨勢，因溫度越高則車身成膜速度越快。為保證車身膜厚在大于18 μm、小于25 μm的范圍內，最佳溫度為32 °C。如溫度高于32 °C，槽液內的溶劑用量會增加，車身外表面膜厚增大，導致生產成本提高。

圖2 不同溫度電泳的粗糙度Figure 2 Roughness of electrophoretic coatings prepared at different temperatures

3.4 電泳溶劑含量

固定電泳工藝一段電壓和時間分別為140 V、30 s，二段為290 V、150 s，電泳溫度為32 °C，通過調整電泳槽液中溶劑的含量，考察其對粗糙度的影響，結果見圖3。溶劑含量的提高在一定程度上起到促進電泳漆膜流平的作用，電泳漆膜的粗糙度隨之降低，但溶劑含量超過一定范圍后，對粗糙度將無改善作用。建議溶劑含量控制在 0.5%，因為溶劑含量越高，揮發(fā)得越快，尤其是對于產量較小的企業(yè)，溶劑含量可以適當降低。

圖3 不同溶劑含量下電泳的粗糙度Figure 3 Roughness of electrophoretic coatings prepared with different solvent contents

3.5 電泳最佳參數

經過上述驗證，確定電泳最佳工藝參數為：一段電壓140 V、時間30 s，二段電壓290 V、時間150 s，電泳溫度32 °C，溶劑含量0.5%。

4 硅烷工藝對電泳粗糙度的影響

硅烷溫度、活化點、銅離子含量為硅烷日常監(jiān)測參數，每個參數的變化均會影響硅烷的反應速率，硅烷溫度、活化點的升高均直接影響硅烷薄膜的形成，進而影響硅烷薄膜的質量，銅離子則能有效促進硅烷薄膜致密化，改變車身外板導電性。這些控制參數在不同狀態(tài)下對電泳粗糙度將產生正面或者負面的影響。

4.1 硅烷溫度的影響

由化驗室配制硅烷處理液(活化點6.0，銅離子0.5 mg/kg)，在5個不同槽液溫度(20、25、30、35和40 °C)下對試板進行薄膜處理3 min，電泳后烘干，粗糙度的測量結果如圖4所示。溫度升高，電泳粗糙度呈先略降后緩慢升高的趨勢，整體變化并不明顯，建議溫度控制在20 ~ 30 °C。

圖4 不同硅烷溫度下電泳的粗糙度Figure 4 Roughness of electrophoretic coatings prepared after silane treatment at different temperatures

4.2 硅烷活化點的影響

活化點對硅烷的成膜速率有影響。配制不同活化點(4.0、4.5、5.0、5.5或6.0)的硅烷液(固定銅離子質量分數為0.5 mg/kg)，進行薄膜處理3 min(溫度均為25 °C)，電泳后烘干，使用粗糙度儀對試板進行粗糙度測量，結果見圖5。隨著活化點升高，電泳粗糙度呈現先降低后升高的趨勢，即較低或較高的活化點均會使粗糙度提高，不同現場可自行驗證。本研究確認的活化點為5.0，以此進行工藝管理。

圖5 不同活化點下電泳的粗糙度Figure 5 Roughness of electrophoretic coatings prepared at different activation points

4.3 硅烷處理液中銅離子的影響

實驗室配制不同銅離子濃度含量的硅烷處理液，活化點控制為5.0，槽液溫度為25 °C，分別將銅離子控制在0.5 ~ 3.0 mg/kg的梯度下，即分別為0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 mg/kg，進行薄膜處理3 min，電泳后烘干，測得試板的粗糙度如圖6所示。通過對比可知，銅離子含量在1.5 ~ 2.0 mg/kg時，粗糙度較低，銅離子含量低于此范圍時，粗糙度開始增大；銅離子超過2.0 mg/kg后，粗糙度呈增大趨勢。這是因為一定濃度的銅離子在硅烷反應中能起到促進薄膜反應的作用，使形成的硅烷膜更加致密，車身表面導電性更均勻，入槽前薄膜電阻更平均，電泳通電反應時能降低車身外板反應速率差異，使車身上膜速度均勻，從而有效降低粗糙度。目前確認銅離子質量分數以1.5 ~ 2.0 mg/kg為佳。

圖6 以不同銅離子含量的硅烷液處理后電泳的粗糙度Figure 6 Roughness of electrophoretic coating prepared after silane treatment with different copper ion contents

5 優(yōu)化參數的確認

經上述驗證，確定硅烷前處理的最佳參數為：溫度25 °C，活化點5.0，銅離子質量分數1.5 mg/kg。另外，鎖定了前處理硅烷銅離子含量及電泳溫度對電泳粗糙度的改善較為明顯，電泳車身粗糙度由最初的0.476 μm降低到0.265 μm，現場關鍵參數的最佳范圍見表3。

表3 優(yōu)化后的前處理電泳工藝參數范圍Table 3 Optimized ranges of pretreatment electrophoresis parameters

6 結語

電泳一段電壓降低并延長一段電泳時間，以及提高電泳溫度和電泳溶劑含量，可在一定程度上降低電泳粗糙度，但粗糙度整體改變較小。硅烷溫度、活化點、銅離子含量不同，反映在電泳車身上的粗糙度數據上的波動也較為明顯。

日常管理中可通過優(yōu)化硅烷工藝，對電泳粗糙度進行改善，使電泳粗糙度達到優(yōu)秀的水平，最大限度降低對面涂外觀的影響。本文經優(yōu)化硅烷處理的工藝參數后所得電泳漆膜的粗糙度為0.265 μm，達到免中涂工藝的情況下改善面漆橘皮質量，提高油漆表面平整度的目標。