工藝條件對汽車電泳涂裝的影響及缺陷分析

閆超杰

摘要：介紹了汽車電泳涂裝的基本原理，通過試驗(yàn)方法分析了工藝條件參數(shù)對電泳涂裝質(zhì)量的影響及常見缺陷產(chǎn)生原因。

關(guān)鍵詞：汽車；電泳；涂裝；溶液

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，汽車作為提高生活質(zhì)量的交通工具，逐漸吸引了公眾的注意[1]。汽車噴漆工藝是沖壓、焊接、噴漆和總裝四大工藝之一，是汽車生產(chǎn)工藝的重要組成部分[2]。涂層質(zhì)量直接影響車輛的整體使用，尤其是耐候性、耐腐蝕性、抗紫外線、耐刮擦性及耐顏色性等。電泳涂裝工藝是將工件和相應(yīng)的電極（導(dǎo)電材料，如鋼或鋁）置于電泳溶液中，將它們連接到交流或直流電源，并在電場的作用下將涂層沉積在工件表面上，以形成均勻的涂層膜。電泳涂裝按電源分為直流電泳和交流電泳；根據(jù)涂層的沉積特性，可分為陽極電泳和陰極電泳；按工藝方法可分為恒壓法和恒流法。目前，廣泛使用的方法是使用恒壓直流電源的陽極電泳[3]。

電泳涂裝原理

電泳涂層是電泳原理在膠體化學(xué)中的應(yīng)用，帶電的膠體顆粒在連續(xù)電場的作用下沿與其帶電電荷相反的方向移動(dòng)，并在沉積時(shí)去除電極上的電荷以形成涂膜。這種膠體顆粒運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象被稱為電泳現(xiàn)象、電泳涂層或電泳涂裝。

目前，陽極電泳涂裝中廣泛使用的電泳涂料是水溶性樹脂，它是一種高酸價(jià)的羧酸鹽。通常，樹脂制成后，用胺中和，生成高分子羧酸氨（胺）鹽。當(dāng)溶解在水中時(shí)，它會離解成帶負(fù)電的膠體顆粒和氨（胺）的陽離子。

RCOONH4（高分子羧酸氨鹽）= RCOO-（帶負(fù)電荷）+NH+4（陽離子的膠體粒子）

當(dāng)通過陽極電泳進(jìn)行涂覆時(shí)，在電泳池中施加直流電，其中涂層材料用作陽極，另一金屬片或池體本身用作陰極。根據(jù)電泳原理，在直流電場中，離子發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，帶負(fù)電荷的膠體顆粒RCOO-朝向陽極移動(dòng)，從涂層物體中去除負(fù)電荷，沉積在不溶性涂層膜中；陽極電泳涂層的基本原理是陽離子向陰極移動(dòng)，在陰極上獲得電子并還原為氨（胺）。

事實(shí)上，電泳過程非常復(fù)雜，包括以下四個(gè)同時(shí)發(fā)生的物理和化學(xué)過程（以陽極電泳為例）。

1.電泳

用于電泳的一般水溶性涂層是一種膠體分散體，其中樹脂分子在水中電離并分解為帶電顆粒。在直流電場的作用下，分散在極性介質(zhì)水中的帶電樹脂顆粒，以及吸附在其表面的顏料和帶電顆粒，向與攜帶電荷的電極相反的方向移動(dòng)。這種現(xiàn)象被稱為電泳。

2.電沉積

水溶性樹脂顆粒攜帶負(fù)電荷，在直流電場的作用下向陽極移動(dòng)，電子被釋放并沉積在陽極上，形成不溶于水的涂層，這個(gè)過程被稱為電沉積。放電顆粒首先沉積在電力線密度特別高（即電阻最?。┑奈恢?，例如待噴涂物體的邊緣、尖角等；在對這些區(qū)域施加一定程度的絕緣涂層后，沉積點(diǎn)逐漸移動(dòng)，直到它們完全均勻地涂覆成膜。

3.電滲

電滲是液相在電場作用下的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)涂層的樹脂顆粒朝向陽極移動(dòng)并沉積時(shí)，該沉積物在電場力的作用下不能移動(dòng)，而吸附在陽極上的分散樹脂顆粒（主要是水）在內(nèi)部滲透力的作用下沿與顆粒位移相反的方向移動(dòng)時(shí)，通過涂層膜沉積在陽極附近的電泳溶液中，這種現(xiàn)象被稱為電滲。電滲的作用是使沉積的涂膜脫水。

4.電解

當(dāng)電流流過電解質(zhì)和水時(shí)，水經(jīng)歷電解反應(yīng)，在陰極釋放氫，在陽極釋放氧。同時(shí)，溶解也發(fā)生在陽極本身。對于電泳涂料，電解反應(yīng)不利，但難以避免。因?yàn)殛枠O釋放的氧可以被沉積的涂層吸收，影響涂層的質(zhì)量并降低滲透性。為了減少電解對電泳涂層的干擾，在操作過程中應(yīng)盡可能降低電壓，并縮短電泳時(shí)間，以減少電解釋放的氣體對涂膜質(zhì)量的影響。

工藝條件對電泳涂層的影響

影響電泳質(zhì)量的因素有很多，包括電源整流器、電泳材料、槽液參數(shù)、電泳時(shí)間和溫度等[4]。

1.電壓

在恒壓電泳涂裝中，電壓對涂膜的質(zhì)量有很大影響。電壓的選擇不僅取決于所用涂層的類型，還取決于被涂裝工件的材料、表面形狀、尺寸和電泳陰極距離。一般來說，電壓越高，涂膜越厚，表面越粗糙，干燥后更容易產(chǎn)生橘皮，這可能導(dǎo)致涂膜中出現(xiàn)針孔和氣泡；當(dāng)電壓低時(shí)，涂層薄且致密，但效率低。因此，電壓的選擇必須根據(jù)電泳條件和涂層的種類來確定。

一般使用直流電源。整流設(shè)備可以使用硅整流器或晶閘管，當(dāng)然也可以使用直流發(fā)電機(jī)。整流器的電流密度通常為2～4mA/cm2。設(shè)備的容量取決于電壓和電流，電流的大小與涂層的性質(zhì)、溫度、工件的表面積和通電方式等因素有關(guān)，通常在30～50A/m2。

2.電泳時(shí)間

電泳時(shí)間不應(yīng)太長，應(yīng)根據(jù)所需涂膜的厚度確定。在保證涂膜質(zhì)量的條件下，電泳時(shí)間越短越好。由于當(dāng)涂層達(dá)到一定厚度時(shí)電阻增加，即使電泳時(shí)間進(jìn)一步延長，涂層厚度也不能增加，但會加重副反

應(yīng)[5]。一般來說，小工件電泳需要2min，大工件電泳需要3～4min。

在實(shí)驗(yàn)室中使用不同的電泳時(shí)間和電泳電壓進(jìn)行試驗(yàn)，其他電泳工藝參數(shù)相同：固體含量15.0%，pH值 6.85，溫度28℃。電泳時(shí)間和電壓對電泳膜厚度的影響見表1。

3. pH值

pH值低，涂層溶液的穩(wěn)定性差，已溶解的樹脂會沉淀。如果pH值過高，新沉積的薄膜將再次溶解，影響薄膜厚度。pH值通常應(yīng)在6～8，在電泳過程中，pH值會增加，可以使用超濾或更換陰極蓋內(nèi)的蒸餾水來降低pH值。如果pH值較低，可以加入乙醇胺進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.電泳溶液溫度

當(dāng)電泳溶液的溫度高時(shí)，涂膜形成得很快，涂層很厚，但涂層的外觀很粗糙。長期高溫也會導(dǎo)致電泳溶液變質(zhì)。電泳溶液的溫度低，電泳能力差，成膜緩慢，但涂層外觀精細(xì)致密。一般情況下，電泳溶液的溫度應(yīng)在15～30℃。

表2顯示了在實(shí)驗(yàn)室中相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)（電泳槽溶液固含量15.5%，pH值6.75，電泳時(shí)間3min）下，在兩種不同電泳電壓條件下，僅改變涂液溫度的電泳樣品的涂膜層厚統(tǒng)計(jì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，溫度對涂膜厚度和電泳表面質(zhì)量有顯著影響：當(dāng)涂液溫度低于30℃時(shí)，涂膜厚度小于20μm；當(dāng)涂液溫度為34℃時(shí)，電泳漆膜上有輕微的針孔。因此，電泳槽溶液的溫度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場電泳涂液的最合適控制溫度來選擇。

5.電泳液的固體含量

一般固體含量為8%～18%。不同類型涂料的稀釋度也不同，如鐵紅色底漆的稀釋度為10%～15%，灰色面漆的稀釋度則為8%～15%。為了降低電泳溶液在槽中的實(shí)際存儲容量，電泳溶液的固體含量相對較低，這更經(jīng)濟(jì)，因此可以減少工件帶出對電泳溶液的消耗。但是當(dāng)固體含量過低時(shí)，薄膜的覆蓋力就不好。當(dāng)固體含量過高時(shí)，涂層的外觀是粗糙的。

6.溶劑含量

一般溶劑含量為5%～6%。當(dāng)過多時(shí)，它會導(dǎo)致電泳過程中使用的電壓降低，降低滲透性，并導(dǎo)致重新溶解的針孔再次形成。

電泳涂裝的常見缺陷和原因

通過電泳測試分析，發(fā)現(xiàn)電泳涂層有幾個(gè)常見的缺點(diǎn)和原因。

（1）涂層外觀不好，有花臉、橘皮、流掛等現(xiàn)象 造成這種情況的主要原因是：表面處理不好，除油、除銹不徹底，或者磷化膜不均勻；電泳后清洗不徹底；pH值過高；電泳液中泡沫過多；電泳溶液的固體含量過高；電極之間的距離或涂層工件之間的距離太??；電壓過高；電泳溶液的溫度過高。

（2）工件表面亮度不一致? 造成這種情況的主要原因是：電泳溶液中顏料與基料的比例不當(dāng)，顏料密度過大，分散性差；電泳溶液攪拌不充分；固體含量低；陰極面積過小或被屏蔽；工件位置不正確或工件之間距離過近；工件的形狀過于復(fù)雜；pH值低；電壓過低，導(dǎo)致涂層變薄。

（3）薄膜太薄? 造成這種情況的主要原因是：電壓低；pH值過高；固體含量低；電泳時(shí)間太短；工件磷化；關(guān)電后工件在槽內(nèi)停留時(shí)間過長；懸掛工具接觸不良；電泳溶液溫度過低；攪拌速度太快。

（4）針孔? 其主要原因是：固體含量低，水解強(qiáng)烈；電壓過高，電解反應(yīng)很快，氣泡增加；電泳溶液中雜質(zhì)離子過多；通電時(shí)，入槽速度較慢，或槽液攪拌緩慢，特別是工件表面潮濕時(shí)，容易產(chǎn)生階梯狀針孔；槽液混入油液，或工件表面未脫脂、清潔；電泳膜形成后和水洗之間的間隔太長，容易產(chǎn)生重新溶解的針孔。

（5）粗顆粒? 造成這種情況的主要原因是：電泳溶液中混入灰塵等異物；電泳涂料溶解性差；顏料分散性差；雜質(zhì)太多。

（6）水印? 造成這種情況的主要原因是：涂層疏松，電滲透性差；電泳溶液中的助溶劑太多。

（7）電泳后水洗過程中涂層脫落? 造成這種情況的主要原因是：表面處理不干凈；pH值過高，涂膜再次溶解；電壓過低；雜質(zhì)離子太多，洗滌時(shí)間太長。

結(jié)語

綜上所述，電泳涂料涂膜均勻，附著力強(qiáng)，質(zhì)量好。對于通過一般涂層方法難以涂覆或涂覆不良的區(qū)域（如內(nèi)層、法蘭、焊縫等），可以獲得均勻、平坦、光滑的理想涂膜。由于電泳過程中的化學(xué)反應(yīng)，各種參數(shù)之間也存在相關(guān)性，如pH值和電導(dǎo)率。因此，需要對電泳槽的參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)測，以確保穩(wěn)定生產(chǎn)。電泳工藝參數(shù)復(fù)雜，影響因素多，需要更精細(xì)化的管理，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可控。

參考文獻(xiàn)

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[3] 肖永清 . 低碳環(huán)保性能電泳涂料的發(fā)展[J]. 上海染料，2021，49（1）：20-25.

[4] 代詩環(huán)，王鵬，郭常臻，等 . 汽車涂裝前處理電泳的工藝參數(shù)分析[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝，2021，24（1）：30-32，36.

[5] 馮德進(jìn)，薛濤，蒙錢東. 淺談汽車涂裝電泳 [J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝，2013，16（11）：61-63.