阴极电泳涂装发展综述.doc

阴极电泳涂装发展综述段振芳前言电泳涂料源于20世纪30年代，20世纪70年代由美国PPG公司率先开发成功的，启初用于对耐腐蚀性能要求高的家用电器上作底漆，随后逐渐开发出了耐蚀性能更高且具有装饰性效果的阴极电泳涂料。由于其具有优良的防腐蚀性、高泳透率、高流平性、高装饰性且涂装自动化程度高、涂装污染少等特点，不但应用在汽车行业中，还广泛地应用在其它行业中。如在建筑材料中，防火门、钢窗等涂装耐候性好的双涂层的环氧树脂阴极电泳涂料，钢制家具和间壁材料使用丙烯酸树脂系阴极电泳涂料。在五金行业中，电泳锁具、金属眼镜架、自行车部件、文具、皮箱扣、打火机等用品，均取得了令人满意的效果。一、国内外阴极电泳涂装的发展阴极电泳涂装最先在美国应用。早在20世纪60年代中期德国BASF公司和美国PPG公司首先进行了阳离子型树脂的合成（即阴极电泳的研究）。1971年美国的PPG公司开始应用第一代阴极电泳漆。先在菲利普公司的电冰箱、洗衣机以及干燥机等耐腐蚀性能要求高的家用电器上作底漆。1976年6月美国通用汽车公司将汽车部件采用PPG公司第二代阴极电泳漆（CED-3002#）获得成功。1977年开始正式用阴极电泳漆为底漆来涂装汽车车身。基于阳极电泳涂装过程产生阳极溶解、阳极电泳涂膜的耐腐蚀性较低，而阴极电泳涂膜的耐腐蚀性能优良、能成倍地提高汽车车身的使用寿命，阴极电泳涂装工艺得到快速普及。1978年美国通用汽车公司和福特汽车公司基本上把原来使用的65条阳极电泳涂装生产线改用新的阴极电泳涂装生产线。1977年日本和英国由美国PPG公司引进技术以后，他们的汽车涂装从19781979年也向阴极电泳涂装转化。到1978年底初步统计，世界上约有120调阴极电泳涂装生产线，其中美国有70条以上，日本有20条，欧洲有10条。至1985年，汽车车身的阴极电泳化率达90%以上，至今全世界大量流水线生产的汽车车身几乎100%都采用阴极电泳涂装打底。在改革开放30年中我国汽车工业和涂料工业跟上了阴极电泳涂装技术的发展步伐。我国第一条现代化流水生产的汽车车身阴极电泳涂装生产线于1986年7月在第一汽车制造厂车身厂投产。随后第二汽车制造厂和济南车身阴极电泳涂装替代阳极电泳涂装趋势。到1990年底共建成投产的阴极电泳涂装线共建成投产的阴极电泳涂装线有21条（其中车身涂装线16条）。在近20年中我国汽车工业获得超高速的发展，尤其是轿车工业的发展更迅猛，由1990年产轿车4.2万辆猛增到2007年的610万辆。轿车工业的突飞猛进，带动汽车涂装及涂料飞跃式发展。据不完全统计，我国已有年产5万辆以上的汽车车身阴极电泳涂装线近百条，还有车架、车轮、车厢、中小冲压件等汽车零部件阴极电泳涂装线上百条。二、国内外阴极电泳涂料的发展20世纪60年代中期，德国BASF公司和美国PPG公司首先进行了阳离子型树脂的合成（即阴极电泳的研究），1971年美国的PPG公司研制出第一代阴极电泳涂料。虽然该涂料具有有意的耐腐蚀性，但是漆液的pH值在4左右，对电泳涂装设备具有腐蚀作用，而且烘烤条件为200、30min，温度较高。1976年，美国通用汽车公司开发出第二代阴极电泳涂料，可在较高电压下进行电泳涂装。1983年开发出了第三代阴极电泳涂料，改善了酸性较强的缺点，在pH值为6.5就可以完成涂装过程，保持了第二代产品电泳电压低和泳透力好的优点。目前各主要汽车生产国的汽车车身的涂装线90%以上采用阴极电泳涂料。阴极电泳涂料的发展十分迅速，基本上每隔35年就更新换代一次。我国于1976年开始阴极电泳涂料的研究。我国第一代阴极电泳涂料是当时的兵器部五四研究所（现改为五九所）于1979年首先研制成功，并在军工产品上得到了一定的应用。随后化工部涂料所（现常州涂料化工研究所）、沈阳油漆厂、北京等单位也做了大量开发工作，开发的产品也在生产线上得到了应用。在“六五”期间，北京、沈阳油漆厂分别从奥地利和日本引进了阴极电泳涂料的制造技术。目前，我国在北京、沈阳、济南、上海、重庆及成都等地都有阴极电泳涂料的生产。上世纪 80年代后,我国汽车工业阴极电泳涂装生产流水线得到了迅速的发展,在汽车行业引进和自建了许多阴极电泳涂装的生产流水线。三、先进的阴极电泳涂装工艺阴极电泳涂装技术自20世纪70年代研制成功后，以其涂料的高泳透率、优良的涂层耐腐蚀性得到广泛认可，并替代原先的阳极电泳涂装技术在汽车工业中获得大力推广和应用。目前，采用阴极电泳涂装法涂底漆的汽车车身和零部件达到90%以上。汇众公司现有的3 条阴极电泳涂装生产线（分别为Haden线、ABB线和EISENMANN线），承担着包括上海大众、上海通用以及OEM市场的十余种车型，总共八十多个产品零部件的电泳涂装任务被涂装的产品以其良好的漆膜外观质量、耐腐蚀性能及长期一贯的稳定性得到了几大主机厂商的肯定和好评。阴极电泳涂装的工艺包括电泳前的前处理、电泳2部分：即工件经过脱脂、磷化等前处理，再进行阴极电泳处理，其主要工艺流程为：预处理上线预脱脂脱脂水洗表调磷化水洗水洗纯水洗新鲜纯水冲洗阴极电泳超滤液洗纯水洗烘干电泳完成转出。阴极电泳涂装是牵涉到多个环节、多种因素的非常复杂的过程，各个环节间并非是孤立的，而是相互依存、相互制约。在电泳涂装的日常管理中，必须确保设备系统的正常运行及完好，同时严格控制各个槽液的参数，使它们始终处于良好状态。四、促进阴极电泳涂装的发展（1）加强管理阴极电泳涂装的现状是大多数的电泳涂装线烘干固化后电泳涂膜表面存在各种各样的异物和表面缺陷，为此在中涂前需进行打磨、平整被涂面，如果未消除，进入中涂、面漆线，造成不良率上升。因此要加强管理，实现无缺陷的电泳涂装，废止打磨工序。日本汽车涂装界提出和已实现“无缺陷的电泳涂装、废止打磨工序”，其具体措施是：白车身进入涂装线前应彻底清扫，清除掉车身外表面的附着物，真空吸除掉车身内的铁粉，削磨掉钢板端面的毛刺、锐角等。提高洗净除去车身异物的效率和除掉磷化沉渣的效率。如保持各槽液的污染度在工艺许可的范围内，改进车身的吊挂和输送方式（如采用旋转浸渍输送机，使车身的顶盖外表面在浸渍处理时朝下），确保车身的主要表面不积异物（如磷化沉渣等）。电泳涂装的槽液应彻底净化。利用夜间槽液全过滤，完全除去异物；改进槽液的流动及创造气泡、沉淀物不附着的槽液环境。防止从输送设备上掉落异物，应设吊装挂具清扫工位。被涂物通过途径（含烘干室）应彻底净化，确保无尘化。（2）开发新型阴极电泳涂料为了扩大阴极电泳涂料的使用范围及满足涂装产品更高的质量要求，美国、日本和德国的很多涂料公司和研究所对阴极电泳涂料的配方和工艺不断改进，取得了很多新的成就。目前，对阴极电泳涂料在节能、环保及电泳漆膜的耐候性、高装饰性等方面提出了更高的要求。节能型阴极电泳涂料目前普通的阴极电泳涂料的烘烤温度范围一般在160180，热消耗大，而且带有橡胶、塑料等的汽车零部件哎高温烘烤下容易变形，所以在保持耐腐蚀性等其它性能的前提下，开发低温型固化剂，节能型低温固化阴极电泳涂料应运而生。这类电泳涂料不仅能大大降低能耗，而且漆膜在炉内的污染少。除了能涂装带有橡胶、塑料的零部件外，还可广泛适用于汽车厚钢板、铸件和各种零部件。开发节能型阴极电泳涂料的技术关键是寻求新型的固化剂，同时要解决低温固化和槽液稳定性的矛盾。目前美国PPG 公司的ED-6涂料的固化温度为150；Herberts公司的第三代和第四代阴极电泳漆，其烘烤温度下限也到了150。环保型阴极电泳涂料无铅、无锡阴极电泳涂料是电泳涂料发展过程中的一项重大改进。避免使用铅、锡的途径是：提高树脂本身的防锈性能，采用无毒防锈颜料，改变固化方式和采用其它固化催化剂。有害气体污染物（HAP）和挥发性有机化合物（VOC）是环保型涂料中很重要的指标，因此，降低VOC的排放量就成为阴极电泳涂料的一个重要研究方向。现有阴极电泳涂料的有机溶剂含量普遍降至1.2%以下。PPG的阴极电泳涂料的有机溶剂含量低至0.6%，同时槽液仍然保持良好的稳定性。在溶剂种类方面，烃类溶剂由于具有挥发性，已被高沸点溶剂如溶纤剂取代。而溶纤剂也有一定的毒性，已逐渐被限制。厚膜型阴极电泳涂料为了改善底漆的抗碎裂性和边角防锈性，进一步提高阴极电泳涂料的耐蚀性，目前国外用于底漆的阴极电泳涂料正向厚膜型发展。普通厚膜型涂料膜厚为3040m，超厚膜型涂料膜厚达60m以上。厚膜型涂料主要是依靠具有不同玻璃化温度的数种树脂相配合，并添加高沸点助溶剂等制成，从而解决电泳涂装时涂膜的沉积和烘烤时粘弹性的控制问题，使其一次性成膜较厚，外观比较平整。美国 PPG公司、德国BASF公司、日本油脂和日本涂料公司等开发的厚膜型阴极电泳涂料，解决了电泳涂漆中高厚膜与高泳透力的矛盾、 电泳膜热流平与边角易外露的矛盾。如美国 PPG公司开发的厚膜型阴极电泳涂料具有如下优点：一次电泳膜厚可达3040m，涂层的平滑性和表面光泽显著提高；工件空腔内表面的涂层比普通的厚两倍；可省去中间涂层和一道打磨工序；大量减少了涂料生产中的有机溶剂；槽液稳定性好，涂层防蚀性强，尤其是边角部位；涂膜弹性好，可在含锌-铁合金表面涂覆，具有较强的抗石击能力。边角防锈型阴极电泳涂料汽车车身和零部件在冲压加工时形成大小不同的棱角和尖角，在涂装时由于覆盖性不好，容易生锈。对于涂料而言，提高边角防锈性的关键是提高边角的覆盖性。在电泳涂装时涂料固体组分集中在尖端部位析出，边角覆盖性本来很好，但是烘烤时由于漆膜的粘度下降而产生热流动，加上表面张力的作用，使边角露底。因此，提高边角故覆盖性的途径使提高漆膜加热固化时的粘度和降低其表面张力。但是随着边角覆盖性的提高，涂膜的平滑性却受到了损害。为了解决这一矛盾，提出了很多方案。其中，日本油脂公司采用了高分子量树脂作为漆膜加热时的流动调整剂，并通过流变学控制技术，使漆膜边角覆盖性和表面平整性得以兼顾，开发成功了边角防锈型涂料。另外，有人认为，从涂料材料本身着手提高边角防锈性，在现阶段是有困难的。为此，关西涂料公司在涂装工艺上进行了改进，开发了两次涂装方法，即第一次涂装边角覆盖高的阴极电泳涂料，第二次涂装表面平滑性好的涂料。总的来看，目前边角覆盖型阴极电泳涂料尚处于研究阶段，工业上实用的产品不多。高装饰性阴极电泳涂料对汽车用涂料而言，底漆的主要功能是防腐蚀，而装饰性和耐候性的功能是由面漆的罩光涂料承担。提高阴极电泳涂料的装饰性的目的是为了扩大其使用范围。为了得到高装饰性的阴极电泳涂料，国外做了大量的工作。从专利文献上看，采用了多种方案，如以胺改性环氧树脂与含氟乙烯基单体共聚物混和制得高耐候性和高装饰性的阴极电泳涂料；在胺改性环氧树脂和封闭异氰酸酯乳化液中加入胶体粒子组成的透明高装饰性阴极电泳涂料；用潜伏性异氰酸酯作固化剂的丙烯酸系阴极电泳涂料；由环氧树脂与特殊异氰酸酯固化并加入丙烯酸系树脂组成的复层阴极电泳涂料等。目前，这类电泳涂料处于研究开发阶段，还未见成熟的产品，技术难度较大；也存在价格因素。当然也有望用于一些特殊的场合（对价格因素不敏感）使用的高装饰性阴极电泳涂料。结束语在当今建设环境友好型、资源节约型社会的形势下，市场竞争激烈，只有优质、低成本才有竞争力。根据上述发展历程及有关文献资料，预测阴极电泳涂装的发展趋势如下：（1）进一步提高结构复杂的被涂物（如汽车车身）用阴极电泳涂料的泳透力，最终目标是100%（四枚盒法），以进一步提高车身内表面及空腔的涂装质量，提高生产效率和减少阴极电泳涂料的使用量。（2）开发采用节能减排型的阴极电泳涂料与涂装技术，进一步提高阴极电泳涂料与涂装的环保性，开发采用VOC含量更低的、固化时分解物更少和无HAP的阴极电泳涂料，依靠ED-RO技术提高水的利用率，实现阴极电泳涂装污水“零”排放。（3）在现有各种特种功能的阴极电泳涂料的基础上，改进或开发新的各种助能的阴极电泳涂料，如锐边耐蚀性阴极电泳涂料、耐候性（耐UV型）阴极电泳涂料、厚膜阴极电泳涂料等。（4）加强管理，实现无缺陷的电泳涂装，废止打磨工序。参考文献1 齐智远,孙淑萍.阴极电泳涂装的应用及发展J.电镀与精饰,2006,28(6)：22-25.2 徐双,陈梦中.阴极电泳