阴极电泳涂料涂装的发展历程及趋势

1、阴极电泳涂料·涂装的发展历程及趋势中国第一汽车集团公司技术中心 宋华 王锡春(130011)摘要：文章在介绍国内外电泳涂装应用发展情况后，按泳透力、电泳工艺参数、环保性、涂膜的平滑性、耐腐蚀性等五方面的技术进步状况，推荐将阴极电泳涂料的发展历程暂划分三代。并预测了阴极电泳涂料·涂装的发展趋势。关键词：阴极电泳涂装 阴极电泳涂料 发展历程及趋势电泳涂料及涂装技术的研究起源于上世纪50年代，美国福特汽车公司于1958年发明、开发成功“阳极电泳涂装法”获得工业应用已近半个世纪。1962年9月电泳涂装线正式投产应用，并逐步替代汽车车身的浸涂或喷涂的打底工艺。基与阳极电泳涂装过程产生

2、阳极溶解、阳极电泳涂膜的耐腐蚀性较低、不能适应冬季防路面冻结、防滑、路面撒盐产生的“盐害”和提高汽车车身使用寿命的要求，于上世纪七十年代又开发成功耐腐蚀性好的、泳透力较高的阴极电泳（ced）涂料，并于1977年世界上第一条汽车车身阴极电泳涂装线在美国投产。基于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（确保实现汽车车身使用10年不产生穿孔腐蚀及结构损坏的目标），致使阴极电泳涂装工艺普及速度之快是史无前例的。凡新建的汽车车身涂装线均采用阴极电泳涂装工艺，凡已采用阳极电泳涂装工艺的涂装线都采用阴极电泳涂料替换阳极电泳涂料，进行相关的技术改造。至1985年汽车车身的阴极电泳化率达9

3、0%以上，至今全世界大量流水生产的汽车车身几乎100%都采用阴极电泳涂装打底。从环保、资源利用、作业性和涂层质量等方面来评价阴极电泳涂装现今仍是先进的汽车车身的涂底漆工艺，尚无理想的工艺来取代它。阴极电泳涂装技术在其它工业涂装领域（如建材、轻工、军工、农机、家用电器等金属件涂装领域）也得到普及及推广应用。我国电泳涂料和涂装技术的开发也有40多年的历史，在1965年上海涂料所开发成功阳极电泳涂料，随后有些油漆厂也相继试制成功。上世纪70年代我国汽车工业已建成几条汽车零部件和驾驶室阳极电泳涂装线。在改革开放30年中我国汽车工业和涂料工业也跟上了阴极电泳涂装技术的发展步伐。我国第一代阴极电泳涂料是由

4、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，常州涂料所、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，一汽、二汽和济汽从英国引进了阴极电泳涂装线及相关涂装技术，第一条现代化的驾驶室阴极电泳涂装生产线于1986年7月13日在一汽车身厂投产，二汽和济汽的阴极电泳涂装线也相继投产，随后在我国汽车工业中形成车身涂底漆工艺采用阴极电泳涂装替代阳极电泳涂装之势。在近20年中我国汽车工业获得超高速的发展，成为世界第三大汽车生产国和第二大汽车销售市场。尤其

5、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，增长百倍以上。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（其中年产20万辆以上的10条、10-20万辆44条、5-10万辆32条，还有在建和正在筹建的车身阴极电泳涂装线18条）；还有车架、车轮、车厢、中小冲压件等汽车另部件阴极电泳涂装线上百条。世界著名的涂料公司（如美国ppg、杜邦，日本关西、立邦，德国basf等）在华建立了独资或合资公司，并靠近汽车生产基地建厂。它们的阴极电泳涂料产品几乎占领了国内轿车阴极电泳涂装市场，并且几乎是从哪个国家

6、引进的轿车产品就采用哪个国家的阴极电泳涂料产品。国内多家涂料公司（如上海金力泰、天津丽华、广东中山大桥、科德、东莞优立、武汉双虎、天津灯塔和科瑞达、吉化研究院等）自主开发或在消化引进技术基础上开发生产阴极电泳涂料，供应商用汽车、农用车、车厢、车架、车轮和其它工业金属件等电泳涂装市场，并在价格上有一定的优势。综上所述，轿车车身阴极电泳涂装线半数以上是在近7-8年汽车工业高速发展期中建设的，并且好多是由国外涂装设备公司承建的，所选用阴极电泳涂料也是选用国际涂料公司的最新产品为主，因此可这样评价：我国汽车车身阴极电泳涂装的工艺水平和装备水平，不仅与国际接轨，并且是世界一流水平。阴极电泳涂料的发展历程

7、阴极电泳涂料自1977年获得工业应用后为适应市场、客户的需要，随技术进步和配方制作工艺的不断完善，阴极电泳涂料的品种不断增多和更新换代，其作业性、涂膜性能和环保性等都有很大的改进，甚至有质的变化。关于其发展历程，各涂料公司表述不一，各自按自己的产品更新（新产品的特点）作为发展代数。如有的涂料公司阴极电泳涂料已发展到第八代；有的涂料公司阴极电泳涂料发展到第五、六代；有的涂料公司阴极电泳涂料发展的代数从开发电泳涂料算起（即一、二代为阳极电泳涂料）。表达阴极电泳涂料发展代数的含义极不统一，横向（各公司间）无法比较，用户按代数也很难分辨。汽车车身涂装是阴极电泳涂料的最大市场，也是最具有代表性的阴极电泳

8、涂装工艺，对阴极电泳涂料性能（如作业性、涂膜性能等）和阴极电泳涂装要求最高的用户。作者推荐按汽车车身阴极电泳涂装技术进步和下列特性来划分阴极电泳涂料的发展历程，以便阴极电泳涂料·涂装界统一认识，达到横向可比。汽车车身用阴极电泳涂料的关键特性如下：1、泳透力：汽车车身采用电泳涂装的最大目的是使车身内表面涂装完全。车身阴极电泳涂装膜厚的标准是：车身内表面及空腔内表面为10m，外板表面15m。如果汽车车身门板外表面和底板下表面的阴极电泳涂膜厚度>20m，就为超值膜厚，成为高成本的因素之一。15m厚的阴极电泳涂膜较薄，所以在除去电泳涂膜上附着的异物时必须绝对避免磨穿（sanding t

9、hrough）涂膜，露出底材钢板。阴极电泳涂料的泳透力是实现上述标准的关键特性。当初，电泳涂料的泳透力低，为提高电泳涂装的泳透力，采用辅助电极的方法和试用过逆工序电泳涂装法*来补救。在近30年中阴极电泳涂料的泳透力由一般发展到高泳透力 超高泳透力，后者能确保上述车身阴极电泳涂膜厚度达到标准，并对提高阴极电泳涂料的有效利用率和生产效率、降低成本有利。测定电泳涂料泳透力的方法有一汽钢管法、福特盒法和四枚盒（4box）法（详见参考文献1，p168-174），前两种方法是用测定电泳涂料在管或盒中的泳透深度（或高度）与外壁电泳涂膜高度之比来表示；四枚盒法是测量a面（相当于车身的外表面）和g面（相当于车身

10、的空腔结构的最内面）的涂膜厚度之比值。实例：日本丰田汽车公司由原用的高泳透力阴极电泳涂料（泳透力为g/a=10m/23m=43.5%），改用新开发的超高泳透力阴极电泳涂料（g/a=10m/15m=67%），不仅提高了车身内表面及空腔泳涂质量，而且还削减涂料消耗量22%，获得降低涂装成本10%的成果。又如：一汽青岛汽车厂驾驶室涂装线于2008年上半年开始更换使用泳透力更高的阴极电泳涂料（泳透力由原来的42%提高到51%），达到驾驶室外表面膜厚（20-22）m，内表面膜厚（12-14）m（空腔最低膜厚10m）。单台车用阴极电泳涂料由6.2kg降到4.37kg（节省涂料近30%），同时还缩短了电泳时

11、间（由3min降到2.3min），使日产量提高近20%。*逆工序电泳涂装法：被涂物的外板是通常的涂装法（非电泳涂装法），采用粉末静电喷涂法，加热干燥热熔融，降低导电性，随后进行电泳涂装，使内表面和外板的表面涂装完全。此法的特点是内表面的泳透力高，缺点是两涂膜重叠结合面的质量问题。2、阴极电泳涂装的工艺参数（槽液的ph值、泳涂电压和烘干温度）第一代阴极电泳涂料配制的槽液ph约为5.0左右，对槽液的稳定性虽有益，可是槽液的ph值小于5.9，对电泳设备的腐蚀较严重。为此，改进阴极电泳涂料用树脂的水溶性，使槽液的ph值提升到5.9以上。第一代阴极电泳涂料的泳涂电压较低，烘干固化温度较高（175-185

12、）；泳涂电压较低，影响泳透力；烘干固化温度偏高，不利于节能减排。烘干温度每降低10，约节能10%左右，为节能和减少加热分解物，阴极电泳涂料的固化性能有较大改进，烘干温度可降到（150-160）。但有的轿车车身采用高强度钢板和铝合金板制件，为使这些部件表面硬化须热处理（185 20min），并与阴极电泳涂膜烘干一起进行，在这种场合降低阴极电泳涂料的烘干温度就无意义了。3、电泳涂装的环保性：电泳涂料本来已属环保型电泳涂装专用的水性涂料，可是按高标准的环保要求，一般的阴极电泳涂料尚含有一定量的voc（挥发性有机化合物）和铅、锡等对环境有害的物质。阴极电泳涂料中所含的voc的组成是水溶性的醇类溶剂和烘

13、干固化时的分解物（油烟，即加热减量）。在近10多年中多家涂料公司开发成功更环保型的阴极电泳涂料，如无铅、无锡的阴极电泳涂料、voc含量低的阴极电泳涂料和加热减量低的阴极电泳涂料，并都相继获得工业应用。4、阴极电泳涂膜的耐腐蚀性：阴极电泳涂膜的耐腐蚀性常用盐雾试验和交变腐蚀试验来评价（方法详见参考文献1、p181-183）。盐雾试验是单纯在盐雾环境下考核样件的腐蚀情况、交变腐蚀试验即有盐雾环境、又有湿热环境和常温环境，条件比单纯盐雾试验苛刻，一般阴极电泳涂膜的耐盐雾性720小时，交变腐蚀试验只能通过（20-25）循环。基于阴极电泳涂膜的对底材金属的附着性非常优良，涂膜受伤处的锈蚀不向表面（横向）

14、扩蚀，而有向垂直方向扩大的倾向，即就是汽车车身使用过程中的疤形腐蚀，并导致在放置时产生“穿孔腐蚀“的悬念。近年来研究阴极电泳涂料与各种底材（钢板、各种镀锌钢板、铝合金板等）、涂装前的磷化处理工艺的配套性，开发成功配套性优良、耐腐蚀性有较大提高的阴极电泳涂料。5、车身用阴极电泳涂膜的平滑性：为了提高车身涂层的装饰性，希望阴极电泳涂膜在固化过程中具有较好的展平性，它不仅能改善被涂物表面的粗糙度，还会为随后的涂层创造平滑性良好的基底。阴极电泳涂膜的平滑性用测定涂膜的粗糙度（ra）来表示。作者根据阴极电泳涂料·涂装的上述实用特性和它们在近30年中的演变状况及发展水平，将阴极电泳涂料的发展历程

15、暂划分为三代，详见表1所示。读者可根据你所选用的阴极电泳涂料的.涂装的特性及涂膜性能查表对号入座，来评价属于哪一代或介于哪两代之间。表1 阴极电泳涂料的发展历程一览表 发展历程特性第一代第二代第三代备注工艺参数：槽液ph施工电压烘干温度（）较低5.6电压较低1751855.9电压较高1601756.1±0.1电压较高160170保温时间20min左右泳透力：a一汽钢管法b福特盒法c 4枚盒法（g/a）一般泳透力80%左右30%20%高泳透力95%60%40%超高泳透力80%60%以上计算方法：a管内膜高/管外膜高x100b盒内壁膜高/盒内 外壁膜高x100c g面膜厚/a面膜厚x10

16、0环保性：槽液中voc含量haps（有害物质）加热减量（%）5-8%含铅、锡1024%含铅、锡<6<2%无铅、锡、 无其它haps更低目标voc含量为0耐腐蚀性：a盐雾b循环交变500h10个循环720h20个循环1000h40个循环与转化膜配套后的耐腐蚀性能涂膜粗糙度（ra）>0.40.3-0.4<0.3相对应的产品型号8603ced、hs-88、hs-95、h11-98、h11-96、th11-92hb2000、hb2000lb、hb1500、ed4、ed-5000、eeg06305/eeb060、ec3000（100）p6000cx、p8000cx、fame co

17、at、kt-10lf、kt-500、ec3000（200）、ek3000am 、cgs310、pn-310、jf-100lf、wr-300阴极电泳涂料·涂装的发展趋势在当今建设环境友好型、资源节约型社会，使国民经济能持续发展的社会要求下，和市场竞争激烈、只有优质低成本才有竞争力的大环境下，根据上述发展历程及有关文献资料，作者预测阴极电泳涂料·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、根据各种被涂物产品技术标准和用户

18、的需求，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功能的阴极电泳涂料的。如锐边耐蚀性阴极电泳涂料、耐候性（耐uv型）阴极电泳涂料（供底面合一涂装或与金属闪光色面漆配套的两涂层涂装使用）、厚膜阴极电泳涂料（含粉末阴极电泳涂料）等；3、进一步提高阴极电泳涂料·涂装工艺的环保性，开发采用voc含量更低的、固化时分解物更少和无haps的阴极电泳涂料；依靠ed-ro技术提高水的利用率，实现电泳涂装污水“0”排放。4、开发采用节能减排型的阴极电泳涂料·涂装技术。如在国外已着手进行的项目有：1）开发采用省搅拌型的阴极电泳涂料，除在工作时间需搅拌外，停产时和节假日可停止搅拌（最长可达10天不需搅拌）。因而可不设备用电源，削减停产时循环搅拌