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    國內外陰極電泳涂裝的應用及發展

     引言

        電泳涂料源于20世紀30年代,從20世紀60年代中期開始研究合成陽離子型樹脂,并于20世紀70年代初用于對耐腐蝕性能要求高的家用電器上作底漆,隨后逐漸開發出了耐蝕性能更高且具有裝飾性效果的陰極電泳涂料,由于其具有優良的防腐蝕性、高泳透率、高流平性、高裝飾性且涂裝自動化程度高、涂裝污染少等特點,廣泛應用于機動車工業中,并推廣應用到建材、輕工、家用電器等工業領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

        1)與傳統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可比擬的優越性:涂底漆工序可實現完全自動化,適用于大流水生產;可得到均一的膜厚;泳透性好,提高了工件內腔的防腐蝕性,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,烘干時有較好的展平性。

        2)與陽極電泳涂裝法相比,它具有如下優點:被涂物不發生陽極溶解,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(如含氮基團),耐腐蝕性和泳透力均高于陽極電泳涂料,因而使被涂物的內腔和焊縫泳涂得更好。

        2陰極電泳涂裝的應用

        目前,世界汽車生產中有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月開始投建汽車車身陰極電泳涂裝線至今,這兩個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際市場上獲得競爭能力,繼美國之后,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。我國汽車工業于20世紀80年代中期應用陰極電泳漆,如今第二汽車制造廠的東風汽車車身,大眾的桑塔納,還有奧迪、標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,已經在美國汽車制造廠中使用。其代表產品有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,其主要性能改進是使漆膜表面粗糙度下降。

        由于陰極電泳涂料有著優良的防腐蝕、滲透性和裝飾性能,不但應用在汽車行業中,還廣泛地應用在其它行業中。如在建筑材料中,防火門、鋼窗等涂裝耐候性好的雙涂層的環氧樹脂陰極電泳涂料,鋼制家具和間壁材料使用丙烯酸樹脂系陰極電泳涂料。在五金行業中,電泳鎖具、金屬眼鏡架、自行車部件、文具、皮箱扣、打火機等用品,均取得了令人滿意的效果。

        除此之外,陰極電泳還應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的催化劑,能獲得催化性好,機械穩定性的電極。將固態熱解反應制備的高純氧化鋅粉末通過電泳沉積的方法生成高質量的氧化鋅薄膜,這種薄膜能夠在室溫下發射出波長為390nm的紫外線。

        3國外陰極電泳發展概況

        陰極電泳涂裝最先在美國應用。早在20世紀6。年代中期聯邦德國BASF公司和美國PPG公司首先進行了陽離子型樹脂的合成(即陰極電泳的研究)。1971年美國的PPG公司開始應用第一代陰極電泳漆。先在菲利普公司的電冰箱、洗衣機以及干燥機等耐腐蝕性能要求高的家用電器上作底漆。1976年6月美國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年開始正式用陰極電泳漆為底漆來涂裝汽車車身。1978年美國通用汽車公司和福特汽車公司基本上把原來使用的65條陽極電泳涂裝生產線改用新的陰極電泳涂裝生產線。1977年日本和英國由美國PPG公司引進技術以后,他們的汽車涂裝從1978-1979年也向陰極電泳涂裝轉化。到1978年底初步統計,世界上約有120條陰極電泳涂裝線,其中美國有70條以上,日本有20條,歐洲有10條。

        由于美國、日本、德國等許多涂料公司的不懈開發,20世紀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80年代末期,國際上形成了三大體系:以美國PPG公司為開端的防銹蝕陽離子型電泳涂料;以德國Hoechst公司為先驅的轎車、卡車用陽離子型電泳底漆;以日本神東、關西涂料公司為代表的改進型陽離子電泳涂料。

        20世紀90年代后相繼開發和發展了多種性能優異的陰極電泳涂料,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脂發生聚合架橋反應的固化方式,在低溫的條件下短時間內就能完成涂料的固化過程。它能提高生產效率,同時具有節約能源、防止環境污染等許多優點。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品外還用于金屬鍍層上的裝飾、防腐,金屬蒸發膜上的保護,受熱易變形材料上的涂裝和電子產品及精密產品上的封閉、印刷等的加工。目前國內外研究的UV固化陰極電泳涂料的基體樹脂主要集中于丙烯酸樹脂、環氧樹脂及聚氨醋。

        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,能自發的直接產生相分離,在成膜過程中分成兩個連續的不同功能涂層,形成不同組成的復合涂層系統,每層顯示出不同的特性。這種一次施工的多層涂層,不僅節約了勞動力,而且解決了多層涂裝系統的層間附著力問題。其機理有如下幾種:重力作用機理,選擇性潤濕機理,不同滲透速率機理,顏料潤濕機理,界面張力梯度機理,相收縮機理現在市場上開發研究的耐候性陰極電泳涂料就屬于自分層涂料的一種。這種涂料樹脂的主要組成為環氧系樹脂和丙烯酸系樹脂,利用兩者表面張力的不同,烘烤時表面張力大的環氧樹脂沉于下層,表面張力小的丙烯酸樹脂浮于表面層,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形成大小不同的棱邊和尖角。這些邊角在涂裝時,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生熱流動,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分子質量樹脂作為涂膜加熱時的流動調整劑,并通過流變學控制技術,使徐膜邊角覆蓋性和表面平整性得以兼顧,成功開發了邊角防銹型涂料。這種涂料在涂膜熔融時,由于高相對分子質量樹脂添加劑的作用而抑制了涂膜的熱流動性,達到固化溫度后,由于該樹脂自身的熔融和交聯反應而形成均勻的涂膜。

        從陰極電泳涂料的發展狀況來看,總的發展趨勢是:漆膜厚度由薄到厚,泳透率由低到高,有機溶劑含量由高到低,烘干溫度由高到低。

        4國內陰極電泳發展概況

        我國于1976年開始陰極電泳涂漆的研究。第一代陰極電泳涂料由當時的兵器部五四研究所(現改為五九所)于1979年首先研制成功,并在軍工產品上得到了一定的應用。隨后上海涂料所、蘭州涂料所、沈陽、北京、天津等大中型造漆廠也做了大量陰極電泳涂料的開發研制工作。在“六五”期間我國涂料工業從日本、澳大利亞和英國引進了陰極電泳涂料制造技術和涂料技術。前幾年我國先后從美國、德國、意大利等國引進先進涂料技術和涂裝設備。第一條現代化流水生產的汽車車身陰極電泳涂裝生產線于1986年7月在第一汽車制造廠車身廠投產。隨后第二汽車制造廠和濟南車身陰極電泳線相繼投產,在我國汽車工業中形成了陰極電泳涂裝替代陽極電泳涂裝趨勢。到1990年底共建成投產的陰極電泳涂裝線有21條(其中車身涂裝線16條)。至1994年底投產的已接近40條,還有幾條生產能力為10萬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年我國已有幾十條生產線投產,僅十萬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線)已于2000年之前建成投產。今天陰極電泳漆已占汽車涂裝市場的大部分。

        5陰極電泳涂料的發展方向

        陰極電泳涂料經過30年的發展,國際上以美國PPG公司和德國Herberts公司為代表的涂料供應商不斷采用新技術,開發新產品,使電泳涂料不斷更新換代。新一代的陰極電泳涂料應具有以下特點:

        1)新一代陰極電泳涂料的泳透率應進一步提高。泳透率越高,車身內部膜厚就越均勻,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。電泳過程中,一些邊緣部分由于涂料電化學作用,造成邊角涂層特別薄,從而腐蝕易在此處發生,通過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脂的比例,降低它可以增加樹脂的含量,提高涂料的流動性,降低膠體的沉降整速率,減少顏料絮凝和保護泵,降低材料消耗。

        4)降低溶劑量。溶劑含量越高對環境污染越大,不利于工作。降低它有利保護環境,節約投資。

        5)無鉛無錫,更趨環保型。鉛在電泳涂料的防腐蝕催化、鈍化和加速交聯等方面起著重要作用,但含鉛的顏料對裸鋼板的防腐蝕影響很大,且鉛本身是毒性很強的元素,環保上對其限制甚嚴。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改進樹脂去除鉛等重金屬,更有利于環保陰極電泳涂裝的涂層均勻性和優良耐蝕性、生產性以及低污染性對涂裝今后的發展起著積極的作用,它作為一種涂裝工藝在金屬表面處理的防護、裝飾方面得到廣泛應用。因此,陰極電泳涂裝在涂料開發和應用領域的開拓方面有著很大的潛力。

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