涂装技术：汽车的现代电泳涂装工艺

    关键词：现代汽车；电泳涂装；质量检测

    0前言

    电泳涂装与其他涂装方法相比较,具有下述特点：

    1)采用水溶性涂料,以水为溶解介质,节省了大量有机溶剂,大大降低了大气污染和环境危害,安全卫生,同时避免了火灾的隐患；2)涂装效率高,涂料损失小,涂料的利用率可达90%～95%；3)涂膜厚度均匀,附着力强,涂装质量好,工件各个部位如内层、凹陷、焊缝等处都能获得均匀、平滑的漆膜,解决了其他涂装方法对复杂形状工件的涂装难题；4)生产效率高,施工可实现自动化连续生产,大大提高劳动效率；5)设备复杂,投资费用高,耗电量大,其烘干固化要求的温度较高,涂料、涂装的管理复杂,施工条件严格,并需进行废水处理；6)只能采用水溶性涂料,在涂装过程中不能改变颜色,涂料储存过久稳定性不易控制。

    1影响电泳涂装的主要工艺参数

    1)电压

    电泳涂装采用的是定电压法,设备相对简单,易于控制。电压对漆膜的影响很大:电压越高,电泳漆膜越厚,对于难以涂装的部位可相应提高涂装能力,缩短施工时间;但电压过高,会引起漆膜表面粗糙,烘干后易产生橘皮现象;电压过低,电解反应慢,漆膜薄而均匀,泳透力差。电压的选择由涂料种类和施工要求等确定,一般情况下,电压与涂料的固体分及漆温成反比,与两极间距成正比,钢铁表面为40～70V,铝和铝合金表面可采用60～100V,镀锌件采用70～85V。

    2)电泳时间

    漆膜厚度随着电泳时间的延长而增加,但当漆膜达到一定厚度时,继续延长时间,也不能增加厚度,反而会加剧副反应；反之,电泳时间过短,涂层过薄。电泳时间应根据所用的电压,在保证涂层质量的条件下,越短越好。一般工件电泳时间为1～3min,大型工件为3～4min。如果被涂物件表面几何形状复杂,可适当提高电压和延长时间。

    3)涂料温度

    涂料温度高,成膜速率快,但漆膜外观粗糙,还会引起涂料变质；温度低,电沉积量少,成膜慢,涂膜薄而致密。施工过程中,由于电沉积时部分电能转化成热能,循环系统内机械摩擦产生热量,将导致涂料温度上升。一般漆液温度控制在15～30℃。

    4)涂料的固体分和颜基比

    市售的电泳涂料固体分一般为50%左右,施工时,需用蒸馏水将涂料固体分控制在10%～15%。固体含量太低,漆膜的遮盖力不好,颜料易沉淀,涂料稳定性差;固体分过高,黏度提高,会造成漆膜粗糙疏松,附着力差。一般颜基比为1∶2左右,高光泽电泳涂料的颜基比可控制在1∶4。

由于实际操作中,涂料的颜料量会逐渐下降,必须随时添加颜料分高的涂料来调节。

    5)涂料的pH值

    电泳涂料的pH值直接影响槽液的稳定性。pH值过高,新沉积的涂膜会再溶解,漆膜变薄,电泳后冲洗会脱膜;pH值过低,工件表面光泽不一致,漆液的稳定性不好,已溶解的树脂会析出,漆膜表面粗糙,附着力降低。一般要求施工过程中,pH值控制在7.5～8.5之间。在施工工程中,由于连续进行电泳,阳离子的铵化合物在涂料中积蓄,导致pH值的上升。可采用补加低pH值的原液、更换阴极罩蒸馏水、用离子交换树脂除去铵离子、采用阳极罩等方法降低pH值等方法来解决，若pH值过低时,可加入乙醇铵来调节。

    6)涂料电阻

    被涂物件从前一道工序带入电泳槽的杂质离子等引起涂料电阻值的下降,从而导致漆膜出现粗糙不均和针孔等弊病。在涂装施工中,需对涂料进行净化处理,为了得到高质量涂膜,可采用阴极罩设备,以除去铵及钙、镁等杂质正离子。

    7)工件与阴极间距离

    距离近,沉积效率高;但距离过近,会使漆膜太厚而产生流挂、橘皮等弊病。一般距离不低于20cm。对大型而形状复杂的工件,当出现外部已沉积很厚涂膜,而内部涂膜仍较薄时,应在距离阴极较远的部位,增加辅助阴极。

    2电泳涂装工艺及现状

    1977年开发成功能成倍提高涂层耐腐蚀性的高渗透力阴极电泳涂料和阴极电泳涂装法后,现代电泳涂装以高泳透率的阴极电泳涂装逐步替代阳极电泳涂装,至今采用阴极电泳涂装法涂底漆的汽车车身达90%以上。阴极电泳涂装工艺经近些年的不断完善,现已成为汽车涂装中最成熟的涂底漆(或底面合一涂层)先进技术之一,阴极电泳涂料也正处于成熟的一代。为适应日益严格的环保法规,防止公害和降成本的要求,阴极电泳涂料及其涂装工艺上将有以下的革新:

    （1)通过原材料的成本分析、采购计划、制造工艺的合理化及产品的新配方等各种途径,使电泳涂料在保证标准质量的基础上更廉价化。在保持现行的漆膜质量和操作性能不变的同时,用这种涂料可降低涂装成本。（2)开发采用无重金属、挥发性有机物(VOC)含量低和无高层空气污染(HAPS)的阴极电泳涂料。无铅阴极电泳涂料(有的甚至不含锡)在欧洲已有几条车身涂装线采用。为减轻大气污染、努力降低VOC含量,目标是降到零,并消除HAPS。（3)为节能和降成本,开发采用低温快速固化型阴极电泳涂料和低发烟、低油腻、低臭、低加热减量的阴极电泳涂料,可降低烘干室的维护成本,减少臭气,改善操作环境和地区环境。（4)根据汽车零部件对涂层性能的不同需要,不断改善阴极电泳漆膜的性能。如为提高零部件的边角的耐腐蚀性,开发边角覆盖型与厚膜型配合车用零部件的电泳涂装。（5)采用超滤(UF)与反渗透(RO)配套装置,实现电泳后清洗完全循环封闭,进一步提高电泳涂料的利用率,减少纯水量。

    3电泳涂装的方法及技巧

    一般金属表面的电泳涂装,其工艺流程为：

    预清理→上线→除油→水洗→除锈→水洗→中和→水洗→磷化→水洗→钝化→电泳涂装→槽上清洗→超滤水洗→烘干→下线。

被涂物的底材及前处理对电泳涂膜有极大影响。铸件一般采用喷砂或喷丸进行除锈,用棉纱清除工件表面的浮尘,用80#～120#砂纸清除表面残留的钢丸等杂物。钢铁表面采用除油和除锈处理,对表面要求过高时,进行磷化和钝化表面处理。黑色金属工件在阳极电泳前必须进行磷化处理,否则漆膜的耐腐蚀性能较差。磷化处理时,一般选用锌盐磷化膜,厚度约1～2μm,要求磷化膜结晶细而均匀。

    在过滤系统中,一般采用一级过滤,过滤器为网袋式结构,孔径为25～75μm。电泳涂料通过立式泵输送到过滤器进行过滤。从综合更换周期和漆膜质量等因素考虑,孔径50μm的过滤袋最佳,它不但能满足漆膜的质量要求,而且解决了过滤袋的堵塞问题。电泳涂装的循环系统循环量的大小,直接影响着槽液的稳定性和漆膜的质量。加大循环量,槽液的沉淀和气泡减少；但槽液老化加快,能源消耗增加,槽液的稳定性变差。将槽液的循环次数控制6～8次/h较为理想,不但保证漆膜质量,而且确保槽液的稳定运行。

    随着生产时间的延长,阳极隔膜的阻抗会增加,有效的工作电压下降。因此,生产中应根据电压的损失情况,逐步调高电源的工作电压,以补偿阳极隔膜的电压降。

    超滤系统控制工件带入的杂质离子的浓度,保证涂装质量。在此系统的运行中应注意,系统一经运行后应连续运行,严禁间断运行,以防超滤膜干枯。干枯后的树脂和颜料附着在超滤膜上,无法彻底清洗,将严重影响超滤膜的透水率和使用寿命。超滤膜的出水率随运行时间而呈下降趋势,连续工作30～40d应清洗一次,以保证超滤浸洗和冲洗所需的超滤水。电泳涂装法适用于大量流水线的生产工艺。电泳槽液的更新周期应在3个月以内。以一个年产30万份钢圈的电泳生产线为例,对槽液的科学管理极为重要,对槽液的各种参数定期进行检测,并根据检测结果对槽液进行调整和更换。一般按如下频率测量槽液的参数：电泳液、超滤液及超滤清洗液、阴(阳)极液、循环洗液、去离子清洗液的pH值、固体含量和电导率,每天一次；颜基比、有机溶剂含量、试验室小槽试验每周2次。

    对漆膜质量的管理,应经常检查涂膜的均一性和膜厚,外观不应有针孔、流挂、橘皮、皱纹等现象,定期检查涂膜的附着力、耐腐蚀性能等物理化学指标。检验周期按生产厂家的检验标准,一般每个批次都需检测。

    4应用现状

    (1)新一代阴极电泳漆的主要特点。PPG公司开发的第6代产品阴极电泳漆已经投放市场,已开始商业化,实验室内已开发成功第8代产品,更新一代产品的开发已经开始。新一代阴极电泳漆的主要特点是：泳透率高、颜基比低、边角覆盖效果好、无铅无锡,双层电泳也已研制成功。各大公司的第5代阴极电泳漆的泳透率均有较大幅度的提高,经测定,当表面膜厚相同时,可以提高30％～40％,PPG公司开发的第6代产品,泳透率可以提高50％左右。

    (2)边角耐蚀性好的电泳漆发展迅速。由于电化学作用和固化收缩,造成锐尖边角或毛口处的涂层特别薄,甚至几乎没有,从而形成这些部位的早期腐蚀。新一代的电泳漆,通过添加有机高聚物和无机添加剂,提高了锐边的耐蚀性。用刀片在同样条件下涂装后,进行盐雾实验,当常用电泳漆已产生1130个锈点时,高边角效应的电泳漆尚无锈点产生,是典型的高边角效应电泳漆,边缘覆盖效果也十分好。

  (3)无铅、无锡阴极电泳是电泳漆发展过程中一项重大改进。铅是一种毒性很强的元素,但在电泳漆的防腐蚀催化、钝化和加速交联等方面有重要作用,要去除铅和性能相似的锡是一个很难的课题。上海大众有3条涂装线使用无铅无锡电泳漆,立邦涂料、PPG的EC6350不含铅、锡,也不含其它重金属,PPG通过改进树脂去除了铅,各种性能试验表明,其性能与含铅电泳漆相比毫不逊色。

    (4)双层电泳的开发成功是涂装过程的一次革新。因为通过二次电泳,目前使用的中涂完全被省略了,从而简化了工艺,减少了人员,提高了涂料利用率,最高可达98％,并且进一步提高了车身的抗腐蚀能力,降低了成本。此外,降低电泳漆的烘干温度,可以节省能源和降低加热减量。加热减量从15％左右降到了4％以下。溶剂的含量从2％～3％降到了0.4％～0.8％,大大降低了VOC的排放,用无机酸代替有机酸可以有效地防止细菌的生长。

    电泳涂装采用超滤技术后,实现了半封闭循环清洗,提高了电泳漆的利用率。反渗透技术已在水处理应用方面取得了显著效果,为了进一步减少电泳涂装的废水排放量,提高电泳漆的回收率,一些大公司已尝试将RO技术应用于电泳涂装。只要在原有工艺中加装RO设备,可以实现。

    5车身电泳漆膜现场常规质量检测项目

    车身电泳漆膜现场常用的质量检测,主要是检查涂层光泽、涂层抗冲击强度、涂层柔韧性、涂层附着力、涂层硬度和涂层厚度等物理机械性能。

    (1)涂层光泽

    在涂装施工现场,涂层光泽是一个经常要检测的项目,可以用便携式光泽仪进行检测。为了提高测量的灵敏度,对于不同的光泽度范围,应该选用不同角度的光泽仪进行测量。

    (2)涂层抗冲击强度

    冲击强度是测试涂层在高速负荷作用下的变形程度。涂层抗冲击的能力与其伸张率、附着力和硬度有关,样板受冲击部分距边缘距离应不少于15mm,测定涂层冲击强度时,每个样板上各冲击点的边缘距离亦不得少于15mm。

    (3)涂层柔韧性

    汽车在涂装后,要经常受到使其变形的外力影响,例如在转运、装配、调试及运输过程中,甚至于外界温度的剧烈变化而引起的热胀冷缩都将引起涂层开裂以致于脱离基材表面。涂层柔韧性测定就是评价涂层抗开裂并(或)从被涂物体上剥离的能力的方法之一。涂层绕轴棒弯曲时,并非是单纯检验涂层的弹性,而是涂层某些综合性能的反映,如抗拉强度、抗张强度、涂层与基底的附着力等,但一般统称为涂层的柔韧性测定。

    (4)涂层附着力

    良好的附着力对被涂产品的防护效果是至关重要的,其好坏取决于2个关键因素：一是涂层与被涂物表面的结合力；二是涂装施工质量,尤其是表面处理的质量。涂层与被涂物表面之间的结合力可分为3种类型：化学结合、机械结合和极性结合。通常是某2种或3种结合方式同时发挥作用使涂层粘附在被涂物体表面。表面处理的目的就是尽可能地消除涂层与被涂物体表面结合的障碍,提供较为粗糙的表面,加强涂层与被涂物表面的机械结合力。

常用的测试涂层附着力的方法有划圈法、划格法、胶带法、拉开法等,具体采用何种方法由各汽车生产厂家灵活对待。

    (5)涂层硬度

    硬度是表示涂层机械强度的重要性能之一,其物理意义可理解为涂层被另一种更硬的物体穿入时所表现的阻力。

    (6)涂层厚度

    在汽车涂装施工过程中,亦要求控制涂层的适当厚度,否则将影响涂层的外观质量,例如一次涂得过厚易造成流挂、起皱等弊病；而涂得太薄则不易流平,且在一定的涂层厚度范围内需要涂覆的道数增加,而涂装费用也随之提高。测试涂层厚度可以随时检查涂装施工质量是否符合要求,一旦发现问题可以随时补救,从而可以避免由于涂层厚度不够而达不到防护要求的现象发生。

    6结论

    电泳漆是最早开发的水性涂料,它的主要特点是涂装效率高、经济安全、污染少,可完全实现自动化管理。经过20多年的发展,目前第5代阴极电泳漆已在世界各地汽车厂的生产线上获得广泛应用。