電泳涂裝技術在鋁型材行業的應用

　　前言

　　近年來, 隨著我國國民經濟的快速發展, 人民消費水平不斷提高, 建筑市場進一步保持迅猛發展勢頭, 這對于鋁合金型材加工企業無疑是一次良好發展契機。由于電泳涂裝鋁型材具備高耐蝕、耐候、裝飾性能等優點, 電泳涂裝技術在鋁型材行業得到了充分發展, 目前, 甚至有取代普通中低檔氧化鋁型材的趨勢。但是, 因電泳技術應用于鋁型材行業起步較晚, 生產廠家控制水平參差不齊, 往往因電泳槽液控制不好而導致出現產品質量問題, 作者從幾個方面對漆膜電沉積量和表面質量進行了研究, 并提出了相應的改進措施。

　　1　鋁型材電泳涂裝機理

　　111 　工藝參數

　　陽極電泳漆主要工藝參數有pH 值、固體份、電導度、溶劑含量、中和度等。對于每一種電泳漆, 其工藝參數均有一個特定的范圍。這些參數值是確保理想電沉積量和漆膜性能的基礎。

　　112 　電泳涂裝的四大過程

　　11211 　電解過程

　　水的電解反應, 或者稱為OH- 離子的分解反應, 其電極反應如下:

　　2H2O=O2 + 4H+ + 4e －－(1)

　　或者改寫為:

　　2OH-=O2 + 2H+ + 4e－－(2)

　　4OH-=O2 + 2H2O + 4e －－(3)

　　等式右邊的電子在陽極釋放。

　　11212 　鋁材金屬的溶解過程(鋁的氧化過程)

　　Al=Al3 + + 3e －－(4)

　　Al + 3OH-=Al2O3 + 3H+ + 3e －－(5)

　　11213 　電沉積過程

　　由于水分子的電解, 在陽極表面產生一層pH為2～3 的薄層, 如圖1 所示, 使得帶負電荷樹脂離子獲得H+ 而析出, 沉積在陽極工件上, 電極反應式如下:

　　RCOO- + H+=RCOOH ↓ －－(6)

　　RCOO- 代表丙烯的陽極電泳涂料電離后產生的水溶性陰離子群體。另外, 由于11212 的過程, 鋁發生氧化反應,析出的Al3 + 亦能與丙烯酸系陽極電泳涂料電離產生的水溶性陰離子群體發生反應, 沉積在鋁工件表面, 電極反應式為:

　　3RCOO- + Al3 +=Al (RCOO) 3 ↓ －－(7)

　　工件表面的濃度變化梯度

　　11214 　電滲透過程

　　電沉積之后, 膜中含有水份, 由于電滲透壓的緣故, 水份從膜中滲透到槽液中, 因此, 膜中水份含量很低, 約2 %～5 % , 槽液含水量在85 %以上,故烘烤前可指觸, 可噴淋沖洗, 但會影響表面平整度。

　　2 　電泳涂裝電沉積量與相關工藝參數的關系

　　鋁型材電泳涂裝工藝流程為: 半成品→前處理→陽極氧化→水洗→水洗→純水洗→著色→水洗→水洗→熱水洗→電泳→水洗→水洗→瀝干→烘烤→成品。

　　211 　pH 值與電沉積量的關系

　　從電沉積機理中可以看出, 電沉積反應主要為H+ 與丙烯酸高分子電離后的陰離子發生中和反應,因此丙烯酸陰離子在陽極上獲得H+ 難易程度決定了電沉量的多少, 在鋁型材陽極氧化膜表面實施陽極電泳, 電壓在100～180V 的范圍內變化, 因此,為了進一步弄清楚電沉積的本質, 有必要介紹一個水的電解反應, 電沉積過程中O2 的析出反應方程式為:

　　4OH-=2H2O + O2 + 4e－－－ (8)

　　那么, 析O2 反應平衡的能斯特等式為:

　　E2 ,eq=EO2 + (RTP4F) ln (a2H2O3 PO2Pa4OH- ) －－－(9)

　　在25 ℃時, O2 的標準平衡電極電位EO2 為013976V , 氧氣壓強PO2 視為1。此時, 等式簡化為:

　　EO2,eq=EO2+ 0101475log(aOH- ) - 4 －－－(10)

　　從(10) 式中可知, EO2 ,eq 值僅與槽液中的aOH- 濃度有關, 即與槽液pH 值有關。目前, 鋁型材陽極電泳涂料槽液pH 值范圍在6～9 之間, 下面分別計算pH=6 和pH=9 時的EO2 ,eq值:當pH=6 時,aOH-=10 - 8 ;代入等式(10) ,可得:

　　EO2,eq=013976 + 0101475log(10- 8 ) - 4=018696

　　當pH=9 時,aOH-=10 - 5 ;代入等式(10) ,可得:

　　EO2 ,eq=013976 + 0101475log(10 - 5 ) - 4=016926EO2 ,eq值越大, 析O2 反應(式(8) ) 相對更難進行。從以上計算可知, 當pH 值較高時, 析氧O2反應更容易進行, 而在低pH 值時要使O2 析出,則需要更高的電壓。由于發生電沉積反應的前提是水的電解, 水的電解需要更高的電壓時證明了電沉積反應更難, 當其它條件相同時, 電沉積量會更少, 因此, 槽液的pH 值不能過低。此外, 針對于鋁型材陽極電泳漆, 根據其存在于水溶液中涂料系統的穩定性, pH 值存在上限值,一般是9。當pH 值偏高, 接近上限, 甚至超過上限時, 槽液中每個膠粒結構單元的尺寸會減小, 使系統的穩定性提高, 此時整個槽液相當穩定, 即每一個結構單元可離子化組分都會電離, 同時也會導致槽液的電導率上升, 此時電沉積將變得相當困難, 嚴重時, 工件上的電沉積量將不再增加, 這也就是部分生產線上即便采取很多措施, 所得到的漆膜厚度仍達不到要求的直接原因。

　　212 　雜質離子與電沉積量的關系

　　在探索電沉積量時, 筆者發現, Cl - 對電沉積量的影響較大。針對兩種不同涂料類型, 對Cl - 含量進行單因子實驗, 在電壓為120V 條件下, 通過測量Cl - 含量, 分析槽液的固體分含量, 折算出電沉積量與Cl - 濃度的關系如圖2 所示:

　　(A、B 代表兩種不同的電泳涂料類型)

　　圖2 　Cl - 含量對電沉積量的影響

　　由圖2 可以看出, 電沉積量與Cl - 含量呈一定的線型關系, 當Cl - 含量≤30PPM 時, 電沉積量隨Cl - 含量增大而增大, 當Cl - 含量超過30PPM, 電沉積量隨Cl - 含量增大而減小, 涂料類型不同電沉積量有小幅差異。此外, 在陽極施加不同的電壓, 電沉積量隨電壓的升高而增大, 對于不同的涂料類型, 電壓升高之后, 電沉積量升高有小幅度的差異。

　　213 　槽液溫度與電沉積量的關系

　　槽液溫度發生變化, 電沉積量的變化與之有正比關系, 這與電壓變化時, 電沉積量發生變化的情況類似。實驗溫度從18 ℃升到30 ℃, 在極間電壓為120V 時, 電沉積量從10gPm2 升到18gPm2 。溫度的變化對漆膜表面質量影響較大。溫度在下限時, 因漆液熱流動性低, 在斷面復雜型材表面易產生氣泡, 溫度高時, 容易導致表面粗糙、凹凸不平等漆膜缺陷, 生產中溫度控制在20～22 ℃。

　　3 　漆膜表面缺陷及改進措施

　　311 　表面粗糙

　　由于槽液組成或工藝條件不合適, 漆膜表面產生粗的凹凸, 常見的漆膜外觀變為桔皮狀的異常外觀。這種缺陷一般在整個漆膜表面都產生, 但漆膜厚度差異較大時, 粗糙表面往往集中在厚膜部位。桔皮狀的異常外觀產生原因有幾個方面如槽液的固體份低下、pH 值偏低、槽液的中和度太高,導致漆膜表面溶解差異等。

　　312 　表面流痕

　　這種缺陷主要在臥式生產線產生, 且主要集中于材料上、下表面。鋁型材表面形成漆膜后, 在含有有機溶劑的水槽中清洗, 目前應用于鋁型材電泳涂漆的溶劑的兩種: 一種為乙二醇丁醚, 另一種為異丙醇, 前一種溶劑主要起助溶作用, 同時對漆膜本身有一定溶解作用, 后一種溶劑主要起消泡、流平作用, 減小水的表面張力, 同時能提高漆膜干燥速度。而往往導致這種表面流痕缺陷, 主要是因為水本身具有很高的表面張力。因此, 溶劑的含量是否合理與是否產生這種缺陷有直接的關系, 一般控制異丙醇含量≥2 %。

　　4 　結語

　　為得到理想的電沉積量, 獲得良好的表面質量, 槽液的pH 值一般控制在6～9 的范圍, 溫度控制在20～22 ℃, 雜質離子Cl - 含量≤30PPM。另外,應當控制好溶劑的含量以獲得良好的表面質量, 尤其是異丙醇的含量要控制在2 %以上。

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