电泳漆

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电泳涂料基础知识简介

1 简介
20世纪的后半个世纪，金属件的涂装涌现了新的技术。这些技术解决了人们要求的降低或完全消除涂料释放易燃有毒有机溶剂的问题。解决这些问题的途径之一是水性涂料的开发。为了防止金属的腐蚀，主要使用以水溶性的离子型聚合物为成膜物的水性涂料。这种体系中电泳涂料就是一种在浸槽中直流电场中涂装物品的特殊涂料。这种方法与目前采用的方法十分接近。只有这种方法才可以赋予复杂工件以均匀的涂膜。现在，采用全封闭循环系统进行涂装。涂料几乎不损失。鉴于此，在提倡环保的21世纪，电泳涂料及涂装技术将继续发展下去。
本文论述此种方法的目前状态及其将来的发展趋势。
2 一些物化数据
电泳涂料是以水溶性离子型聚合物为成膜基料，被涂工件可以是阴极或者是阳极，尽管此种涂料在20世纪40年代后期才出现，且应用很有限，一直到20世纪60年代才以电沉积的方法将这些水性涂料转化成涂膜。这主要是因为是以水为溶剂，由于水的特殊物化性，很高的表面张力。会使涂膜在工件的边缘部位产生流挂，释放困难，造成涂膜在干燥的过程中表面起皱等。但是，这些缺点在通电的漆槽中就得到了克服。电泳涂装的机理，在于离子型聚合物的水溶性会随着pH值的变化而变化。
电沉积过程中，最先发生的电化学反应是水的电解。这样在阳极的周围，呈现很强的酸性，而阴极的周围呈现碱性，阳极电泳是含有-COOA＋多元酸聚合物的胺盐。-COO-基是以阴离子形式在阳极发生沉淀反应的基团，A＋是NH4＋。含羧酸聚合物在阳极形成涂膜。另外由于阳极以及金属件的电化学溶解，在沉积涂膜中含有一部分的阳极金属离子。同时会发生金属阳极的电化学溶解和树脂基料的氧化等副反应。
在阴极电泳涂料里，基料中含有胺基团，通过加入酸中和成盐而水溶，形成带有RnX＋Z-的聚合物，其中Z-为相应的有机酸（多为醋酸和甲酸）基团，RnX＋为聚合物离子。阳离子型基料（环氧、丙烯酸、聚酯、聚氨酯或其他树脂）含有氨基或叔胺基团，在碱性条件下，阴极周围的阳离子基团由于与OH-相互作用，而失去水溶性，并在阴极上以R3N的形式沉积下来。有很多综述及专论对这种涂料及涂装方法进行了详细的论述，这种涂装方法与电泳过程有一定的相似性，但仍存在着差别，电泳过程针对的是一种憎液胶体的运动，而电沉积发生在聚合物溶液的热动态平衡。涂料中的颜填料也通过电沉积过程沉积在电极上，电沉积涂膜是一种高度集中的胶体结构，并含有少量的有机溶剂。
现在，有一些关于电泳涂料的新观点，有不少专刊及文献阐述了这个领域的技术进展。
2.1不同底材上的电泳涂料
涂料与其他聚合物材料不同，它被涂覆在材料的表面，同样体积而言，施工后具有很大的表面积，这样，涂层一方面与底材相接触，另一方面与外部的环境接触，而底材的特性会影响涂层的化学和结构特性。
在物体表面进行涂装，固体物表面可以影响涂层的应力、取向等性能，同样能催化或抑制涂层的化学反应过程，这样，材料的特性以及涂装前工件的前处理对涂膜的机械性能、防护性能、热力学性能以及涂层的使用寿命均有影响。
与传统基于溶剂释放的溶剂型涂料相比，电沉积涂料中齐聚物的沉积伴随着电化学反应的进行而进行，这样，不同的底材上沉积下来的涂膜的化学成分不同，而且，实践证明即使在阴极电沉积涂料中，金属底材也对涂膜的技术参数及性能有影响。涂装进行前处理和生产具有合适特性的电泳涂料尤其重要。近来，在这方面已获得了新的突破。
带电的颗粒在电场作用下向着其电性相反的电极移动，称为电泳(electrophoresis,简称EP)。1937年瑞典科学家Tiselius设计世界上第一台电泳仪，建立”移界电泳法(moving boundary EP)”。由于”移界电泳法”电泳时自由溶液受热后发生密度变化产生对流，始区带扰乱，分辨性不高且加上电泳仪器昂贵，不易推广。故50年间，改进电泳仪及找寻滤纸(paper)、醋酸纤维生素薄膜(cellulose acetate membrane)、淀粉、琼胶糖(agarose) 做为支持介质。60年间更找到聚丙烯酰氨凝胶(polyacrylamide)为支持介质并发展了SDS-polyacrylamide 电泳、等电点电泳、双向电泳和印迹转移电泳等技术。这些技术具有设备简单、操作方便、分辨率高等优点。目前，电泳技术已成为生物化学、免疫学、分子生物学以及密切相关的医学、农、林、牧、鱼、制药、某些工程分析中必不可缺的工具。

电泳原理
一、电荷的来源
        任何物质由于本身的解离作用或表面上吸附其它带电质点，在电场中便会向一定的电极移动。作为带电颗粒可是小的离子，也可是生物大生子，蛋白质、核酸、病毒颗粒、细胞器等。其中，组成蛋白质的氨基酸次单元体为两性物质，在一定的pH条件下可解离带电而形成电荷来源。
二、泳动度
        不同的带电颗粒在同一电场的运速度不同，其泳动速度用迁移率(mobility)来表示。泳动度即带电颗粒在单位电场下的泳动速度。可以下公式计算：
U = v/E = (d/t)/(V/l)=dl/Vt
        一般所带净电荷数越多，颗粒越小，越接近球形，则在电场中泳动速度越快，反之则慢。可见泳动度与球形分子、介质黏度、颗粒所带电荷有关。
三、影响电泳速度的外界因素
影响电泳速度的外界因素之关系可以右式表示 v = εE D / Cη
由此式显示泳动速度(v)与电动电势(ε)，所加的电场强度(E)及介质的介电常数(D)成正比，与溶液的黏度(η)及常数(C)成反比。
1.电场强度：电场强度是指每厘米的电位降，即电位梯度。电场强度越高，则带电颗粒泳动越快。
2.溶液pH ：溶液的pH值决定带电颗粒的解离程度。如对蛋白质而言，溶液pH值离等电点pI越远，则所带净电荷越多，泳动速度越快。
3.溶液的离子强度：离子强度会影响颗粒的电动电势(ε)，缓冲液离子强度越高，电动电势越小，则泳动速度越慢；反之，则越快。
4.电渗现象：液体在电场中，对于一个固体支持物的相对移动，称为电渗(electrosmosis)现象。所以电泳时，颗粒泳动的表面速度力是颗粒本身的泳动速度与由电渗携带颗粒移动的速度和。
5.对支持物的选择：一般要求支持物均匀，吸附力小，否则电场强度不均匀时，会影响区带的分离及实验结果与扫描图谱均法法重复。
6.温度对电泳的影响：电泳过程中由于通电产生焦尔热，热对电泳有很大影响。温度升高时，介质黏度下降，分子运动加快，引起自由扩散变快，迁移率增加。

电泳分类
一.按分离原理分类：可分成区带电泳、移界电泳、等速电泳和聚胶电泳。
二.按有无固体支持物分类：可分成自由电泳、支持物电泳。
        电泳槽的形式也是多种多样，有垂直的、水平的、柱状的、毛细管的等不同型态。由此可见电泳种类很多，其基本原理相同，但因不同的支持物或凝胶而有各自的特性。电泳技术在生物科技中，已是不可获缺的技术，对于电泳分离技术的了解有助于研究的重要环节上，可以各种类型的电泳分离技术解决。