阴极电泳涂料的研究现状和发展动态

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摘要：介绍了阴极电泳涂料的开发过程，概述了阴极电泳涂料的特点，不同类型阴极电泳涂料的工艺路线及工位作用，重点介绍了发展较快的几类阴极电泳涂料，并对阴极电泳涂料的发展动态做出了简要的概述。
关键词：阴极电泳涂料；水性；研究现状；发展动态

Cathodic electrophoretic coating Research and Development Dynamic

He Hai-liang  Li jian

(Hunan
Xiangjiang Kansai Paint Co. Ltd., Changsha, Hunan 410003)

Abstract: This paper presents the development of cathodic electrophoretic coating
process, outlined cathodic electrophoretic coating characteristics, different types of cathodic electrophoretic coating line and the bit role, focusing on the rapid development of several types cathodic electrophoretic coating and cathodic electrophoretic coating developments made a brief overview.
Keywords: cathodic electrophoretic coating; waterborne; research Status; developments

引 言
电泳涂装技术研究起源于一百多年前，基于人们对金属表面防腐防锈要求的不断提高而相关表面处理工艺技术又不能较好地解决这种需求的压力下，而被逐渐研制开发。直到60年代才由George Brewer博士及福特汽车公司研制开发成功阳极电泳漆。其最早应用于福特汽车公司的涂装线，随着阳极电泳漆生产使用，日渐暴露其漆膜中包含有金属离子造成抗蚀性差的缺陷，因而，美国PPG公司和西德Hoechet公司等开始进行了阳离子型树脂的合成及阴极电泳施工的研究。1971年底首先有美国PPG公司研制成功第一代阴极电泳涂料。该涂料虽具有优良耐腐蚀性。但漆液PH=4左右，酸性较强，对槽体、管道及输送泵等材料容易产生腐蚀；同时烘温较高（200℃/30min）。漆膜抗碎裂性及端面的防蚀性较差，所以应用面受到限制，仅使用在电泳箱、洗衣机及干燥机等要求耐蚀性能高的电气制品上作底漆。由于PPG公司继续不断努力研究，1976年6月美国通用汽车公司将汽车部件采用PPG公司第二代阴极电泳漆（CED3002）获得成功。1977年开始正式使用阴极电泳涂漆涂装汽车车身（作底漆）。1978年美国通用汽车公司和福特汽车公司基本上已把原来使用的65条阳极电泳涂装生产线几乎全部改用新的阴极电泳涂料，自此开始阴极电泳涂漆并被人们等认可并大力推广应用。之后，电泳技术发展日新月异，产品品种由环氧型树脂型发展到丙烯酸型及聚氨脂型。产品的保护品种也由汽车行业引申到自行车、摩托车及家电、轻工饰品行业，如：空调、彩电、洗衣机、摩托车、眼镜、锁具、灯具及饰品、发夹、领带夹及各个金属行业以及，军工，建筑铝材表面防锈行业[1]。
1 阴极电泳涂料的特点
阴极电泳涂料与其他的喷涂，浸涂水性烘烤涂料相比有较多的优点[2]。可以简要归纳如下：
（1）阴极电泳涂料能均匀的涂在被涂覆物之锐边或隅角部分、点焊焊缝等缝隙中，箱形体的内外表面，适用于造型及结构复杂的金属零件的涂装，防腐性能获得显著改善；
（2）阴极电泳涂料烘干前含水率已很低，它不溶于水，不流动，不易产生垂滴、流痕、滞痕等漆膜弊病；也不会在烘干中产生象浸涂漆膜烘干时（箱形件或管件内部）经常发生的溶剂气洗现象；还可显著缩短烘干前使水分蒸发的预干时间；
（3）阴极电泳涂料适宜于大规模生产的工业涂装线 ，实现涂装的机械化、自动化 ，经济效益高；
（4）以水为溶剂，几乎没有发生火灾的危险。应用时减少了对操作人员的毒害及对环境的污染；
（5）由于带负电的高分子粒子在电场作用下定向沉积，因而阴极电泳涂料的耐水性能很好，附着力也比采用其他施工方法的高；
（6）阴极电泳涂料浓度低、粘度小，故因浸渍作用粘附于被涂物而带出的漆较少，特别是超滤技术应用于阴极电泳涂料后，涂料的利用率可高达90％ ～98％。涂装工艺参数易于调整 ，涂装质量稳定。

2 阴极电泳涂料与阳极电泳涂料对比的优缺点
阴极电泳涂料电泳涂装时，工件为阴极，金属表面不被溶解，且树脂中的胺基具有缓蚀作用。因此阴极电泳涂膜的防腐蚀能力，远比阳极电泳涂膜好得多，即使在不加防锈颜料的情况下，仍有很好的耐盐雾性能。在磷化处理以后电泳涂漆，耐盐雾能力达到800h～1200h，加上阴极电泳涂料的高泳透力，能满足汽车车身10年无穿孔腐蚀的防护要求，因而在汽车上得到广泛采用。
     电泳涂料从阳极电泳涂料发展成阴极电泳涂料，也消除了阳极电泳涂膜经常产生的丝状腐蚀和疤痕腐蚀对涂层外观装饰性的影响；阴极电泳涂膜的良好展平性，赋予涂层高的鲜映性。新一代阴极电泳涂料的展平率达到83％，涂膜粗糙度Ra在0.2um以下。厚膜阴极电泳涂料的推出（涂膜厚度达35um），能简化涂装工艺：同时能提高棱边的耐腐蚀性。厚膜阴极电泳涂膜的耐盐雾性，可达1000h～1200h。
    阴极电泳涂料相对于阳极电泳涂料，价格较高，设备投资大，工艺管理要求更严格。因此，阴极电泳涂料要求有良好的长期使用稳定性，以防槽液变质报废而造成损失；要有高的泳透力，使车身内腔、缝隙内都能均匀地涂上涂膜，以达到产品的整体防护性要求；涂膜要有高的耐腐蚀性能，使之高投入、高技术水平的工艺装备能体现出实际价值.

3不同类型阴极电泳涂料的工艺路线及工位作用
阴极电泳涂料的工艺路线较多且复杂，下面只举两个例子简单说明：
（一）环氧型电泳涂料 此类电泳漆主要用于大型工业企业，对防腐抗锈要求较高，品种有黑、灰、红、黄等各种颜色，主要用于汽车工业、自行车行业、摩托车行业、家电行业等，电泳漆膜为不透明色。
(1) 工艺路线
　　上挂→预清洗→脱脂→热水洗→冷水洗→酸洗→水洗→表调→磷化→水洗→水洗→纯水洗→纯水洗→电泳→UF回收水洗→UF回收水洗→纯水洗→纯水洗→进烘箱→下挂
(2) 各工位之作用
(1)预清洗：清除金属碎骨及焊渣，消除磷化及电泳潜在的尘埃源。
(2)脱脂：有效的清洗分散及除掉工件表面的矿物油、润滑剂及冲压拉延油，提高磷化效果及减少带入电泳槽及电泳涂膜烘干时翻边及焊缝处易引起的缩水污染物。
(3)热水洗：有效处理工件表面的遗留碱膜。
(4)酸洗：除锈及活化金属表面。
(5)表调：调整表面，以形成疏密均匀之磷化膜。
(6)水洗及纯水洗：充分水洗，避免前道工序之酸、碱及盐份带入电泳槽污染漆槽，影响漆膜。纯水电导率小于5μs/cm。
(7)电泳：在计量好电压及时间下，形成电泳膜。
(8)UF回收水洗：回收水洗，减少漆液浪费，回收槽液降低材料消耗成本。
(9)烘烤：使漆膜在高温160℃～180℃下熟化，固化。

（二）丙烯酸及聚氨脂电泳涂料
１、工艺路线
上挂→有机溶剂除蜡→超声波除蜡→热水洗→阴极除油→阳极除油→酸洗→中和→冲击镍（不锈钢）/预铜（锌压件）→酸铜→亮镍→闪银
　　此工艺主要针对装饰性工件，要求外观漂亮及较少防腐性的轻工业产品，例如：眼镜、打火机、锁具、灯具、文具、文体用具及饰品发夹行业，此电泳漆膜为透明色，与各种色浆搭配，在各个电泳工艺中均可达到五颜六色之鲜艳效果，此工艺在国内已被大量推广应用。
２、各主要部位之作用
(1)前处理：彻底地前处理，可预先解决电泳中80%～90%的故障。
(2)预冲镍：消除不锈钢制品之不良结合力。
(3)预铜：消除锌压铸件之起泡现象。
(4)镍：与各种色浆配套，可电泳出：暗色的金色、黄铜色、红铜色、黑铜色、仿古铜色、黑镍色、蓝色、红色、紫红色、黄色、绿色等各类颜色。
(5)闪银：与各种色浆配套，可电泳出各种鲜艳的颜色。如：纯金色、24K金色及黄铜、鲜红、仿古铜、黑镍等五颜六色。

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4阴极电泳涂料的研究现状

阴极电泳涂料的主体树脂常选择多种单体加以组合，主要是综合利用各自的特点使制成的树脂最理想并能满足各方面的要求。当前应用的主要有丙烯酸树脂类、环氧树脂类和聚氨酯类等几种主体树脂。其中环氧树脂(多为双酚 A型)，由于它具有很高的附着力和优异的防腐蚀性能，常用作底漆和防腐漆；丙烯酸型树脂以其优异的耐候性和良好的保色、保光性，用作阴极电泳涂料树脂，它可以克服环氧树脂只适合作底漆的不足，可用作玩具和五金器件的底漆、面漆和底面合一，有防腐和装饰的作用。进年来，为了扩大阴极电泳涂料的使用范围及满足涂装产品更高的质量要求 ，美国、日本和德国的很多涂料公司对阴极电泳涂料的配方和工艺不断改进 ，取得了很多的新成就 ，也开辟了很多新的研究应用方向，扩大了阴极电泳涂料的应用范围。具有代表性的阴极电泳涂料包括耐候性阴极电泳涂料，低温固化型阴极电泳涂料，紫外光固化阴极电泳涂料，中厚膜和厚膜型阴极电泳涂料，多彩型阴极电泳涂料，边角覆盖型阴极电泳涂料，下面分别对这几种涂料的研究现状进行概述。

4.1耐候性阴极电泳涂料

目前 ，大量使用的阴极电泳涂料主要是环氧型的，虽然耐腐蚀性优良，但耐候性不够好。而丙烯酸树脂具有良好的耐候性，可望通过两种树脂的优势互补来达到耐腐蚀性和耐候性都较好的“底面合一”型阴极电泳涂料。日本神东公司[3]开发出一种厚膜型两层结构的阴极电泳涂料及涂装方法.该涂料以阳离子丙烯酸树脂和阳离子酚醛环氧树脂的混合物为基料，以异氰酸酯、三聚氰胺、聚酰胺等为固化剂，涂装时采用两涂法，即先于25℃、200 V下电泳2min，然后在600V下继续电泳2min，结果在汽车车身上形成70μm厚的涂膜 ，其底层以环氧树脂为主，表层以丙烯酸树脂为主，从而保证涂料具有良好的耐腐蚀性和耐候性。由湖南湘江关西涂料有限公司开发生产的WR-300，CHD-10是耐候性优良的阴极电泳涂料。

4.2低温固化型阴极电泳涂料

阴极电泳涂料的烘烤温度范围一般为 170～l80℃，带有橡胶、塑料等的汽车零部件在高温烘烤下容易变形，所以在保持耐腐蚀性等其它性能的情况下，低温固化阴极电泳涂料应运而生。该涂料的主要优点是：①烘干温度低，节省燃料费用，烘干时不产生烟及烟油。②涂装汽车底盘等大型工件时不会产生应变。③可整件涂装塑料、橡胶与钢板组装工件。④可涂装铸件等壁厚的工件。 这类电泳涂料不仅能大大降低能耗 ，而且漆膜在炉内的污染少，除了能涂装带有橡胶、塑料的零部件外，还可广泛适用于汽车厚钢板 、铸件和各种零部件。 开发这种涂料的技术关键是寻求新型的固化剂或改进固化方式。目前国外已经能利用树脂与基材的接触性反应促进固化[4]；在环氧树脂中引入双键交联固化[5]；在l20℃解封的封闭型异氰酸酯交联剂[6]。国外已有公司推出150℃固化的阴极电泳涂料，并且对固化温度为 120～140℃以至更低的阴极电泳涂料的开发虽做了很多工作，但成熟的产品还不多见。日本神东涂料公司和日本油脂公司共同研究开发了新产品低温固化阴极电泳涂料，神东以“萨克塞特NS-88”，日本油脂以“阿克阿NS-88”的商品进行销售。它们是在-NCO的邻基上导入不易水解的脂肪族成分，而固化剂分子内引入亲水性强的组成；这样结构保护了与封闭剂结合的NCO部分，所以槽液稳定性好。该漆膜的标准固化条件为：130℃/20min或160℃/10min或180℃/5min，漆膜性能与一般阴极电泳涂料相同，适应于汽车涂料的需要。由湖南湘江关西涂料有限公司开发生产的LB-20LF也是一种性能较好的低温固化阴极电泳涂料，固化温度为150℃左右。

4.3紫外光固化阴极电泳涂料

紫外光(UV)固化涂料是利用紫外光照射涂料树脂发生聚合架桥反应的固化方式，在低温的条件下短时间内就能完成涂料的固化过程。阴极电泳涂料目前仍以热固化为主，固化温度较高，在一些受温度限制的材料表面很难应用。因紫外光固化阴极电泳涂料是利用紫外光照射涂料而固化的，在低温下短时间完成固化，具有节约能源、生态环保、经济、加工速率快、劳动生产率高等优点。紫外光固化电泳涂装是利用具有光固化性能的 电泳涂料和电泳涂装技术相结合的复合技术，它不需要较高的温度，所以它能满足产品进行电泳涂装的加工需要，同时又能解决涂装材料受温度限制的问题。集UV固化、电泳涂装、水性涂料等优点于一

身的UV固化电泳涂料有着极大的发展前景。目前德国的Fieberg进行过深入地研究 ，美国的 Sun化学公司和Immont公司也就丙烯酸系UV固化阴极电泳涂料进行了研究[7,8,9],但世界上这方面的研究相对还较少。

4.4中厚膜和厚膜型阴极电泳涂料

中厚膜和厚膜型阴极电泳涂料主要是由具有不同玻璃化温度的几种树脂相配合，并添加高沸点的助溶剂等制成，一次性成膜较厚，具有外观比较平整 、表面光泽显著提高、涂膜弹性好和较强的抗石击能力,其主要优点是：①漆膜较厚，一次电泳膜厚可达20-40um。 ②漆膜表面光滑度大大提高。 ③漆膜表面光泽明显提高。 ④对磷化处理不匀或有缺陷的地方起弥补作用。⑤工件空腔内表面的漆膜比通常厚2倍。⑥可少喷一道二道浆（中间层涂料）；可省略一道打磨工艺。⑦涂料生产中可大大减少有机溶剂。⑧槽液稳定性好。⑨漆膜防腐蚀能力强（尤其是边缘部分抗蚀性强）。⑩底漆本身弹性极好，在含锌-铁合金表面能很好涂布并具有较强的抗石击能力。

在美国、欧洲及日本已广泛用于电器产品、建材、农业机械、建筑机械、汽车及其零部件等的涂装[10]。如湖南湘江关西涂料有限公司的产品HB-2000、NT100C；PPG公司的产品ED-4、ED-6；杜邦公司的产品CORMAX3、CORMAX6等都是中厚膜或厚膜型阴极电泳涂料，通过调整电压或者电泳时间，在涂装时可在 20－40μm范围内自由选择膜厚，涂层不仅外观平整、光滑、致密；无缩孔、无颗粒而且具有优异的机械性能和防腐蚀性能以及良好的耐候性能。

4.5彩色阴极电泳涂料

日本关西涂料公司的彩色阴极电泳涂料KG500是以环氧树脂为基础，采用特殊异氰酸酯交联，再配合第三成分丙烯酸树脂，可在电泳中均一地沉积，进一步烘烤时沉积膜产生热流动。由于树脂表面张力的差异，环氧树脂表面张力较大而沉于下层。丙烯酸树脂表面张力较小而浮于表层从而成为复层膜，人们曾对KG500所形成的涂层断面采用电子光谱化学分析（ESCA）的结果表明，涂层表层部分有丙烯酸树脂的特征峰，因而可以断定形成复合层涂膜。这种阳离子型电泳涂料，可以使环氧树脂系阴极电泳涂料彩色化，也能提高漆膜的耐候性。该涂料曾在日本平旧曝晒场经90天曝晒结果：一般阴极电泳涂料漆膜光泽（60°镜面反射率）从70降到10。而KG500（60°镜面反射率）从80只降到70。因此该涂料其保光性比一般阴极电泳涂料要好得多。所以KG500漆膜兼备有优良的装饰性、保光性和防锈性特点，故该涂料可用于室内使用的机械、家电、办公用具、建筑壁板、配电盘、仪表壳及工具箱等等。彩色阴极电泳涂料在欧美和日本已经有学者做过深入研究：在电泳涂料树脂中加入接有聚醚链 段的环氧树脂[11]，可以提高树脂的流平性和防缩孔性，极大的提高电泳涂料的表面装饰性；用潜伏性异氰酸酯作固化剂的丙烯酸系阴极电泳涂料[12]；在胺改性环氧树脂和封闭异氰酸酯乳液中加入胶体粒子组成的透明高装饰性阴极电泳涂料[13]；以胺改性环氧树脂与含氟乙烯基单体共聚物混和制得高耐候性和高装饰性的阴极电泳涂料[14]等。彩色阴极电泳涂料在国内处于起步阶段，暂时没有成熟产品上市。

4.6边角覆盖型阴极电泳涂料

在电泳涂装时，涂料固体组分集中在尖端部位析出，边角覆盖性本来很好,但是烘烤时，由于漆膜的粘度下降而产生热流动，加上表面张力的作用，使边角露底，因此 ，提高边角覆盖性的途径是提高漆膜加热固化时的粘度和降低其表面张力。降低表面张力可选择一些添加剂 ，开发固化时无脱出物的固化形式和聚合固化形式，从而降低涂膜的收缩率 ，达到边棱防蚀效果 。提高涂膜热熔融时的黏度可通过采用低温固化 、使用填充剂或热流动剂，有报道采用亚烷基二醇单醚或烷基酚之类的组分作为热流动剂来改善涂膜的流动性。日本油脂

公司采用了高相对分子质量树脂作为漆膜加热时的流动调整剂 ，并通过流变学控制技术，使漆膜边角覆盖性和表面平整性得以兼顾，开发成功了新的边角防锈型涂料[3]。另外，采用高聚物微凝胶技术[15]，将具有独特流变性的交联聚合物颗粒加入到涂料中，对涂膜边缘的覆盖性大有好处。

5阴极电泳涂料的发展动态

众所周知，70年代美国PPG公司领导了世界发展阴极电泳涂料新潮流。到了80年代中期人们已经公认为阴极电泳涂料已经发展为美国PPG公司与西德Hoechst公司两大流派。到了90年代，已经呈现出为三大流派；即以美国PPG公司为开端的防锈蚀阳离子型电沉积涂料；以德国Hocchst公司为先驱的轿车、卡车用阳离子型电沉积涂料；以日本神东、关西涂料公司为代表的改进型阳离子型电沉积涂料。随着21世纪的到来，根据用户的要求以及日益提高的环保要求，更新一代的阴极电泳涂料主要有以下特点：

(1)阴极电泳涂料泳透力一般都在20cm以上。泳透力是指衡量泳漆在工件内腔上膜的能力参数 ，该参数越高，车身或者其他工件内外膜厚就越均匀， 就越能提高车身整体防腐蚀性，降低施工电压，减少涂料的用量。

(2)提高边缘防腐性。电泳工作过程中，一些边缘部分由于涂料电化学作用，造成边角涂层特别簿， 从而腐蚀易在此处发生，通过改善涂料性能，提高防腐能力。

(3)降低颜基比。颜基比就是涂料中颜料与树脂的比例，降低它可 以增加树脂 的含量，提高涂料的流动性 ，降低胶体的沉降整速率 ，减少颜料絮凝和保护泵 ，降低材料消耗。

(4)降低溶剂量。溶剂含量越高对环境污染越大，不利于工作。降低它有利保护环境，节约投资。

(5)无铅，更趋环保型。铅是毒性很强的元素，但在电泳涂料的防腐蚀催化、钝化和加速交联等方面起着重要作用。新一代电泳涂料通过改进树脂去除了铅等重金属，各种性能实验表明，其性能与含铅电泳涂料相比毫不逊色。

湖南湘江关西涂料有限公司的产品NT-100C；美国PPG公司的产品ED-6；杜邦公司的产品CORMAX6；德国BASF的产品 FT-25都是新一代的环保型涂料，基本上都具有以上特点。

世界第五届电泳涂料年会，研讨与公布了电泳涂料发展规划（包括有25项成果在内的发展计划）及美国PPG公司近年来华座谈交流了解到其新的电泳涂料的发展动向是： ①低温交联型阴极电泳涂料； ②提高工件边缘棱角、耐蚀性的阴极电泳涂料； ③高抗碎裂性的阴极电泳涂料； ④新型电极材料的选择与研究； ⑤电极位置的研究； ⑥细菌的抑制和控制。日本新一代阴极电泳涂料，将向多功能方向发展，应用于除汽车以外更广阔的领域，例如： ①节能型低温固化涂料，烘烤温度在140℃/20min以下，最低可达100℃/20min；②厚膜型涂料，膜厚30～40um； ③超厚膜型涂料，膜厚60um以上； ④边角防锈型涂料，工件边角涂覆率比一般阴极电沉积涂料提高一倍以上； ⑤底面合一涂料，加速老化试验12天后，涂层保光率90%以上； ⑥复合层彩色涂料，这是一种特殊的电沉积涂料，下层为环氧树脂，上层为丙烯酸树脂。 自20世纪70年代阴极电泳涂装技术工业化成功以来，短短十几年时间，阴极电泳涂料在汽车行业中得到 了广泛的应用。汽车车身电泳以阴极 电泳取代阳极电泳的更换率超过 95％，这是汽车涂料发展的又一次革命。在家电、自行车和工艺品等众多领域里 ，阴极电泳涂料在节能、生态学及经济学的竞争中也显示出巨大的发展潜力，比将为社会的进步作出卓越的贡献。

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[15] 郝英华 ．材料保护，2005，33(3)：39—41．

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感谢楼主，最近正好在找这方面的资料

henry

好文章，请问楼主是否是或者是认识电泳漆方面的专家？一起讨论讨论，如何？