阴极电泳涂料的现状及发展趋势
1　前言 　　在我们的生活中,金属腐蚀现象随处可见,它所带来的危害和损失是很严重的。为了防止金属腐蚀,人们采用了很多方法,如电化学保护、耐蚀材料、缓蚀剂、电镀耐蚀金属以及涂料保护等。其中,使用最广泛的还是涂覆有机涂料。电泳涂料源于20世纪30年代。20世纪60年代初期,阳极电泳涂料投入工业化应用[1]。阳极电泳涂料存在阳极氧化的缺点,会腐蚀金属表面(除铝及不活泼金属外),使其失去光泽,故阳极电泳涂料一般只作防腐底漆,不能满足表面装饰的要求,因而人们开始研究具有更高耐腐蚀性能的阴极电泳涂料。1971年美国ＰＰＧ公司首先研制成功{dy}代阴极电泳涂料[1,2]。阴极电泳涂料现在广泛应用于汽车、轻工、农机、家电、仪表、文教用品、工艺品、军工、建材等许多部门,并深受好评[3]。
2　阴极电泳涂料的特点 　　与其它的浸涂、喷涂水性烘烤漆相比,电泳涂料具有无可比拟的优越性[4～6]: 　　①涂料利用率高。由于电泳漆的漆液浓度低,粘度小,因浸渍作用而粘附于被涂物上的漆料少,损失小。特别是如今使用超滤技术,漆的利用率可达90%～95%,便于更有效地利用资源和降低成本;②以水作溶剂。克服了有机溶剂所存在的弊端(大约有40%的挥发量),无挥发,低污染,无火灾隐患,易洗净,优化了工人的操作环境,同时也节约了大量的能源和原料;③涂装效果好。无论被涂对象的外形多么复杂,操作都是一样的简单、方便,所得涂层厚度均匀,防腐蚀性能优良,且对金属基底无腐蚀,漆膜厚度可以根据实际通电量大小调节;④漆膜不溶于水,无流痕、不垂滴、不流挂,漆膜烘干时无汽提现象。⑤装饰效果好,膜面光滑、精美,富有金属光泽。
3　阴极电泳涂料的分类及发展在电泳涂料开发的初期,当时水性涂料技术不发达,一直没有得到工业化应用。1940年,开发出了应用于电导线上的电沉积苯酚树脂阳极电泳涂料。1950年,汽车车身用阳极电沉积耐腐蚀电泳底漆有新发展。1960年,适用于室内电器设备和建筑用有色阴极电泳树脂体系的研究有所进展,其涂膜具有更好的耐蚀性,耐盐雾试验时间达1000ｈ,比阳极电泳涂料具有更大的发展潜力。1970年,由于投资汽车底漆的电泳涂装研究领域的扩大,使得电泳涂装技术得以推广,开发出了更具装饰性和多功能的阴极电泳涂料,并且在这个行业中,阴极电泳技术作为一种新的理论体系取代了阳极电泳技术,它更适用于电镀工业[7-10]。电泳涂料一经问世就在表面处理行业中得到了广泛的应用。近年来,国内外都十分关注电泳涂料的研制工作,使得电泳涂料从1971年美国ＰＰＧ公司开发的{dy}代低电压、低泳透力产品以来,历经几次飞跃,迅速发展到20世纪80年代的第五代厚膜阴极电泳涂料,其中最有代表性的是厚膜型阴极电泳涂料[11-14]、边角覆盖型阴极电泳涂料[15]、耐候性阴极电泳涂料[16,17]、低温固化型阴极电泳涂料[18,19]和多彩型阴极电泳涂料[5,20],在涂层的抗碎裂性和端面防蚀性方面大有改善,大幅度地降低了固化标准条件({dy}代产品固化温度为200℃/30ｍｉｎ,第五代产品已降为180℃/5ｍｉｎ),进一步提高了日晒牢度和抗石击性能,增强了涂层的耐候性。3.1　厚膜型阴极电泳涂料为了改善阴极电泳涂层的抗碎性和边角防锈性,进一步提高阴极电泳涂料的耐蚀性,近年来,对耐腐蚀性要求更高的汽车零部件,一般的阴极电泳涂料达不到要求,因此开发了厚膜型阴极电泳涂料,膜厚{zg}可达40μｍ。这种涂料主要是依靠具有不同玻璃化温度的数种树脂相配合,并添加高沸点的助溶剂等制成,解决了电泳涂装时涂膜的沉积和烘烤时粘弹性的控制问题,一次性成膜较厚,可弥补磷化处理不均及有缺陷的部分,外观比较平整,表面光泽显著提高,涂膜弹性好,具有较强的抗石击能力。例如日本关西涂料公司的ＰＴＵ-600即属于厚膜型阴极电泳涂料,该涂料在涂装时,通过改变涂装条件(槽液温度、电泳电压、电泳时间)可在20～40μｍ范围内自由选择膜厚。厚膜型阴极电泳涂层不仅外观平整、致密,而且具有优异的机械性能和防腐蚀性。由于厚膜型阴极电泳涂料具有高外观性能、耐石击性、孔腔内部及边角防锈性、防锈钢板涂装适应性和短时电泳、缩短工序等优点,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。 3.2　边角防锈型阴极电泳涂料汽车车身和零部件在冲压加工时形成大小不同的棱边和尖角。这些边角在涂装时,由于覆盖性不好,容易生锈。过去常用的防锈措施是设计上边角部不外露、打磨端部、在连接处涂布密封胶等办法,但费时费工。对于涂料而言,提高边角防锈性的关键是提高边角的覆盖性。电泳涂装时,涂料固体组分集中在{jd0}部位析出,可以覆盖边角,但在烘烤时,由于涂膜的粘度下降而产生热流动,以及表面张力的作用,使边角露底。为提高边角覆盖性,须提高涂膜加热固化时的粘度和降低其表面张力。但是,随着边角覆盖性的提高,涂膜的平滑性却受到影响。为了解决这一矛盾,提出了多种方案。其中,日本油脂公司采用了高分子量树脂作为涂膜加热时的流动调整剂,并通过流变学控制技术,使涂膜边角覆盖性和表面平整性得以兼顾,成功开发出型号为ァクァＮ0400的边角防锈型涂料。这种涂料在涂膜熔融时,由于高分子树脂添加剂的作用而抑制了涂膜的热流动性,达到固化温度后,由于该树脂自身的熔融和交联反应而形成均匀的涂膜。 3.3　耐候性阴极电泳涂料阴极电泳涂料作为底漆,通常以耐蚀性好的环氧树脂为主体。虽然其耐蚀性优良,但耐候性不够好。一道涂装系光泽下降,二道涂装系因受太阳光线,特别是短波紫外线的作用,会发生层间剥离。因此,作为二道涂装系的阴极电泳涂料具备耐蚀性和耐候性尤为必要。开发耐候性好的阴极电泳涂料的设计思想是:树脂的主要组成为环氧系树脂和丙烯酸系树脂,利用两者表面张力的不同,烘烤时表面张力大的环氧树脂沉于下层,表面张力小的丙烯酸树脂浮于表面层,可形成耐候性和耐腐蚀性都较好的“底面合一”型阴极电泳涂料。日本神东公司开发了一种厚膜型两层结构的阴极电泳涂料及其涂装方法。该涂料用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、三聚氰胺和聚酰胺等为交联剂。涂装时采用两步电泳,即先在25℃、200Ｖ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,从而保证涂膜具有良好的耐蚀性和耐候性。 3.4　低温固化型阴极电泳涂料通常,阴极电泳涂料的烘烤温度为170～180℃,对于带有塑料或橡胶等的汽车零部件,高温下烘烤易产生变形,因此,需开发低温固化型阴极电泳涂料。低温固化电泳涂料能减少能量消耗、降低成本、改善环境污染,减少漆膜因烘烤而变色,从而提高涂膜质量。开发这类涂料的技术关键是寻求新型交联剂,同时要解决低温固化和槽液稳定性的矛盾。从固化机理来看,降低固化温度的基本途径有3种:一是引入高桥性即多官能化固化剂;二是开发低温分解的特殊封闭剂;三是研制低温分解氨基甲酸乙酯。目前已推出150℃固化的阴极电泳涂料,如ＰＰＧ公司的ＥＤ-6。Ｈｅｒｂｅｒｔｓ公司的第三和第四代产品,其烘烤温度的下限也是150℃。另据报道,印度开发的新一代ＣＥＤ的阴极电泳涂料具有较宽的烘烤容忍度,可在140～220℃温度范围内烘烤,其标准烘烤条件为150℃,20ｍｉｎ。低温固化阴极电泳涂料实用化必须解决3个技术课题:①控制封闭异氰酸酯的低温离解性;②低温固化性和涂料稳定性兼备;③低温固化性和涂膜表面平滑性兼备。低温固化型阴极电泳涂料不仅适用于带有塑料和橡胶的汽车零部件的涂装,而且可大大降低能耗。对固化温度为120～140℃以至更低的阴极电泳涂料的开发虽作了很多工作,出现了很多专利,但成熟的产品还不多见。 3.5　多彩型阴极电泳涂料对汽车用涂料而言,底涂层的主要功能是防腐蚀,而装饰性和耐候性的功能由面涂的罩光涂料承担。为了得到高装饰性的阴极电泳涂料,国外作了大量的工作。据专利文献报道,有多种不同方案:①以胺改性环氧树脂与含氟乙烯基单体共聚物混合制得高耐候性和高装饰性的阴极电泳涂料;②在胺改性环氧树脂和封闭异氰酸酯乳化分散液中加入胶化粒子组成的透明高装饰性阴极电泳涂料;③用潜伏性异氰酸酯作交联剂的丙烯酸系阴极电泳涂料;④由环氧树脂与特殊异氰酸酯交联并加入丙烯酸系树脂组成的复层阴极电泳涂料;⑤用环氧改性丙烯酸系树脂制得的阴极电泳涂料等。多彩型阴极电泳涂料已应用于家电、钢制家具、办公用具、农业机械、空调器和汽车部件的涂装,可取代原来的溶剂型密胺或丙烯酸系的一层或二层涂装系统,也适用于对外观性能和耐久性要求高的工业产品的涂装,因此有着广阔的应用前景。
4　阴极电泳涂料的发展趋势随着电泳涂料尤其是阴极电泳涂料的迅速发展,迎来了多样化、多品种、多功能及彩色化的时代。为了{zd0}限度地发挥电泳涂料的性能,应从电泳涂料的原材料、被涂物底材、面漆涂料以及涂装设备等方面进行研究。在原材料方面,除了环氧树脂外,还应研究丙烯酸树脂、石油系树脂以及它们的混合树脂系。固化方式方面,目前仍以聚氨酯固化型为主流,今后应进一步研究开发聚合固化型、酯交换型和密胺固化型等新的阴极电泳涂料。从涂料本身的改进方面来看,以防蚀性为基础,提高边角部、焊接部、接合部的防锈性,降低固化温度(或缩短固化时间),使电泳涂料朝厚膜化、高耐候性、高外观质量、多色化、低公害的方向发展。今后阴极电泳涂料的发展方向是:①提高边角耐蚀性的阴极电泳涂料;②低温交联型阴极电泳涂料;③高抗碎裂性的阴极电泳涂料;④膜厚30～40μｍ的厚膜型或60μｍ以上的超厚型阴极电泳涂料;⑤彩色复合,兼备底漆、面漆特点的阴极电泳涂料;⑥新型电极材料的选择与电极位置的研究等。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。