电泳涂料的发展与动向

电泳涂料的发展与动向

2概述

在传统的溶剂型涂料中,大约含有一半左右的有机溶剂。溶剂在涂料施工中仅仅用来调整涂料的粘度,使涂料形成均匀连续的薄膜,随后,溶剂在漆膜的干燥过程中蒸发至空气中。大量挥发性溶剂的存在,必然给涂装过程带来许多危害,如火灾、操作者中毒和环境污染等。随着环境保护呼声的日益增高,人们提出了涂料应向水性化、粉末化等无溶剂方向开拓。水溶性涂料及电泳涂装工艺的出现,正是适应这一发展的产物。

电泳涂装是22世纪62年代开始出现并发展起来的涂装方法,它建立在胶体化学和电化学的理论基础之上。早在29世纪,人们就发现了分散在溶液中的胶体粒子,在电场作用下,向与自身所带电荷电性相反的电极发生定向移动的现象,也就是电泳现象。电泳涂料是为电泳涂装工艺而开发的一种涂料,22世纪62年代,阳极电泳涂料投入工业化应用。由于阳极电泳涂料存在阳极氧化作用的缺点,对金属表面会产生腐蚀,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。2972年美国PPG公司首先研制成功第2代阴极电泳涂料。

电泳涂料是一种水性涂料,具有低污染、节能及高效等优点,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。

与其他的浸涂、喷涂水性烘烤漆相比,电泳涂料具有无可比拟的优越性:涂料利用率高,特别是如今使用超滤技术,漆的利用率可达92%-95%,能更有效地利用资源和降低成本;以水作溶剂,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;涂装效果好;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;装饰效果好,膜面光滑、精美,富有金属光泽。

2电泳涂料的发展概况

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发展。72年代,由于投资汽车底漆的电泳涂装研究领域的扩大,才使得电泳涂装技术得以推广和拓宽,开发出了更具装饰性和多功能性的阴极电泳涂料,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,它更适合于在电镀工业中应用。

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,尤其是近年来国内外都十分关注电泳涂料的新开发和研制工作,使得电泳涂料从22世纪62年代的阳极电泳涂料,历经几次飞跃,迅速发展到22世纪82年代的第5代厚膜阴极电泳涂料,取得了许多辉煌的成就。

2.2铝型材丙烯酸阳极电泳涂料

阳极电泳涂料在电泳过程中,被涂物为阳极,被涂物基体金属及表面处理膜被析出溶解,而混入到漆膜中,这会降低了漆膜的耐腐蚀性。因为阳极电泳漆比阴极电泳漆的价格便宜,因而目前阳极电泳涂料的发展主要集中在铝材上,且铝合金型材经电泳涂漆后还能提高抗碱性,这是其它表面处理法所达不到的。丙烯酸阳极电泳涂料是阳极电泳涂料的新一代产品,具有水溶性、低污染性和特有的浅色调。

丙烯酸阳极电泳涂料在原材料方面进行了改进,不再采用食用亚麻油等干性植物油为主要原料,而是采用石油加工合成的丙烯酸酯类单体经蒸馏、冷凝聚合而成,羧基用单体经聚合直接引入,易于调节制得各种不同性能要求的产品,且避免了因植物油而引起的霉变可能性,同时也避免了在烘烤中油脂挥发对烘道的污染及火灾危险。

以丙烯酸酯和丙烯酸共聚而制成的丙烯酸酯树脂具有优良的保光、保色性,所形成的漆膜光泽素有“魔镜”之称;丙烯酸树脂主链由碳-碳键组成,抗化学性高,配成含水量大的碱性电泳漆液也不会分解,具有良好的稳定性;此外丙烯酸树脂还具有良好的耐候性、耐水性及良好的施工条件。因而丙烯酸类型的阳极电泳涂料目前占据了铝型材电泳涂料的主流。

2.2铝型材聚氨酯阳极电泳涂料

对铝型材作表面处理的传统方法是氧化加封闭或氧化、着色加封闭,处理时间视所需颜色而定,但一般均要2 h以上,氧化及着色过程中耗电力多,颜色难以控制,色差较大。丙烯酸电泳涂料的出现,使铝材的涂装迈上了新台阶。但丙烯酸电泳漆只可用来代替封闭工艺,因而仍需氧化及着色,其生产成本高于一般氧化。

22世纪82年代后期,英国又成功开发了带色的阳极聚氨酯电泳漆。该类电泳漆由于在阳极电泳开始时有轻微氧化作用,故电泳和着色同时完成,色差甚小,之后亦不需再封闭,电泳需时不超过3min,生产率为铝氧化的2-3倍以上。可用电压控制按需要获得厚度在5-42μm的涂层,以适应各类工业应用。这种涂层耐酸、碱及溶剂,在紫外光照射下不变色。在室外使用时,涂层厚度约为每22年减小22μm,这也就是说,厚度为25μm的聚氨酯涂层,室外使用寿命为22年以上。另外,无论铝型材的形状如何复杂,都能获得覆盖厚度均匀的涂层,这也是电泳漆的一大特性。电泳铝型材以其高品质、高装饰性和耐蚀性,良好的成膜性能,电泳工艺的安全环保性,在世界各国将得到迅速的发展。

2.3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,膜厚最高可达42μm。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,从而解决电泳涂装时涂膜的沉积和烘烤时粘弹性的控制问题,使其一次性成膜较厚,对磷化处理不均及有缺陷部分可起弥补作用,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-622即属于厚膜型阴极电泳涂料。该涂料在涂装时,通过改变涂装条件可在22-42μm范围内自由选择膜厚,这样就增加了阴极电泳涂装生产线的柔性。

厚膜型阴极电泳涂料形成的涂层,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。

2.4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。这些方法费时费工。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,涂料固体组份集中在尖端部位析出,边角覆盖性本来很好,但在烘烤时,由于涂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损害。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相对分子质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,开发成功了型号为N2422的边角防锈型涂料。这种涂料在涂膜熔融时,由于高相对分子质量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。

2.5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。虽然其耐腐蚀性优良,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,作为二层涂装系的阴极电泳涂料具备耐蚀性和耐候性是很必要的。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,形成了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、聚酰胺等为交联剂。涂装时采用两步电泳,即先在25℃、222V下电泳2min,然后在622V下继续电泳2min,结果在汽车车身上形成72μm厚的涂膜,其底层以环氧树脂为主,表面层以丙烯酸树脂为主,从而保证涂膜具有良好的耐腐蚀性和耐候性。

2.6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272-282℃,对于带有塑料、橡胶等的汽车零部件在高温下烘烤易产生变形,这就产生了开发低温固化型阴极电泳涂料的客观需要。低温固化电泳涂料的优势在于减少能量消耗,降低成本,改善环境污染,减少漆膜因烘烤的色变,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:引入高桥性即多官能化固化剂;开发低温分解的特殊封闭剂;研制低温分解氨基甲酸乙酯。目前已推出252℃固化的阴极电泳涂料,如PPG公司的ED-6。Herberts公司的第3代和第4代产品,其烘烤温度的下限也是252℃。另据报道,印度开发成功的命名为新一代CED的阴极电泳涂料,具有较宽的烘烤容忍度,可在242-222℃温度范围内烘烤,其标准烘烤条件为252℃,22min。

低温固化阴极电泳涂料实用化必须解决3个技术课题:控制封闭异氰酸酯的低温离解性;低温固化性和涂料稳定性兼备;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有利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222-242℃以至更低的阴极电泳涂料的开发研究虽作了很多工作,出现了很多专利,但成熟的商品还不多见。

2.7多彩型阴极电泳涂料

对汽车用涂料而言,底涂涂层的主要功能是防腐蚀,而装饰性和耐气候性的功能是由面涂的罩光涂料承担。提高阴极电泳涂料装饰性的目的是为了扩大其使用范围。为了得到高装饰性的阴极电泳涂料,国外作了大量的工作。从专利文献上看,采用了多种方案,如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;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;用潜伏性异氰酸酯作交联剂的丙烯酸系阴极电泳涂料;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;用环氧改性丙烯酸系树脂制得的阴极电泳涂料等。

多彩型的阴极电泳涂料已应用于家用电器产品、钢制家具、办公用具、农业机械、空调器、汽车部件的涂装,并可取代原来的溶剂型蜜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,因此它有着广阔的应用前景。

3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。为了最大限度地发挥电泳涂料的性能,应从包括电泳涂料用的原材料、被涂物底材、面漆涂料以及涂装设备的整个系统进行研究。

在原材料方面,除了环氧树脂以外,还应研究丙烯酸树脂和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、酯交换型和蜜胺固化型等新的电泳涂料;从涂料本身的改进方面,以防蚀性大目标为基础,提高边角部、焊接部、接合部的防锈性,降低固化温度,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。

今后电泳涂料的发展动向是:提高边角耐蚀性的电泳涂料;低温交联型电泳涂料;高抗碎裂性的电泳涂料;膜厚32-42μm的厚膜型或62μm以上的超厚型阴极电泳涂料;彩色复合,兼备底漆、面漆特点的阴极电泳涂料;新型电极材料的选择与电极位置的研究等。

电泳涂料在涂料工业中占有重要位置,它在节能、生态学及经济学的竞争中将显示出广阔的发展前景。

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李一哲

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