電泳涂料的發展與動向
時間:2005-07-06
1 概述
在傳統的溶劑型涂料中，大約含有一半左右的有機溶劑。溶劑在涂料施工中僅僅用來調整涂料的粘度，使涂料形成均勻連續的薄膜，隨后，溶劑在漆膜的干燥過程中蒸發至空氣中。大量揮發性溶劑的存在，必然給涂裝過程帶來許多危害，如火災、操作者中毒和環境污染等。隨著環境保護呼聲的日益增高，人們提出了涂料應向水性化、粉末化等無溶劑方向開拓。水溶性涂料及電泳涂裝工藝的出現，正是適應這一發展的產物。
電泳涂裝是20世紀60年代開始出現并發展起來的涂裝方法，它建立在膠體化學和電化學的理論基礎之上。早在19世紀，人們就發現了分散在溶液中的膠體粒子，在電場作用下，向與自身所帶電荷電性相反的電極發生定向移動的現象，也就是電泳現象。電泳涂料是為電泳涂裝工藝而開發的一種涂料，20世紀60年代，陽極電泳涂料投入工業化應用。由于陽極電泳涂料存在陽極氧化作用的缺點，對金屬表面(除了鋁及不活潑金屬外)會產生腐蝕，使其失去光澤，故陽極電泳涂料一般只作防腐底漆，不能滿足表面裝飾的要求，因而人們開始研究具有更高耐腐蝕性能的陰極電泳涂料。1971年美國PPG公司首先研制成功第1代陰極電泳涂料。
電泳涂料是一種水性涂料，具有低污染、節能及高效等優點，現在廣泛應用于汽車、輕工、農機、家電、儀表、文教用品、工藝品、軍工、建材等許多部門。
與其他的浸涂、噴涂水性烘烤漆相比，電泳涂料具有無可比擬的優越性：(1)涂料利用率高，特別是如今使用超濾技術，漆的利用率可達90%-95%，能更有效地利用資源和降低成本；(2)以水作溶劑，無揮發，低污染，無火災隱患，易洗凈，優化了工人的操作環境，同時也節約了大量的能源和原料；(3)涂裝效果好；(4)漆膜不溶于水，無流痕，不垂滴，不流掛，漆膜烘干時無汽提現象；(5)裝飾效果好，膜面光滑、精美，富有金屬光澤。
2 電泳涂料的發展概況
在電泳涂料開發的初期，當時水性涂料技術不發達，一直沒有得到工業化發展。70年代，由于投資汽車底漆的電泳涂裝研究領域的擴大，才使得電泳涂裝技術得以推廣和拓寬，開發出了更具裝飾性和多功能性的陰極電泳涂料，并且在這個行業中，陰極電泳技術作為一種新的理論體系取代了陽極電泳技術，它更適合于在電鍍工業中應用。
電泳涂料一經問世就在表面處理行業中得到了廣泛的應用，尤其是近年來國內外都十分關注電泳涂料的新開發和研制工作，使得電泳涂料從20世紀60年代的陽極電泳涂料，歷經幾次飛躍，迅速發展到20世紀80年代的第5代厚膜陰極電泳涂料，取得了許多輝煌的成就。
2.1 鋁型材丙烯酸陽極電泳涂料
陽極電泳涂料在電泳過程中，被涂物為陽極，被涂物基體金屬及表面處理膜(如磷化膜)被析出溶解，而混入到漆膜中，這會降低了漆膜的耐腐蝕性。因為陽極電泳漆比陰極電泳漆的價格便宜，因而目前陽極電泳涂料的發展主要集中在鋁材上，且鋁合金型材經電泳涂漆后還能提高抗堿性，這是其它表面處理法所達不到的。丙烯酸陽極電泳涂料是陽極電泳涂料的新一代產品，具有水溶性、低污染性和特有的淺色調。
丙烯酸陽極電泳涂料在原材料方面進行了改進，不再采用食用亞麻油等干性植物油為主要原料，而是采用石油加工合成的丙烯酸酯類單體經蒸餾、冷凝聚合而成，羧基用單體經聚合直接引入，易于調節制得各種不同性能要求的產品，且避免了因植物油而引起的霉變可能性，同時也避免了在烘烤中油脂揮發對烘道的污染及火災危險。
以丙烯酸酯和丙烯酸共聚而制成的丙烯酸酯樹脂具有優良的保光、保色性，所形成的漆膜光澤素有“魔鏡”之稱；丙烯酸樹脂主鏈由碳-碳鍵組成，抗化學性高，配成含水量大的堿性電泳漆液也不會分解，具有良好的穩定性；此外丙烯酸樹脂還具有良好的耐候性、耐水性及良好的施工條件。因而丙烯酸類型的陽極電泳涂料目前占據了鋁型材電泳涂料的主流。
2.2 鋁型材聚氨酯陽極電泳涂料
對鋁型材作表面處理的傳統方法是氧化加封閉或氧化、著色加封閉，處理時間視所需顏色而定，但一般均要1 h以上，氧化及著色過程中耗電力多，顏色難以控制，色差較大。丙烯酸電泳涂料的出現，使鋁材的涂裝邁上了新臺階。但丙烯酸電泳漆只可用來代替封閉工藝，因而仍需氧化及著色，其生產成本高于一般氧化。
20世紀80年代后期，英國又成功開發了帶色的陽極聚氨酯電泳漆。該類電泳漆由于在陽極電泳開始時有輕微氧化作用，故電泳和著色同時完成，色差甚小，之后亦不需再封閉，電泳需時不超過3min，生產率為鋁氧化的2-3倍以上。可用電壓控制按需要獲得厚度在5-40μm的涂層，以適應各類工業應用。這種涂層耐酸、堿及溶劑，在紫外光照射下不變色。在室外使用時，涂層厚度約為每10年減小10μm，這也就是說，厚度為25μm的聚氨酯涂層，室外使用壽命為10年以上。另外，無論鋁型材的形狀如何復雜，都能獲得覆蓋厚度均勻的涂層，這也是電泳漆的一大特性。電泳鋁型材以其高品質、高裝飾性和耐蝕性，良好的成膜性能，電泳工藝的安全環保性，在世界各國將得到迅速的發展。
2.3 厚膜型陰極電泳涂料
為了改善陰極電泳涂層的抗碎性和邊角防銹性，進一步提高陰極電泳涂料的耐蝕性，近年來，對耐腐蝕性要求更高的汽車零部件，一般的陰極電泳涂料達不到要求，因此開發了厚膜型陰極電泳涂料，膜厚最高可達40μm。這種涂料主要是依靠具有不同玻璃化溫度的數種樹脂相配合，并添加高沸點的助溶劑等制成，從而解決電泳涂裝時涂膜的沉積和烘烤時粘彈性的控制問題，使其一次性成膜較厚，對磷化處理不均及有缺陷部分可起彌補作用，外觀比較平整，表面光澤顯著提高，涂膜彈性好，具有較強的抗石擊能力。例如日本關西涂料公司的PTU-600即屬于厚膜型陰極電泳涂料。該涂料在涂裝時，通過改變涂裝條件(槽液溫度、電泳電壓、電泳時間)可在20-40μm范圍內自由選擇膜厚，這樣就增加了陰極電泳涂裝生產線的柔性。
厚膜型陰極電泳涂料形成的涂層，不僅外觀平整、致密，而且具有優異的機械性能和防腐蝕性。由于厚膜型陰極電泳涂料具有高外觀性能、耐石擊性、孔腔內部及邊角防銹性、防銹鋼板涂裝適應性和短時電泳、縮短工序等優點，在美國、歐洲及日本已廣泛用于電器產品、建材、農業機械、建筑機械、汽車及其零部件等的涂裝。
2.4 邊角防銹型陰極電泳涂料
汽車車身和零部件在沖壓加工時形成大小不同的棱邊和尖角。這些邊角在涂裝時，由于覆蓋性不好，容易生銹。過去常用的防銹措施是設計上邊角部不外露、打磨端部、在連接處涂布密封膠等。這些方法費時費工。對于涂料而言，提高邊角防銹性的關鍵是提高邊角的覆蓋性。
電泳涂裝時，涂料固體組份集中在尖端部位析出，邊角覆蓋性本來很好，但在烘烤時，由于涂膜的粘度下降而產生熱流動，加上表面張力的作用，使邊角露底，因此，提高邊角覆蓋性的途徑是提高涂膜加熱固化時的粘度和降低其表面張力。但是，隨著邊角覆蓋性的提高，涂膜的平滑性卻受到損害。為了解決這一矛盾，提出了多種方案。其中，日本油脂公司采用了高相對分子質量樹脂作為涂膜加熱時的流動調整劑，并通過流變學控制技術，使涂膜邊角覆蓋性和表面平整性得以兼顧，開發成功了型號為N0400的邊角防銹型涂料。這種涂料在涂膜熔融時，由于高相對分子質量樹脂添加劑的作用而抑制了涂膜的熱流動性，達到固化溫度后，由于該樹脂自身的熔融和交聯反應而形成均勻的涂膜。
2.5 耐候性陰極電泳涂料
陰極電泳涂料作為底漆，通常以耐蝕性好的環氧樹脂為主體。雖然其耐腐蝕性優良，但耐候性不夠好。一道涂裝系光澤下降，二道涂裝系因受太陽光線，特別是短波紫外線的作用，會發生層間剝離。因此，作為二層涂裝系的陰極電泳涂料具備耐蝕性和耐候性是很必要的。開發耐候性好的陰極電泳涂料的設計思想是：樹脂的主要組成為環氧系樹脂和丙烯酸系樹脂，利用兩者表面張力的不同，烘烤時表面張力大的環氧樹脂沉于下層，表面張力小的丙烯酸樹脂浮于表面層，形成了耐候性和耐腐蝕性都較好的“底面合一”型陰極電泳涂料。
日本神東公司開發了一種厚膜型兩層結構的陰極電泳涂料及其涂裝方法。該涂料用陽離子丙烯酸樹脂和陽離子酚醛環氧樹脂的混合物為基料，以異氰酸酯、三聚氰胺、聚酰胺等為交聯劑。涂裝時采用兩步電泳，即先在25℃、200V下電泳2min，然后在600V下繼續電泳2min，結果在汽車車身上形成70μm厚的涂膜，其底層以環氧樹脂為主，表面層以丙烯酸樹脂為主，從而保證涂膜具有良好的耐腐蝕性和耐候性。
2.6 低溫固化型陰極電泳涂料
通常，陰極電泳涂料的烘烤溫度為170-180℃，對于帶有塑料、橡膠等的汽車零部件在高溫下烘烤易產生變形，這就產生了開發低溫固化型陰極電泳涂料的客觀需要。低溫固化電泳涂料的優勢在于減少能量消耗，降低成本，改善環境污染，減少漆膜因烘烤的色變，從而提高涂膜質量。開發這類涂料的技術關鍵是尋求新型交聯劑，同時要解決低溫固化和槽液穩定性的矛盾。從固化機理來看，降低固化溫度的基本途徑有3種：(1)引入高橋性即多官能化固化劑；(2)開發低溫分解的特殊封閉劑；(3)研制低溫分解氨基甲酸乙酯。目前已推出150℃固化的陰極電泳涂料，如PPG公司的ED-6。Herberts公司的第3代和第4代產品，其烘烤溫度的下限也是150℃。另據報道，印度開發成功的命名為新一代CED的陰極電泳涂料，具有較寬的烘烤容忍度，可在140-220℃溫度范圍內烘烤，其標準烘烤條件為150℃，20min。
低溫固化陰極電泳涂料實用化必須解決3個技術課題：(1)控制封閉異氰酸酯的低溫離解性；(2)低溫固化性和涂料穩定性兼備；(3)低溫固化性和涂膜表面平滑性兼備。低溫固化型陰極電泳涂料不僅有利于帶有塑料和橡膠的汽車零部件的涂裝，而且可大大降低能耗。對固化溫度為120-140℃以至更低的陰極電泳涂料的開發研究雖作了很多工作，出現了很多專利，但成熟的商品還不多見。
2.7 多彩型陰極電泳涂料
對汽車用涂料而言，底涂涂層的主要功能是防腐蝕，而裝飾性和耐氣候性的功能是由面涂的罩光涂料承擔。提高陰極電泳涂料裝飾性的目的是為了擴大其使用范圍。為了得到高裝飾性的陰極電泳涂料，國外作了大量的工作。從專利文獻上看，采用了多種方案，如以胺改性環氧樹脂與含氟乙烯基單體共聚物混合制得高耐候性和高裝飾性的陰極電泳涂料；在胺改性環氧樹脂和封閉異氰酸酯乳化分散液中加入膠化粒子組成的透明高裝飾性陰極電泳涂料；用潛伏性異氰酸酯作交聯劑的丙烯酸系陰極電泳涂料；由環氧樹脂與特殊異氰酸酯交聯并加入丙烯酸系樹脂組成的復層陰極電泳涂料；用環氧改性丙烯酸系樹脂制得的陰極電泳涂料等。
多彩型的陰極電泳涂料已應用于家用電器產品、鋼制家具、辦公用具、農業機械、空調器、汽車部件的涂裝，并可取代原來的溶劑型蜜胺或丙烯酸系的一層或二層涂裝系統，也適用于對外觀性能和耐久性要求高的工業產品的涂裝，因此它有著廣闊的應用前景。
3 電泳涂料的發展趨勢
隨著電泳涂料尤其是陰極電泳涂料的迅速發展，迎來了多樣化、多品種、多功能及彩色化的時代。為了最大限度地發揮電泳涂料的性能，應從包括電泳涂料用的原材料、被涂物底材、面漆涂料以及涂裝設備的整個系統進行研究。
在原材料方面，除了環氧樹脂以外，還應研究丙烯酸樹脂和石油系樹脂以及它們的混合樹脂系；固化方式方面，目前仍以聚氨酯固化型為主流，今后應進一步研究開發聚合固化型、酯交換型和蜜胺固化型等新的電泳涂料；從涂料本身的改進方面，以防蝕性大目標為基礎，提高邊角部、焊接部、接合部的防銹性，降低固化溫度(或縮短固化時間)，使電泳涂料朝厚膜化、高耐候性、高外觀質量、多色化、低公害的方向發展。
今后電泳涂料的發展動向是：(1)提高邊角耐蝕性的電泳涂料；(2)低溫交聯型電泳涂料；(3)高抗碎裂性的電泳涂料；(4)膜厚30-40μm的厚膜型或60μm以上的超厚型陰極電泳涂料；(5)彩色復合，兼備底漆、面漆特點的陰極電泳涂料；(6)新型電極材料的選擇與電極位置的研究等。
電泳涂料在涂料工業中占有重要位置，它在節能、生態學及經濟學的競爭中將顯示出廣闊的發展前景。
