铝合金彩色阴极电泳漆涂装工艺研究

铝合金彩色阴极电泳漆涂装工艺研究

孙淑萍1 ,齐智远2 ,刘大滔3
(1. 燕山大学环境与化学工程学院,河北秦皇岛066004 ;2. 中粤浦项(秦皇岛) 马口铁工业有限公司,河北秦皇岛066002 ;3. 首钢京唐钢铁联合有限公司,河北唐山063200)

 彩色电泳涂装工艺于上世纪80 年代在国外迅速发展,被广泛应用于各工业领域。我国从上世纪80 年代中期开始进行彩色电泳涂装新技术的研究和引进,到80 年代末期已取得初步成果,开始在灯具、电风扇、钟框、金属家具等上应用,但与国外先进技术相比,在质量上和应用范围方面都有一定差距。因此,在我国积极开展研究、推广彩色电泳涂装新技术,仍有重要意义和明显的经济、社会效益[1 – 5 ] 。

1  电泳染色
1. 1  染液的配制
称取一定量的染料(酸性大红、酸性嫩黄G、酸性湖蓝A) ,先用少量去离子水调成糊状,再将热水加入到糊浆内,边加热边搅拌约30 min ,直至完全溶解为止。此时取几滴溶液放到滤纸上试验,看有无未溶的残余物。染液完全溶解后加去离子水稀释至所需浓度,用冰醋酸调整染液的pH 值,加入约0.5 %Tween280、0.5 %曲拉通X2100、正丁醇和少量的NaCl(质量分数,下同) ,搅拌均匀后进行染色。

1. 2  染色原理
铝合金经过阴极电泳后,在其表面上附着一层有机涂膜。在固化前,涂膜是多孔型结构,呈现出优良的物理吸附性能。当膜与有机染料相接触时,有机染料就均匀地染在涂膜表面。此过程分为三个阶
段:
(1) 染料向膜表面扩散(溶液中的扩散) ;
(2) 染料向膜表面的吸附;
(3) 染料由膜表面向膜中心扩散。
以上(1) (2) 阶段都比(3) 阶段快得多,几乎是瞬
间完成的。因此在染色过程中,应着重控制染料向
膜中心的扩散。这种扩散遵守费克定律,见下式:

 式中:
F —通过单位面积的迁移速度;
G—染料浓度;
D —扩散系数;
X—垂直于膜断面的空间坐标。负号表示扩散的方向与浓度梯度的方向相反。

1. 3  染色试验
在固体分18 %、电压80 V、pH 值6. 3、温度30 ℃、时间150 s 的条件下进行透明阴极电泳清漆试验,将电沉积后未固化的涂膜用去离子水冲洗表面浮漆后,在用011 %的十二烷基二甲基苄基氯化铵溶液中浸泡1 min ,再浸泡到染液中进行染色。染色完毕后,取出冲洗掉表面浮色,晾干,在160 ℃下固化30 min。根据酸性染料的性质和所需色彩,配制不同浓度的染液,确立染色工艺条件。电泳后的染色工艺参数为:
染料,1 gPL~5 gPL ;
pH ,4~6 ;
温度,30 ℃~90 ℃;
时间,1 min~10 min。
通常情况下,影响染色率的因素很多,如pH、温度、时间、染料浓度等。
(1) 染液的pH 值不能太低,否则电泳后未固化的涂膜在有机酸溶液中发生溶解现象,使得涂膜厚度降低。因此染液的pH 控制在6.0。
(2) 在染色过程中,温度的影响很大,即影响染料在溶液中的扩散速度,又影响染料向膜中心的扩散,进而影响染色平衡的活化能。试验表明,温度升高,染色率增加。但温度过高,容易引起“过染”现象,且色调不一致。因此染色温度控制在50 ℃。
(3) 由费克定律可知,增大染液的浓度,染色速度快,有助于提高染色率。但浓度过高,染色色调不易掌握,容易产生浮色。染浅色调时,浓度控制在0.1 gPL~1 gPL ;而染深色调时,浓度控制在2 gPL~5
gPL 。本试验染色浓度控制在2 gPL 。
(4) 染色时间:时间过短,颜色浅且色泽不均匀;时间适中,使染料分子充分渗透到膜孔深处,增加染色的坚固度,并使色调加深,色泽也更加均匀一致;时间过长,增加了涂膜在有机酸溶液中的溶解时间,使得涂膜厚度减少,且颜色较深,没有光泽。本试验中染色时间控制在2 min。
染色试验结果表明,漆膜色彩的均匀性在很大程度上与染色后的后处理有关。染色后应及时将浮色冲洗干净,先在30 ℃下闪干,再进入80 ℃预烘干10 min ,最后在160 ℃烘干20 min ,可避免固化时因浮色或表面水的存在而导致样品色泽不均匀。温度过低,染色率下降,因此,必须确保染液温度分布的均匀性,避免出现色差。

2  电泳着色
2. 1  有机染料染液的配制
按固体分18 %配好透明阴极电泳漆液。再称取基料树脂3 %的有机染料(酸性大红GR、酸性湖蓝A、酸性嫩黄G) ,加入基料树脂0.5 %Tween280、0. 5 %曲拉通X2100、0.01 %硅油,用少量水溶解成均匀的色浆,将此色浆慢慢地加入到透明电泳漆中,搅拌均匀后即得到彩色阴极电泳漆。

2. 2  有机染料着色试验
配好固体分为18 %的有机染料着色液,调整槽液参数达规定值,进行电泳着色。着色完毕后,取出涂膜冲洗掉表面浮色,在160 ℃下固化30 min。电泳着色过程中,除了电压、pH 值、温度、时间等影响因素外,电导率对漆膜的影响也很大。电导率低,漆膜颜色浅,且固化后颜色发生变化,涂膜易出现针孔和麻点。电导率过高,电解反应加剧,漆膜外观极差,呈现橘皮状。由于染料的加入,使得漆液的电导率增大。因此,降低电压以减少电解反应的剧烈程度,涂膜呈现良好的外观。漆液的电导率主要受加入染料的浓度影响。控制染料的浓度是获得良好漆膜外观的前提。本试验中控制电压为50 V~60 V ,pH为6.3 ±0.1 ,温度为(30 ±2) ℃,时间120 s~150 s ,电导率(1 300 ±50) μSPcm;然后进行烘干。
2. 3  无机颜料染液的配制
按一定的颜基比称取颜料(华蓝、铁红) ,加入助溶剂(正丁醇) ,润湿1 h 后,在强烈搅拌下慢慢地加入配好的泳漆,调至合适的黏度后,倒入锥形磨中碾磨3~5 次,使颜料细度约达15μm ,即得所需色浆。
将配制好的色浆加入到18 %的透明阴极电泳液中,同时加入0.5 %OP 乳化剂、0.5 %曲拉通X2100、0.01 %硅油、少量膨润土及聚醚,搅拌均匀后即可进行彩色电泳试验。

2. 4  无机颜料着色试验
按所需颜色配颜基比分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 的无机颜料电泳着色液。当颜基比在0.10~0.20 之间变化时,涂膜颜色逐渐加深,光泽度也随之降低,涂膜平整。当颜基比在0.20~0.30 之间变化时,颜色发暗,光泽度低。当颜基比达到3.0时,涂膜粗糙。由于颜基比增大,颜料粒子所占比例上升,使电泳槽液的泳动性变差,电沉积到工件的漆膜减少,因此增加电压使电沉积正常。同时颜基比过大,颜料易沉淀,槽液不稳定。此外在电泳过程中,会因不断电沉积而使漆液中颜料浓度下降,颜料浓度过低,易产生针孔。因此在电泳过程中,不断补加颜料,维持恒定的颜基比。本试验中电压控制在80 V~90 V ,pH6.3 ±0.1 ,温度(30 ±2) ℃,时间120 s~150 s ,电导率(1 300 ±50) μSPcm ,颜基比2.0 ;然后进行烘干。

3  涂膜的性能对比与测试
对染色法和着色法获得漆膜进行性能测试,结果见表1。

图1 为颜料着色涂膜、透明涂膜、染料着色涂膜、电泳染色涂膜的阻抗复平面图。从图中可以看出,颜料着色涂膜的圆弧半径最大,说明它的耐腐蚀性最好,其次为透明涂膜。染料着色涂膜与电泳染色涂膜的耐蚀性较差。

 颜料着色法覆盖力好,漆膜厚,颜色较浓,耐腐蚀性好,但着色管理不方便,漆液易沉降。染料着色法漆膜色泽鲜艳而光滑,但漆膜较薄,色淡,耐腐蚀性稍差。颜料着色法偏重于防腐蚀,染料着色法更适合于装饰。

4  结 论
(1) 确定了电泳染色最佳工艺条件:染料浓度2gPL ,染液pH 值6.0 ,时间2 min ,染色温度50 ℃。染色后及时将浮色冲洗干净,然后进行烘干。
(2) 确定了电泳着色最佳工艺条件。染料着色:电压50 V~60 V ,pH 值6.3 ±0.1 ,温度(30 ±2) ℃,时间120 s~150 s ,控制染料浓度,保证漆液电导率在(1 300 ±50) μSPcm。颜料着色:电压控制在80 V~90 V ,pH 值6. 3 ±0. 1 ,温度(30 ±2) ℃,时间120 s~150 s ,电导率(1 300 ±50) μSPcm ,颜基比2.0。着色后进行烘干。
(3) 染料着色与颜料着色进行对比,颜料着色法的覆盖力好,漆膜厚,颜色较浓,耐腐蚀性好,但着色管理不方便,漆液易沉降;染料着色法的漆膜色泽鲜艳而光滑,但漆膜较薄,色淡,耐腐蚀性稍差。
(4) 通过电化学阻抗分析,颜料着色涂膜的耐腐蚀性最好,其次为透明涂膜,染料着色涂膜的耐腐蚀性最差。

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