环氧丙烯酸阴极电泳涂料的研制及涂装工艺对涂膜性能的影响

环氧丙烯酸阴极电泳涂料的研制及涂装工艺对涂膜性能的影响

李田霞1,陈峰2
( 1. 武汉大学东湖分校生命科学与化学学院,湖北武汉430212;2. 武汉职业技术学院机电工程学院,湖北武汉430074)

0 前言
阴极电泳涂料以优异的耐腐蚀性能、高泳透率和高库仑效率而大量用作防锈底漆,尤其在汽车涂装方面[1]。用丙烯酸酯单体接枝[2,3]改性环氧树脂作阴极电泳涂料基体树脂,既有环氧树脂的高模量、高强度、耐化学品性及优良的防腐蚀性,又兼有丙烯酸树脂的光泽、丰满度、耐候性好等特点。以其为基料的树脂在汽车、建材、五金、家电等涂装领域得到广泛应用[4 ~ 6]。阴极电泳涂装发展于20 世纪70 年代,30 多年的实际应用已显示出优质、经济及安全等优点,现已全面取代阳极电泳涂装,广泛应用于汽车及各类家电产品的表面涂装。电泳涂装过程中电泳工艺参数的选择合适与否,对电泳涂膜性能有很大影响,因而对电泳涂装过程的研究一直是国内外广为关注的课题,尤其是在大规模的汽车涂装线上[7,8]。本工作以环氧树脂为母体,接枝丙烯酸单体形成主体树脂,配以其他物质经离子化反应得到阴极电泳涂料,重点研究了电泳工艺参数对电泳涂膜厚度和性能的影响。

1 试验
1. 1 阴极电泳涂料的制备
( 1) 环氧丙烯酸阳离子树脂合成在三口瓶中按表1 配比加入环氧树脂和25. 0%二甲苯,加热并用JJ -4型六联电动搅拌器搅拌升温到110 ℃左右,在2 h 内滴加丙烯酸酯为0. 4%~0. 5%的引发剂过氧化苯甲酰( 化学纯,BPO) 及16. 0%助溶剂乙二醇丁醚,降温至100 ℃左右,滴加主体树脂12. 5%二乙醇胺,在0. 5 h 滴完,保温反应2 h 使树脂充分开环,降温至50 ℃左右用乙酸中和至pH =6. 0 左右,即得到丙烯酸接枝环氧树脂。

( 2) 涂料配制按表2 配比将各组分加到球磨机中研磨1 h,再加蒸馏水使固体分含量为16%,pH 值为5. 5 ~6. 0,电导率为1 400 μS/cm,制得白色阴极电泳涂料。

1. 2 涂装工艺
1. 2. 1 电极板磷化
将数块尺寸为50 mm × 80 mm 的镀锡马口铁板浸入工业乙醇中除油5 ~ 10 min 后放入15%工业盐酸中,摇动极板30 s,去掉其表面的氧化层和镀锡层,水洗后用15%氢氧化钠溶液中和,然后用自来水冲洗干净,浸入pH = 9 的0. 3% BT -020Y 表调液中调整1min,最后进行磷化。磷化工艺: 5. 0% LMF -B36 型磷化液,0. 1%促进剂LMF -A13,总酸度30 ~ 35 点,游离酸度1. 0 ~ 1. 2 点,磷化时间3 min。

1. 2. 2 电泳涂装
将配制好的阴极电泳漆倒入电泳槽中,挂好阳极板和阴极板,阴阳极间距调至2 ~ 3 cm,并全部浸入漆液中,保持其基体平行; 开始接通电路,定时2 min,电压90 V,电泳过程中,不断搅拌漆液,防止沉降。

1. 2. 3 涂装后处理
( 1) 水冼电泳后取出阴极板,用自来水冲洗至表面无浮漆为止,再用去离子水冲洗,之后将工件置于空气中,室温放置至涂膜表面指触干。
( 2) 烘烤涂膜无水滴时移入烘箱中, 160 ℃干燥30 min,取出冷却后进行各项性能测试。

1. 3 性能测试
( 1) 结构分析采用傅里叶红外光谱仪( Perkin -Elmer Spectrum -2000) ,溴化钾压片,测定范围500 ~4 000 cm - 1,分辨率2 cm - 1。
( 2) 漆液固体分测定将1. 0 ~ 2. 5 g 电泳漆液在105 ℃温度下烘3 h,称重。
η( 固体分) = W1/W0
式中W1 ———烘干残留物的质量
W0 ———电泳漆液起始质量
( 3) 涂膜厚度用QDX 漆膜多用检测仪测厚度。

2 结果与讨论
2. 1 涂料的红外光谱( FTIR)
图1 和图2 分别为环氧树脂及其涂料的FTIR 红外光谱。从图1 和图2 可以看出: 两者的区别不大。3 331 cm - 1是二乙醇胺中N - H 伸缩振动吸收峰,羟基的吸收峰有可能与此吸收峰相重合; 酰胺基的C = O 伸缩振动吸收峰大约在1 670 ~ 1 640 cm - 1 间,对应于1 647 cm - 1处的吸收峰,丙烯酸酯中C = O 伸缩振动吸收峰在1 735 cm - 1附近,而在1 717 cm - 1处有一个较弱
且宽的吸收峰,这可能是其他物质在此附近的峰与C = O伸缩振动吸收峰相互影响而引起的; 915 cm - 1 处的吸收峰已消失,说明环氧基已全部开环[9 ~ 11]。

2. 2 涂料固体分对涂膜厚度的影响
电泳涂料的固体分一般为10%~20%,在电压为90V, pH 值为5. 5 ~6. 0,电泳时间2 min,电泳温度( 23 ±2)℃条件下,涂膜厚度与固体分含量的关系见图3。

由图3 可见: 涂膜厚度随固体分含量的增加而增厚,随后减小。从涂膜外观来看,固体分过高,电沉积加快,涂膜平滑性下降,易起桔皮,产生流挂; 固体分过低,泳透力太小,形成的电泳涂层太薄,同时会加速槽液的水解、电解,从而导致涂膜性能及外观变差。固体分为16%时,效果较好。

2. 3 电泳电压对涂膜厚度的影响
在上述优选的条件下,涂膜厚度与电泳电压的关系见图4。由图4 可以看出: 在电泳过程中,电压的升高将有利于涂膜厚度的增加,电压较低时,电极反应缓慢,电沉积量少,涂膜薄,涂膜结构疏松; 当电压达到一定时,沉积物足以覆盖阴极表面,单位沉积量稳定,电压过高,特别是超过140 V 后,电极上水解加剧,大量起泡,涂膜被击穿,出现脱落及浮起现象。因此,电泳电压控制在90 V 左右可减少电泳过程中水的分解,防止漆液凝聚。

2. 4 漆液pH 值对涂膜厚度的影响
以上优选工艺获得的涂膜厚度与漆液pH 值的关系见图5。

由图5 可见,漆液pH 值在5. 8 时较为合适,漆液的pH 值较小,漆液水溶性虽然较好,电泳时固体离子较多,电极反应太快,涂层不均匀,同时对电泳设备的腐蚀也相当严重。因此,在保证漆液水溶性和稳定性的前提下,可增大漆液的pH 值。

2. 5 漆液电导率对涂膜厚度的影响
在优选工艺条件下涂膜厚度与电导率的关系见图6。

由图6 可以看出,电导率的增加有利于涂膜厚度的增加。电导率较低时,阳离子较少,电极反应缓慢,电沉积量少,膜薄; 电导率过高,电解反应加剧,颜料分散性差,光泽度降低,涂膜易含有杂质,降低了漆液的防腐蚀性,从而产生严重堆积。电导率通常在1 400μS /cm 左右比较适宜。

2. 6 电泳时间对涂膜厚度的影响
在优选工艺条件下,涂膜厚度与电泳时间的关系见图7。由图7 可以看出: 随着电泳时间的延长,沉积量也增加,开始沉积量随时间的延长而迅速增加,随后趋近于一饱和值,这是由于随电泳时间的增加,沉积量也增加,当涂膜达到一定厚度,电阻接近于无穷大时,电泳时间再延长,也不可能再增加涂膜厚度,相反却可能导致涂膜外观状态变差,加剧副反应,故电泳时间以2. 0 ~ 3. 0 min 为好。

3 结论
在阳离子型丙烯酸酯- 环氧树脂接枝共聚物合成中,选择BPO 为引发剂,用量为0. 4% ~ 0. 5%,反应温度在110 ℃左右比较适宜。在电泳涂装过程中,选取了电泳电压、漆液固体分、电导率等工艺参数进行了分析。在电泳电压为90 V 左右,漆液固体分为16%,pH值为5. 8,电泳时间为2. 5 ~ 3. 0 min 的条件下,可获得比较满意的涂膜外观和厚度.

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