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電泳漆的電化學反應

1694 人參與  2013年07月12日 11:16  分類 : 電泳工藝 電泳原理  評論

電化學反應

目前有兩類電泳體系,按照歷史發展的順序,它們是:①陽 極電泳,其掛件為陽極;②陰極電泳,其掛件為陰極。

陽極電泳始于20世紀60年代,已成功地使用了許多年, 是對噴涂、浸涂這些涂裝施工的發展。陽極電泳可以獲得均 勻、有效的覆蓋膜。

從化學角度來看,電泳涂料由樹脂(常稱為漆基或成膜

物)、顏料和添加劑分散于均一介質——水中。這個分散體是由樹脂顆粒、添加劑及顏料組成的均勻體系。陽極電泳涂料的 樹脂中和劑為減性:

電化學反應

在上述兩例陽極樹脂中均帶一個負電荷,由此增加其分散性能,并且形成可能電移動和電沉積的體系。

陰極電泳涂料利用同樣的原理,但其功能基團相反,有機酸是陰極電泳樹脂的中和劑。

電化學反應

同樣,中和劑可促使溶解和形成可能電移動的體系。

陰、陽極電泳涂料的沉積,是發生一系列電化學反應的結 果,每個過程包括樹脂的溶解、水的電解和樹脂的析出、涂料 的沉積。圖1-2顯示出陽極和陰極反應的兩個電沉積過程。

電化學反應

 

在電泳過程中,最先發生的電化學反應是水的電解:

通電

2H20一-2H2+02

(陰極)(陽極)

①陽極反應:

H20 ~+ 2HT +2e-

②陰極反應:

2H20~-H2 f +20H_—2e一

這樣在陽極的周圍,呈現很強的酸性,而陰極的周圍則呈 現較強的堿性。

陽極電泳涂料中樹脂成分是含有一COO NH,+多元酸聚合 物的氨基。在通電后,以一C00陰離子形式存在的聚合物游 向陽極,被H+中和發生沉淀反應。另外,由于在陽極電泳過 程中伴隨著陽極金屬件的電化學溶解(副反應),會產生一部 分陽極金屬離子,帶人電泳涂膜中或溶于電泳槽中。

陰極電泳涂料是由含有氨基的改性樹脂,通過加人酸中和 成鹽而形成帶有RNX+Z_的親水型聚合物,其中Z_為相應的 有機酸(多為醋酸、甲酸和乳酸)根離子,RNX'為聚合物離 子,在通電后,陰極表面由于電解產生大量0H_而呈堿性, 陽離子聚合物與0H—相互作用而失去親水性,并在陰極上以 R?N的形式沉積下來。涂料中的顏、填料也通過電沉積過程沉 積在電極上,電沉積涂膜中含有少量的有機溶劑和水分,是一 種高度集中的膠體結構。由于陰極電泳涂裝過程中,作為被涂 物的表面呈堿性,因此采用陰極電泳涂料涂裝能對黑色金屬有 緩蝕保護作用,能顯著提高金屬材料的防腐蝕性能。

電沉積是一個逆于溶解的步驟,是由直流電流引發的化學反應。

①在陽極電沉積中,其反應順序如下:

PCOOH + R3 N —PCOO- +R3NH+ + H20 2H20~^4H 十+02++4e 一 PCOO- +H+~-PCOOH

在最后一步中,在陽極水解產生的H+與PCOCT結合轉 化成為它原來不溶于水的結構,產生電沉積。

②在陰極電泳中,其反應順序如下:

pr2n+rcooh —^PR2NH+ +PCOO—

2H20+2e~~+20H~ pr2nh++oh-~^PR2N+H20

其中,關鍵的反應發生在陰極上,在最后一步中,水解產 生的中的H+結合,析出不溶性的樹脂,導 致膜的形成。

從產品的角度看,由于金屬的氧化而產生的潰點,尤其是 鐵,會使涂裝質量降低。

Fe~^Feu +2e 一 Fe ~HFe3++3e*

鐵氧化物的伴隨產物是鐵銹,并由此產生斑潰。

2H20+〇2 ~-40H-2Fe2+ +40FT ~^2Fe(OH)2

2Fe(0H)2-^T2Fe203 ? H20+其他產物 h2 u

以改性環氧樹脂和丙烯酸樹脂生產的陰極電泳涂料涂膜物 理性能優越,人們通過優化工藝配方降低了在涂層烘烤過程中 產生的黃變現象,這些新產品的出現和新工藝技術的應用更進 一步擴大了陰極電泳涂料的使用范圍。

新型陰極電泳涂料具有以下優點:

①更好的保光、保色性;

②漆膜成膜性好;

③較好的抗洗滌劑性能;

④斑漬少;

⑤金屬基材較少溶解。

目前,市場上陰極電泳涂料占有很大比重,當然陽極電泳 涂料仍有很強的立足之地。電泳由下列過程組成:

①施以電壓并產生電流

②電極處水的分解(電解);

③涂料粒子向與其電荷極性相反的電極移動(電泳);

④涂料粒子析出(電沉積)

⑤涂料粒子緊密吸附于工件之上(電滲析)

⑥由于涂料的涂覆工件變成電絕緣,電沉積自動停止。

電泳涂裝過程中伴隨著四種化學物理變化,即電解、電 泳、電沉積和電滲。

(1)電泳(electrophoresis)在電場作用下,帶電荷的膠 體粒子會向相反電荷電極泳動,這一現象稱為電泳。

(2)電解(electrolysis)    任何一種導電液體在通電時產 生分解的現象稱電解。例如,在具有導電性介質的水溶液中, 在通直流電的條件下,在陽極表面產生氧氣并發生金屬溶解, 在陰極表面還原氫氣并析出金屬這一現象稱作電解。

(3)電沉積(electro-deposition)    在電泳涂裝時,帶電荷 的粒子(樹脂和顏、填料)在電場作用下到達帶相反電荷的電 極,被H+ (陽極電泳)或0H—(陰極電泳)所中和,變成不 溶于水的涂膜,這層漆膜很穩定,而且致密均一。這一過程稱 為電沉積。

在電沉積的過程中,電場力是形成致密均一涂膜的主要

因素。

隨著電荷的中和,膜厚增加,相應地增加了工件涂覆表面 的絕緣性。實質上,膜厚隨時間增加而加厚,但隨著絕緣性的 增加,這種變化趨于減小,如圖1-3,最后工件變得完全絕緣, 隨著時間的延長膜厚并不明顯增加。

(4)電滲(eletroendosmosis) 在概念上講是電泳的逆過 程。如果電沉積出的顆粒附著在某一位置上,它們不再隨電場 的作用而發生移動,分散介質在不致密的松散顆粒中作與其移 動方向相反的移動。這個電化學過程引起溶劑滲析出來,電沉 積膜的機械結合緊密加強。這一過程稱為電滲。

在電泳過程中更深層的電化學現象是泳透力,是電沉積在 工件背面或凹面區域可以獲得漆膜的能力,對于特別復雜的工 件,這是一個體系設計所應該考慮的。

泳透力實質上是在電極和被涂工件之間,涂料粒子沿著電 場的電力線移動,并最終沉積的能力,當電場穿過里面時,其 電場力降低,而且電場力線有轉向最近一點的自然傾向(福特 盒效應)。據觀察,電場穿透的最大高度約與凹處開口的直徑相等,然而在電泳沉積過程中,由于電泳涂料的絕緣效應,在 開口鄰近處電場強度會明顯下降。

總之,有機涂料可以在均一的介質中的導體上沉積,通過 電解、電泳、電滲析而獲得高性能的電沉積漆膜。

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本文標簽:電泳工藝  電泳涂裝基礎  

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