Revêtement électrophorétique : définition, équipements et applications

Le revêtement électrophorétique est un procédé de revêtement courant dans l'industrie automobile. Cet article explique ce qu'est le revêtement électrophorétique et comment il fonctionne.

Qu'est-ce que le revêtement électrophorétique ?

Le revêtement électrophorétique est un procédé de revêtement dans lequel la pièce à revêtir est immergée dans une peinture hydrosoluble et sert d'électrode, soit de cathode, soit d'anode. Une électrode correspondante est fournie, et un courant continu est appliqué entre les deux pôles. Sous l'effet du champ électrique, les particules de peinture chargées migrent vers la surface de la pièce, où elles se déchargent et se déposent pour former un film de revêtement.

Les méthodes de revêtement électrophorétique sont généralement classées en fonction des caractéristiques de la peinture et de la polarité de la pièce à revêtir.

On parle de revêtement électrophorétique anodique lorsque la pièce à traiter sert d'anode et qu'une peinture anionique est utilisée. À l'inverse, lorsque la pièce à traiter sert de cathode et qu'une peinture cationique est utilisée, il s'agit d'un revêtement électrophorétique cathodique. Actuellement, plus de 90 % des revêtements de carrosserie automobile dans le monde utilisent le revêtement électrophorétique cathodique.

Bien que les revêtements électrophorétiques anodiques soient moins coûteux, leur résistance à la corrosion est inférieure à celle des revêtements électrophorétiques cathodiques. Par conséquent, la quasi-totalité des fabricants utilisent actuellement le revêtement électrophorétique cathodique. Ce procédé permet d'obtenir une surface uniforme présentant une excellente adhérence et convient au revêtement de pièces aux formes complexes ; il permet même de déposer des films sur les parois internes de cavités. Cependant, l'équipement est complexe, nécessite un investissement important et le choix de revêtements adaptés est limité, se restreignant actuellement aux peintures hydrosolubles et émulsionnées à l'eau.

Procédé de revêtement électrolytique

Le revêtement électrophorétique est une réaction électrochimique très complexe. Qu'il soit cathodique ou anodique, le procédé met en jeu quatre mécanismes typiques simultanés : l'électrophorèse, l'électrodéposition, l'électroendosmose et l'électrolyse. Lors de ce processus, la résine ionisée présente dans le revêtement dispersé dans l'eau se dissocie en particules colloïdales chargées. Sous l'effet combiné de ces quatre mécanismes dans un champ électrique continu, ces particules migrent vers la surface de la pièce et se déchargent pour former un film de revêtement isolant.

Électrophorèse

L'électrophorèse est le procédé au cours duquel des particules colloïdales chargées migrent vers l'électrode avec une polarité opposée sous l'effet d'un champ électrique. Lors de l'électrophorèse, des pigments non chargés et des particules de pigment de charge peuvent également être adsorbés sur les particules colloïdales chargées et se déplacer avec elles. Généralement, une faible teneur en matières solides et une faible viscosité de la solution de revêtement entraînent une moindre résistance à l'électrophorèse.

Électrodéposition

L'électrodéposition désigne le processus par lequel des particules colloïdales chargées atteignent l'électrode (la pièce à usiner) de polarité opposée et se déchargent pour former un film de revêtement insoluble et isolant. Contrairement à galvanoplastieLors de l'électrophorèse, la conductivité du film de revêtement se modifie, le transformant en isolant. L'électrodéposition se produit d'abord aux endroits de la surface de la pièce où les lignes de champ électrique sont concentrées. À mesure que l'épaisseur et la surface du film isolant augmentent, la résistance électrique croît également de manière significative.

Électroendosmose

L'électroendosmose est le mouvement du milieu de dispersion dans le sens inverse de celui des particules chargées. Lors de l'électrophorèse, le film de revêtement nouvellement formé constitue une membrane semi-perméable à forte teneur en eau. Sous l'effet du champ électrique et de la force osmotique interne, l'eau et les ions contenus dans le film subissent un mouvement électroendosmose directionnel et un mouvement anti-électrophorétique pour passer dans la solution. Typiquement, la déshydratation induite par l'électroendosmose peut réduire la teneur en eau du film de revêtement de 5 % à 15 %.

Électrolyse

L'eau subit une réaction électrolytique sous l'effet d'un champ électrique continu, libérant de l'hydrogène à la cathode et de l'oxygène à l'anode. Ceci entraîne une augmentation du pH à la cathode et une diminution à l'anode. Une conductivité plus élevée de la solution intensifie la réaction électrolytique ; des variations de pH plus importantes aux électrodes et une formation accrue de bulles engendrent davantage de micro-perforations et un film de revêtement plus rugueux. Ainsi, bien que l'électrodéposition soit la réaction principale du procédé, l'électrolyse est un facteur déterminant pour la qualité du film. Si l'électrophorèse anodique nécessite un investissement moindre en équipement et des coûts de peinture inférieurs, elle présente une faible résistance à la corrosion et une tension plus basse. Comparés aux films anodiques, les revêtements électrophorétiques cathodiques offrent une capacité de protection 3 à 4 fois supérieure, un effet coulombien deux fois plus important et un pouvoir de pénétration 1.2 à 1.4 fois plus élevé. Par conséquent, l'électrophorèse cathodique est largement utilisée, tandis que l'électrophorèse anodique est généralement réservée aux applications moins exigeantes.

Avantages du revêtement électrophorétique

• Facilité d'automatisation et de mécanisation : le revêtement électrophorétique se caractérise par un haut degré d'automatisation, une vitesse de revêtement rapide et une productivité élevée. Par exemple, l'efficacité du revêtement électrophorétique d'apprêt automobile peut être 450 % supérieure à celle des procédés de revêtement par immersion traditionnels.
• Haute uniformité de l'épaisseur du film : même sur des zones irrégulières telles que les coins, les fentes, les trous et les saillies de soudure, une épaisseur de revêtement uniforme peut être obtenue en ajustant la tension et en contrôlant le processus d'électrodéposition.
• Revêtement de haute qualité : le film obtenu est plat, lisse et sans coulures. Il présente un excellent nivellement au séchage, offrant une qualité esthétique supérieure qui permet de gagner du temps de ponçage et de réduire les coûts de production. Le film possède également une bonne résistance à l’eau et une bonne adhérence.
• Taux d'utilisation de la peinture élevé : grâce à sa faible concentration et à sa faible viscosité, la peinture est très peu absorbée par la pièce, ce qui permet un taux d'utilisation supérieur à 95 %.
• Bonnes conditions environnementales et de travail : le revêtement contient peu de solvants auxiliaires, ce qui réduit la production de brouillard de peinture lors de la volatilisation et diminue la pollution environnementale.

Inconvénients du revêtement électrolytique

• Investissement important : L'investissement en équipement est élevé et les exigences en matière de gestion opérationnelle sont strictes.
• Nombreuses limitations du procédé : les films électrophorétiques sont limités aux couleurs monochromes. Il est impossible de revêtir simultanément plusieurs types de pièces métalliques. Les matériaux non conducteurs comme le plastique et le bois ne peuvent être traités par électrophorèse. De plus, il est impossible d’appliquer une couche de finition par électrophorèse sur une couche d’apprêt, et la résistance aux intempéries de cette dernière est relativement faible.
• charge de travail de nettoyage lourde: Pour garantir la conductivité au contact de la pièce à usiner, les supports doivent être nettoyés minutieusement et fréquemment, ce qui entraîne une charge de travail et une intensité de main-d'œuvre élevées.

Équipement pour le revêtement électrophorétique

L'équipement pour revêtement électrophorétique comprend un réservoir d'électrophorèse, un réservoir de secours, un système de circulation et de filtration, un système d'ultrafiltration, des dispositifs d'électrodes, un dispositif de réglage de la température de la peinture, un dispositif de réapprovisionnement en peinture, un système de ventilation, une alimentation électrique CC, une armoire de commande, un dispositif de rinçage post-électrophorèse et un dispositif de stockage de peinture.

Réservoir d'électrophorèse

La cuve d'électrophorèse est l'équipement principal et le récipient où se déroule le procédé ; ses dimensions sont déterminées par la taille maximale des pièces à traiter. Elle comprend une cuve principale, une cuve de réserve et un bac de trop-plein. Le revêtement électrophorétique se divise généralement en deux catégories : les systèmes à flux continu et les systèmes à flux intermittent. Les premiers conviennent à la production de masse et utilisent des cuves de forme rectangulaire, tandis que les seconds sont adaptés aux lots de taille moyenne et utilisent souvent des cuves rectangulaires. Les bacs de trop-plein sont généralement installés d'un côté ou des deux pour contrôler le niveau de liquide et éliminer la mousse en surface. La cuve de réserve sert à stocker temporairement la solution de peinture pendant le nettoyage ou la maintenance de la cuve principale.

Système de circulation et de filtration

Ce système comprend des pompes de circulation, des tuyauteries et des buses de pulvérisation, et utilise généralement une combinaison de filtration, de circulation, d'échange thermique et d'ultrafiltration. Son but est d'assurer la stabilité de la composition et de la concentration de la peinture, de maintenir une bonne dispersibilité et d'empêcher la précipitation des pigments. Pour éviter la sédimentation, un débit et un nombre de cycles spécifiques doivent être respectés.

Dispositif d'électrode

Cet appareil se compose de plaques d'électrodes, de couvercles à membrane, d'électrodes auxiliaires et d'un système d'eau déminéralisée. Pour l'électrophorèse anodique, des plaques de cuivre ou d'acier inoxydable servent d'anodes, avec un rapport surface cathode/surface pièce généralement de 1:1. L'électrophorèse cathodique requiert des plaques d'acier inoxydable ou d'alliage de titane pour la cathode, avec un rapport surface cathode/surface pièce typiquement de 1:4. Les couvercles à membrane, structures en forme de sac constituées de membranes semi-perméables remplies d'eau déminéralisée, renferment les plaques d'électrodes et empêchent la diffusion des acides ou bases électrolytiques dans la peinture, stabilisant ainsi le pH. Les électrodes auxiliaires permettent d'assurer la formation d'un film uniforme sur les parois et cavités internes complexes.

Dispositif de réapprovisionnement en peinture

Le réapprovisionnement s'effectue dans une cuve de mélange où la peinture d'origine est diluée avec le liquide de travail, agitée et mélangée avant d'être ajoutée à la cuve d'électrophorèse. Il est également possible d'intégrer un mélangeur directement dans la tuyauterie de circulation pour un réapprovisionnement continu.

Dispositif de rinçage post-électrophorèse

Après la formation du film, les pièces doivent être immédiatement et à plusieurs reprises rincées successivement avec de l'ultrafiltrat en circulation, de l'ultrafiltrat neuf et de l'eau déminéralisée. Ce rinçage permet d'éliminer les résidus de peinture adhérant à la surface du film et d'empêcher sa redissolution ou son amincissement.

Matériaux adaptés au revêtement électrophorétique

• L'acier et ses alliages : y compris les carrosseries automobiles, les composants de châssis, les pièces de moteur, la quincaillerie, les outils métalliques, les machines agricoles et l'acier de construction.
• Alliages d'aluminium : y compris les pièces automobiles comme les capots, les moyeux de roues, les radiateurs, les supports, les profilés en aluminium pour portes et fenêtres, les boîtiers d'appareils électroniques grand public et les objets artisanaux.
• Zinc et alliages de zinc : tels que les tôles d’acier galvanisé (l’électrophorèse cathodique sur les couches galvanisées est très courante) et les pièces en alliage moulées sous pression.
• Cuivre et alliages de cuivre : Une attention particulière est requise car la présence d’ions cuivre peut affecter la stabilité de la solution du réservoir.

Facteurs influençant le revêtement électrophorétique

Le processus de revêtement électrophorétique se déroule comme suit :

Dégraissage → Lavage à l'eau froide → Lavage à l'eau chaude → Préparation de surface → Phosphatation → Lavage à l'eau froide → Passivation → Lavage à l'eau déminéralisée → Séchage → Revêtement électrophorétique → Lavage à l'ultrafiltrat → Lavage à l'eau déminéralisée → Cuisson → Refroidissement. La phosphatation de la pièce avant l'électrophorèse permet d'améliorer la protection offerte par le film de revêtement.

Contenu en solides

La teneur en matières solides du liquide de peinture est un facteur critique qui influe sur la stabilité, le pouvoir couvrant, l'épaisseur du film et son aspect. Si cette teneur est trop faible, la sédimentation des pigments est importante, la stabilité et le pouvoir couvrant diminuent, et le film obtenu est mince, rugueux, poreux et dépourvu de propriétés protectrices. À l'inverse, si la teneur en matières solides est trop élevée, le film s'épaissit, l'électroendosmose est difficile et la surface devient rugueuse avec un aspect peau d'orange ; une teneur élevée en matières solides augmente également la charge de filtration et de rinçage. Généralement, la teneur en matières solides est maintenue entre 10 % et 15 % pour l'électrophorèse anodique et à 20 % ± 0.5 % pour l'électrophorèse cathodique.

Température

L'augmentation de la température de la solution de peinture facilite l'électrodéposition et accroît l'épaisseur du film. Cependant, des températures trop élevées accélèrent l'évaporation du solvant, diminuent la stabilité et provoquent des rugosités ou des coulures. À l'inverse, les basses températures réduisent la solubilité dans l'eau et augmentent la résistance au dépôt, ce qui conduit à des films minces ou à l'absence de film dans les zones en creux. Les basses températures augmentent également la viscosité, ce qui emprisonne les bulles et donne une surface rugueuse et mate. Par conséquent, les températures d'électrophorèse anodique et cathodique doivent être maintenues respectivement entre 20 et 25 °C et entre 28 et 30 °C.

PH

Le pH influe directement sur la stabilité et la conductivité et doit être rigoureusement contrôlé, avec une variation de ±0.1. Généralement, le pH doit être compris entre 7.5 et 8.5 pour l'électrophorèse anodique et entre 5.8 et 6.7 pour l'électrophorèse cathodique. Un pH élevé dans les systèmes anodiques entraîne la décomposition de la résine et une instabilité. Dans les systèmes cathodiques, un pH faible réduit la force coulombienne et le pouvoir de pénétration tout en augmentant la corrosion des canalisations, tandis qu'un pH élevé réduit la stabilité du liquide.

Conductivité

La conductivité augmente avec la concentration d'impuretés. Une conductivité élevée intensifie l'électrolyse, rendant le film rugueux et poreux, et réduisant la tension, le pouvoir de pénétration et la stabilité du liquide. Généralement, la conductivité des peintures cathodiques est de 1000 à 2000 μS/cm, tandis que celle des peintures anodiques est relativement plus élevée.

Distance entre les électrodes

Plus la distance entre l'électrode et la pièce est grande, plus la résistance de la solution augmente. Si cette distance est trop faible, l'épaisseur du revêtement est irrégulière sur les aspérités et les creux de la pièce. Si elle est trop grande, l'efficacité du dépôt diminue et le film devient très mince, voire ne se forme pas. C'est pourquoi la distance entre l'électrode et la pièce est généralement maintenue entre 150 et 800 mm.

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