Il rivestimento elettroforetico è un processo di rivestimento comunemente utilizzato nell'industria automobilistica. In questo articolo, esploreremo cos'è il rivestimento elettroforetico e come funziona.
Che cos'è il rivestimento elettroforetico?
Il rivestimento elettroforetico è un processo di rivestimento in cui il pezzo da rivestire viene immerso in una vernice idrosolubile e funge da elettrodo, che può essere il catodo o l'anodo. Viene fornito un elettrodo corrispondente e tra i due poli viene applicata corrente continua (CC). Sotto l'influenza del campo elettrico, le particelle di vernice caricate subiscono una migrazione direzionale verso la superficie del pezzo, dove si scaricano e si depositano formando un film di rivestimento.
I metodi di rivestimento elettroforetico vengono solitamente classificati in base alle caratteristiche della vernice e alla polarità del pezzo da rivestire.
Il processo è definito rivestimento elettroforetico anodico quando il pezzo funge da anodo e utilizza vernice anionica. Al contrario, quando il pezzo funge da catodo e utilizza vernice cationica, si parla di rivestimento elettroforetico catodico. Attualmente, oltre il 90% dei rivestimenti per carrozzerie automobilistiche in tutto il mondo utilizza il rivestimento elettroforetico catodico.
Sebbene i rivestimenti elettroforetici anodici siano meno costosi, la loro resistenza alla corrosione è inferiore a quella dei rivestimenti elettroforetici catodici. Di conseguenza, quasi tutti i produttori adottano attualmente il rivestimento elettroforetico catodico. Il rivestimento elettroforetico produce una superficie uniforme con un'eccellente adesione ed è adatto al rivestimento di pezzi con forme complesse; può persino depositare pellicole sulle superfici interne delle cavità. Tuttavia, l'attrezzatura è complessa, richiede un investimento elevato e la varietà di rivestimenti adatti è limitata, attualmente limitata alle vernici idrosolubili e alle vernici emulsionate in acqua.
Processo di rivestimento elettronico
Il rivestimento elettroforetico è una reazione elettrochimica altamente complessa. Che sia catodico o anodico, il processo prevede quattro meccanismi tipici simultanei: elettroforesi, elettrodeposizione, elettroendosmosi ed elettrolisi. In questo processo, la resina ionizzata presente nel rivestimento disperso in acqua si dissocia in particelle colloidali cariche. Attraverso l'effetto combinato di questi quattro meccanismi in un campo elettrico a corrente continua, queste particelle migrano verso la superficie del pezzo e si scaricano formando un film di rivestimento isolante.
Elettroforesi di laboratorio
L'elettroforesi è il processo in cui particelle colloidali cariche si muovono verso l'elettrodo con polarità opposta sotto l'influenza della forza del campo elettrico. Durante l'elettroforesi, pigmenti neutri e particelle di pigmento estensore possono anche essere adsorbiti sulle particelle colloidali cariche e muoversi insieme a esse. Generalmente, un contenuto di solidi inferiore e una minore viscosità nella soluzione di rivestimento si traducono in una minore resistenza all'elettroforesi.
Elettrodeposizione
L'elettrodeposizione si riferisce al processo in cui le particelle colloidali cariche raggiungono l'elettrodo (il pezzo in lavorazione) di polarità opposta e si scaricano per formare una pellicola di rivestimento isolante e insolubile. A differenza galvanica, la conduttività del film di rivestimento durante l'elettroforesi cambia, trasformandolo in un isolante. L'elettrodeposizione avviene inizialmente nei punti della superficie del pezzo in cui si concentrano le linee del campo elettrico. All'aumentare dello spessore e dell'area del film isolante, aumenta significativamente anche la resistenza elettrica.
Elettroendosmosi
L'elettroendosmosi è il movimento del mezzo di dispersione in direzione opposta alle particelle cariche. Durante il processo di elettroforesi, il film di rivestimento appena formato è una membrana semipermeabile con un elevato contenuto d'acqua. Sotto l'influenza della forza del campo elettrico e della forza osmotica interna, l'acqua e gli ioni all'interno del film subiscono un movimento di elettroendosmosi direzionale e antielettroforetico per entrare nella soluzione. Tipicamente, l'effetto di disidratazione dell'elettroendosmosi può ridurre il contenuto d'acqua del film di rivestimento dal 5% al 15%.
Elettrolisi
L'acqua subisce una reazione elettrolitica in un campo elettrico a corrente continua, rilasciando idrogeno al catodo e ossigeno all'anodo. Questo provoca un aumento del pH al catodo e una diminuzione del pH all'anodo. Una maggiore conduttività nella soluzione porta a una reazione elettrolitica più intensa; maggiori variazioni di pH agli elettrodi e un maggior numero di bolle danno luogo a più fori e a un film di rivestimento più ruvido. Pertanto, sebbene l'elettrodeposizione sia la reazione primaria del processo, l'elettrolisi è un fattore critico che influenza la qualità del film. Sebbene l'elettroforesi anodica richieda minori investimenti in attrezzature e minori costi di verniciatura, presenta una scarsa resistenza alla corrosione e una tensione inferiore. Rispetto ai film anodici, i rivestimenti elettroforetici catodici offrono una capacità protettiva da 3 a 4 volte superiore, il doppio dell'effetto coulombiano e una potenza di penetrazione da 1.2 a 1.4 volte superiore. Di conseguenza, l'elettroforesi catodica è ampiamente utilizzata, mentre l'elettroforesi anodica è principalmente riservata ad applicazioni con requisiti inferiori.
Vantaggi del rivestimento elettroforetico
- Facile automazione e meccanizzazione: il rivestimento elettroforetico offre un elevato grado di automazione, elevate velocità di rivestimento ed elevata efficienza produttiva. Ad esempio, l'efficienza del rivestimento elettroforetico del primer per autoveicoli può essere superiore del 450% rispetto a quella dei tradizionali processi di rivestimento a immersione.
- Elevata uniformità dello spessore del film: anche su aree irregolari come angoli, fessure, fori e sporgenze di saldatura, è possibile ottenere uno spessore uniforme del rivestimento regolando la tensione e controllando il processo di elettrodeposizione.
- Elevata qualità del rivestimento: il film risultante è piatto, liscio e privo di colature. Presenta un'eccellente livellatura durante l'asciugatura, garantendo un'elevata qualità estetica che consente di risparmiare sui tempi di carteggiatura e di ridurre i costi di produzione. Il film possiede inoltre una buona resistenza all'acqua e un'ottima adesione.
- Elevato tasso di utilizzo della vernice: grazie alla bassa concentrazione e alla bassa viscosità della vernice, il pezzo in lavorazione assorbe pochissima quantità, consentendo un tasso di utilizzo superiore al 95%.
- Buone condizioni ambientali e di lavoro: il rivestimento contiene pochi solventi ausiliari, producendo una minima nebbia di vernice durante la volatilizzazione e riducendo l'inquinamento ambientale.
Svantaggi del rivestimento elettroforetico
- Grandi investimenti: gli investimenti in attrezzature sono elevati e i requisiti di gestione operativa sono rigorosi.
- Numerose limitazioni di processo: i film elettroforetici sono limitati a un solo colore. Non è possibile rivestire contemporaneamente più tipi di pezzi metallici. Materiali non conduttori come plastica e legno non possono essere sottoposti a elettroforesi. Inoltre, una finitura non può essere elettroforeticata su una superficie di primer e la resistenza agli agenti atmosferici del primer stesso è relativamente scarsa.
- Carico di lavoro di pulizia pesante: Per garantire la conduttività al contatto con il pezzo in lavorazione, i ganci devono essere puliti accuratamente e frequentemente, il che comporta un carico di lavoro elevato e un'intensità di manodopera elevata.
Attrezzatura per rivestimento elettroforetico
L'attrezzatura per il rivestimento elettroforetico è composta da un serbatoio per elettroforesi, un serbatoio di riserva, un sistema di circolazione e filtrazione, un sistema di ultrafiltrazione, dispositivi elettrodici, un dispositivo di regolazione della temperatura della vernice, un dispositivo di rifornimento della vernice, un sistema di ventilazione, un alimentatore CC, un quadro elettrico, un dispositivo di risciacquo post-elettroforesi e un dispositivo di stoccaggio della vernice.
Vasca per elettroforesi
La vasca di elettroforesi è l'attrezzatura principale e il contenitore in cui avviene il processo; le sue dimensioni sono determinate dalle dimensioni esterne massime dei pezzi da lavorare. Comprende la vasca principale, la vasca di riserva e la vasca di troppo pieno. Il rivestimento elettroforetico è generalmente suddiviso in sistemi continui a passaggio e a gradini intermittenti. Il primo è adatto alla produzione di massa e utilizza vasche a forma di nave, mentre il secondo è adatto a lotti di medie dimensioni e spesso utilizza vasche rettangolari. Le vasche di troppo pieno sono solitamente installate su uno o entrambi i lati per controllare il livello del liquido e rimuovere la schiuma superficiale. La vasca di riserva viene utilizzata per immagazzinare temporaneamente la soluzione di vernice durante la pulizia o la manutenzione della vasca principale.
Sistema di circolazione e filtrazione
Questo sistema comprende pompe di circolazione, tubazioni e ugelli di spruzzatura, e in genere utilizza una combinazione di circolazione di filtrazione, scambio termico e ultrafiltrazione. Il suo scopo è garantire la stabilità della composizione e della concentrazione della vernice, mantenere una buona disperdibilità e prevenire la precipitazione dei pigmenti. Per evitare la sedimentazione, è necessario mantenere una portata e un numero di cicli specifici.
Dispositivo elettrodico
Questo dispositivo è costituito da piastre elettrodiche, coperture del diaframma, elettrodi ausiliari e un sistema di acqua deionizzata. Per l'elettroforesi anodica, vengono utilizzate piastre di rame o acciaio inossidabile come anodi, con un rapporto tra area catodo e superficie del pezzo in lavorazione generalmente di 1:1. L'elettroforesi catodica richiede piastre in acciaio inossidabile o lega di titanio per il catodo, con un rapporto tra area catodo e superficie del pezzo in lavorazione tipicamente di 1:4. Le coperture del diaframma sono strutture a forma di sacchetto realizzate con membrane semipermeabili riempite di acqua deionizzata; ospitano le piastre elettrodiche e impediscono agli acidi o alle basi elettrolitiche di diffondersi nella vernice, stabilizzando così il pH. Gli elettrodi ausiliari vengono utilizzati per garantire la formazione uniforme del film su pareti interne e cavità complesse.
Dispositivo di rifornimento della vernice
Il rabbocco avviene in un serbatoio di miscelazione in cui la vernice originale viene diluita con il liquido di lavoro, agitata e miscelata prima di essere aggiunta al serbatoio di elettroforesi. In alternativa, è possibile integrare un miscelatore direttamente nella tubazione di circolazione per un rabbocco continuo.
Dispositivo di risciacquo post-elettroforesi
Dopo la formazione della pellicola, i pezzi devono essere immediatamente e ripetutamente risciacquati utilizzando ultrafiltrato in circolazione, ultrafiltrato fresco e acqua deionizzata. Questo rimuove il liquido di vernice adeso dalla superficie della pellicola e ne impedisce la ridissoluzione o l'assottigliamento.
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Materiali adatti per il rivestimento elettroforetico
- Acciaio e sue leghe: tra cui carrozzerie di automobili, componenti di telai, parti di motori, ferramenta, utensili metallici, macchinari agricoli e acciaio strutturale per l'edilizia.
- Leghe di alluminio: tra cui componenti per autoveicoli come cofani, mozzi ruota, radiatori, staffe, profili in alluminio per porte e finestre, involucri di dispositivi elettronici di consumo e prodotti artigianali.
- Zinco e leghe di zinco: come lamiere di acciaio zincato (l'elettroforesi catodica sugli strati zincati è molto comune) e parti in lega pressofusa.
- Rame e leghe di rame: è necessaria particolare attenzione poiché la presenza di ioni di rame può compromettere la stabilità della soluzione nel serbatoio.
Fattori che influenzano il rivestimento elettroforetico
Il flusso del processo per il rivestimento elettroforetico è:
Sgrassaggio → Lavaggio con acqua fredda → Lavaggio con acqua calda → Condizionamento superficiale → Fosfatazione → Lavaggio con acqua fredda → Passivazione → Lavaggio con acqua deionizzata → Asciugatura → Rivestimento elettroforetico → Lavaggio con ultrafiltrazione → Lavaggio con acqua deionizzata → Cottura → Raffreddamento. La fosfatazione del pezzo prima dell'elettroforesi viene eseguita per migliorare le prestazioni protettive del film di rivestimento.
Contenuto solido
Il contenuto di solidi nel liquido di verniciatura è un fattore critico che influenza la stabilità, il potere penetrante, lo spessore del film e l'aspetto. Se il contenuto di solidi è troppo basso, la sedimentazione del pigmento diventa grave, la stabilità e il potere penetrante diminuiscono e il film risultante è sottile, ruvido, poroso e privo di capacità protettiva. Se il contenuto di solidi è troppo alto, il film si ispessisce, l'elettroendosmosi diventa difficile e la superficie diventa ruvida con una consistenza a buccia d'arancia; un contenuto di solidi elevato aumenta anche il carico sulla filtrazione e sul risciacquo. Generalmente, il contenuto di solidi è controllato al 10-15% per l'elettroforesi anodica e al 20% ± 0.5% per l'elettroforesi catodica.
La temperatura
L'aumento della temperatura della soluzione di vernice facilita l'elettrodeposizione e aumenta lo spessore del film. Tuttavia, temperature eccessivamente elevate accelerano l'evaporazione del solvente, diminuiscono la stabilità e causano rugosità o colature. Al contrario, basse temperature riducono la solubilità in acqua e aumentano la resistenza alla deposizione, portando a film sottili o alla mancata formazione di un film nelle aree incavate. Le basse temperature aumentano anche la viscosità, che intrappola bolle e si traduce in una superficie ruvida e opaca. Pertanto, le temperature per l'elettroforesi anodica e catodica devono essere controllate rispettivamente tra 20-25 °C e 28-30 °C.
valore del ph
Il valore del pH influenza direttamente la stabilità e la conduttività e deve essere rigorosamente controllato entro una fluttuazione di ±0.1. Generalmente, il pH dovrebbe essere compreso tra 7.5 e 8.5 per l'elettroforesi anodica e tra 5.8 e 6.7 per l'elettroforesi catodica. Un pH elevato nei sistemi anodici causa la decomposizione e l'instabilità della resina. Nei sistemi catodici, un pH basso riduce la forza coulombiana e il potere di proiezione, aumentando al contempo la corrosione dei tubi, mentre un pH elevato riduce la stabilità del liquido.
Conducibilità
La conduttività aumenta con la concentrazione delle impurità. Un'elevata conduttività intensifica l'elettrolisi, rendendo il film ruvido e poroso, e riduce la tensione, il potere di proiezione e la stabilità del liquido. Generalmente, la conduttività della vernice catodica è compresa tra 1000 e 2000 μS/cm, mentre la conduttività della vernice anodica è relativamente più elevata.
Distanza dell'elettrodo
Una distanza maggiore tra l'elettrodo e il pezzo in lavorazione aumenta la resistenza della soluzione. Se la distanza è troppo piccola, si verifica uno spessore irregolare sulle sporgenze e sulle rientranze del pezzo in lavorazione. Se la distanza è troppo grande, l'efficienza di deposizione diminuisce e il film diventa molto sottile o non si forma. Pertanto, la distanza tra gli elettrodi viene in genere mantenuta tra 150 e 800 mm.
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