電泳塗裝是汽車業常用的塗裝工藝。本文將探討電泳塗裝的定義及其運作原理。
什麼是電泳塗層？
電泳塗裝是一種塗裝工藝，其中待塗工件浸入水性塗料中，並作為其中一個電極（陰極或陽極）。在對應的電極上施加直流電。在電場的作用下，帶電塗料顆粒定向遷移至工件表面，並在表面放電沉積形成塗層。
電泳塗裝方法通常根據塗料的特性和被塗工件的極性進行分類。
當工件作為陽極並使用陰離子塗料時，此製程稱為陽極電泳塗裝。相反，當工件作為陰極並使用陽離子塗料時，則稱為陰極電泳塗裝。目前，全球超過90%的汽車車身塗裝採用陰極電泳塗裝流程。
雖然陽極電泳塗層價格較低，但其耐腐蝕性不如陰極電泳塗層。因此，目前幾乎所有製造商都採用陰極電泳塗層。電泳塗層可形成均勻且附著力極佳的表面，適用於複雜形狀工件的塗覆，甚至可在內腔表面沉積薄膜。然而，該製程設備複雜，需要大量投資，且適用的塗層種類有限，目前僅限於水溶性和水乳化塗料。
電泳塗裝工藝
電泳塗裝是一種高度複雜的電化學反應。無論是陰極還是陽極，這個過程都涉及四種典型的同時發生的機制：電泳、電沉積、電滲析和電解。在此過程中，水性分散塗層中的離子化樹脂會解離成帶電的膠體顆粒。在直流電場的作用下，透過這四種機制的共同作用，這些顆粒遷移到工件表面並放電，最終形成絕緣塗層。
電泳
電泳是指帶電膠體粒子在電場力的作用下向極性相反的電極移動的過程。在電泳過程中，不帶電的顏料和填料顏料顆粒也可能吸附在帶電膠體粒子上，並隨其一起移動。通常，塗料溶液中固含量越低、黏度越低，其電泳阻力就越小。
電沉積
電沉積是指帶電膠體粒子到達極性相反的電極（工件）並放電，形成不溶性絕緣塗層的過程。與電鍍不同，電泳過程中塗層的導電性會發生變化，使其變成絕緣體。電沉積首先發生在工件表面電場線集中的區域。隨著絕緣膜厚度和麵積的增加，其電阻也會顯著增加。
電滲析
電滲流是指分散介質沿著與帶電粒子運動方向相反的方向移動的現象。在電泳過程中，新形成的塗層膜是一種高含水量的半透膜。在電場力和內部滲透力的作用下，膜內的水和離子會發生定向電滲流和逆電泳運動，進入溶液中。通常，電滲流的脫水作用可使塗層膜的含水量降低5%至15%。
電解
水在直流電場中發生電解反應，陰極釋放氫氣，陽極釋放氧氣。這導致陰極pH值升高，陽極pH值降低。溶液電導率越高，電解反應越劇烈；電極處pH值變化越大，氣泡越多，導致針孔增多，塗層表面粗糙度增加。因此，雖然電沉積是此製程的主要反應，但電解作用是影響塗層品質的關鍵因素。陽極電泳雖然設備投資少、塗料成本低，但耐腐蝕性差、電壓較低。與陽極電泳塗層相比，陰極電泳塗層的防護能力是其3到4倍，庫侖效應是其兩倍，塗佈力是其1.2到1.4倍。因此，陰極電泳應用廣泛，而陽極電泳主要用於要求較低的應用。
電泳塗層的優勢
- 易於實現自動化和機械化：電泳塗裝具有高度自動化、塗裝速度快、生產效率高等特點。例如，汽車底漆電泳塗裝的效率比傳統浸塗製程高出450%。
- 薄膜厚度均勻性高：即使在角落、縫隙、孔洞和焊接凸起等不規則區域，也可以透過調節電壓和控制電沉積過程來實現均勻的塗層厚度。
- 塗層品質高：形成的漆膜平整光滑，無流掛。乾燥過程中流平性極佳，美觀性高，節省打磨時間，降低生產成本。此外，漆膜還具有良好的耐水性和附著力。
- 塗料利用率高：由於塗料濃度低、黏度低，工件帶走的塗料很少，因此塗料利用率可達 95% 以上。
- 良好的環境和工作條件：此塗料含有少量輔助溶劑，在揮發過程中產生的油漆霧極少，從而減少了環境污染。
電泳塗裝的缺點
- 投資額大：設備投資高，營運管理要求嚴格。
- 製程有諸多限制：電泳薄膜只能塗覆單色。多種類型的金屬工件無法同時進行塗覆。塑膠和木材等非導電材料無法進行電泳塗覆。此外，面漆無法電泳塗覆在底漆表面，而且底漆本身的耐候性也相對較差。
- 繁重的清潔工作: 為了確保與工件接觸時的導電性，吊架必須徹底且頻繁地進行清潔，這導致工作量大、勞動強度高。
電泳塗裝設備
電泳塗裝設備由電泳槽、備用槽、循環過濾系統、超濾系統、電極裝置、塗料溫度調節裝置、塗料補充裝置、通風系統、直流電源、控制櫃、電泳後沖洗裝置及塗料儲存裝置組成。
電泳槽
電泳槽是電泳塗裝的核心設備，也是製程發生的容器；其尺寸取決於工件的最大外部尺寸。電泳槽通常包括主槽、備用槽和溢流槽。電泳塗裝一般分為連續式和間歇式兩種。前者適用於大量生產，通常採用船型槽；後者適用於中等批量生產，通常採用矩形槽。溢流槽通常安裝在主槽的一側或兩側，用於控制液位和去除表面泡沫。備用槽用於在清洗或維護主槽時暫時儲存塗料溶液。
循環和過濾系統
該系統包括循環泵、管道和噴嘴，通常採用過濾循環、熱交換和超濾相結合的方式。其目的是確保塗料成分和濃度的穩定性，保持良好的分散性，並防止顏料沉澱。為避免沉澱，必須保持特定的流速和循環次數。
電極裝置
該裝置由電極板、隔膜蓋、輔助電極和去離子水系統組成。陽極電泳採用銅或不鏽鋼板作為陽極，陰極與工件的面積比通常為1:1。陰極電泳則需要不銹鋼或鈦合金板作為陰極，陰極與工件的面積比通常為1:4。隔膜蓋是由半透膜製成的袋狀結構，內部填充去離子水，用於容納電極板並防止電解酸或鹼擴散到塗料中，從而穩定pH值。輔助電極用於確保在複雜的內壁和空腔上形成均勻的塗層。
油漆補充裝置
補漆過程在混合罐中進行，將原漆與工作液稀釋、攪拌混合後，再加入電泳罐。或者，也可以將攪拌器直接整合到循環管道中，以實現連續補漆。
電泳後沖洗裝置
成膜後，必須立即以循環超濾液、新鮮超濾液和去離子水反覆沖洗工件。這樣可以去除附著在膜表面的塗料液體，防止膜再次溶解或變薄。
適用於電泳塗裝的材料
- 鋼鐵及其合金：包括汽車車身、底盤零件、引擎零件、五金件、金屬工具、農業機械和建築結構用鋼。
- 鋁合金：包括汽車零件，如引擎蓋、輪圈、散熱器、支架，門窗鋁型材，消費性電子產品外殼和手工藝品。
- 鋅及鋅合金：例如鍍鋅鋼板（在鍍鋅層上進行陰極電泳非常常見）和壓鑄合金零件。
- 銅和銅合金：需要特別注意，因為銅離子的存在可能會影響罐內溶液的穩定性。
影響電泳塗層的因素
電泳塗佈流程如下：
脫脂→冷水清洗→熱水清洗→表面處理→磷化→冷水清洗→鈍化→去離子水清洗→乾燥→電泳塗裝→超濾液清洗→去離子水清洗→烘烤→冷卻。電泳前對工件進行磷化處理是為了提高塗層的保護性能。
固體含量
塗料液的固含量是影響其穩定性、塗佈力、膜厚和外觀的關鍵因素。固含量過低會導致顏料沉澱嚴重，穩定性、塗佈力下降，形成的漆膜薄、粗糙、多孔，且缺乏保護性能。固含量過高則會導致漆膜增厚，電泳分離困難，表面粗糙，呈現橘皮紋理；高固含量還會增加過濾和沖洗的難度。通常，陽極電泳的固含量控制在10%～15%，陰極電泳的固含量控制在20%±0.5%。
溫度因素
提高塗料溶液的溫度有利於電沉積並增加薄膜厚。然而，過高的溫度會加速溶劑揮發，降低穩定性，並導致表面粗糙或下垂。相反，過低的溫度會降低水溶性並增加沉積阻力，導致膜層過薄或在凹陷區域無法成膜。低溫也會增加黏度，導致氣泡滯留，最終形成粗糙暗淡的表面。因此，陽極電泳和陰極電泳的溫度應分別控制在20–25°C和28–30°C之間。
酸鹼值
pH值直接影響溶液的穩定性和電導率，必須嚴格控制在±0.1的波動範圍內。通常，陽極電泳的pH值應為7.5～8.5，陰極電泳的pH值應為5.8～6.7。陽極體系中pH值過高會導致樹脂分解和不穩定。陰極體系中，pH值過低會降低庫侖力和電泳能力，同時加劇管線腐蝕，而pH值過高則會降低溶液的穩定性。
電導率
導電性隨雜質濃度的增加而增強。高導電性會加劇電解，使塗層表面粗糙多孔，並降低電壓、噴射力和液體穩定性。通常，陰極塗料的導電性為1000–2000μS/cm，而陽極塗料的導電性相對較高。
電極間距
電極與工件之間的距離越大，溶液的電阻就越大。如果距離太小，工件凸起和凹陷處會出現厚度不均勻的情況。如果距離過大，沉積效率會下降，薄膜會變得很薄甚至無法形成。因此，電極距離通常保持在 150 至 800 毫米之間。
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