电泳漆的电化学反应

电化学反应

目前有两类电泳体系，按照历史发展的顺序，它们是：①阳 极电泳，其挂件为阳极；②阴极电泳，其挂件为阴极。

阳极电泳始于20世纪60年代，已成功地使用了许多年， 是对喷涂、浸涂这些涂装施工的发展。阳极电泳可以获得均 匀、有效的覆盖膜。

从化学角度来看，电泳涂料由树脂（常称为漆基或成膜

物）、颜料和添加剂分散于均一介质——水中。这个分散体是由树脂颗粒、添加剂及颜料组成的均匀体系。阳极电泳涂料的 树脂中和剂为減性：

在上述两例阳极树脂中均带一个负电荷，由此增加其分散性能，并且形成可能电移动和电沉积的体系。

阴极电泳涂料利用同样的原理，但其功能基团相反，有机酸是阴极电泳树脂的中和剂。

同样，中和剂可促使溶解和形成可能电移动的体系。

阴、阳极电泳涂料的沉积，是发生一系列电化学反应的结 果，每个过程包括树脂的溶解、水的电解和树脂的析出、涂料 的沉积。图1-2显示出阳极和阴极反应的两个电沉积过程。

在电泳过程中，最先发生的电化学反应是水的电解：

通电

2H20一-2H2+02

(阴极）（阳极）

①阳极反应：

H20 ~+ 2HT +2e-

②阴极反应：

2H20~-H2 f +20H_—2e一

这样在阳极的周围，呈现很强的酸性，而阴极的周围则呈 现较强的碱性。

阳极电泳涂料中树脂成分是含有一COO NH,+多元酸聚合 物的氨基。在通电后，以一C00阴离子形式存在的聚合物游 向阳极，被H+中和发生沉淀反应。另外，由于在阳极电泳过 程中伴随着阳极金属件的电化学溶解（副反应），会产生一部 分阳极金属离子，带人电泳涂膜中或溶于电泳槽中。

阴极电泳涂料是由含有氨基的改性树脂，通过加人酸中和 成盐而形成带有RNX+Z_的亲水型聚合物，其中Z_为相应的 有机酸（多为醋酸、甲酸和乳酸）根离子，RNX'为聚合物离 子，在通电后，阴极表面由于电解产生大量0H_而呈碱性， 阳离子聚合物与0H—相互作用而失去亲水性，并在阴极上以 R„N的形式沉积下来。涂料中的颜、填料也通过电沉积过程沉 积在电极上，电沉积涂膜中含有少量的有机溶剂和水分，是一 种高度集中的胶体结构。由于阴极电泳涂装过程中，作为被涂 物的表面呈碱性，因此采用阴极电泳涂料涂装能对黑色金属有 缓蚀保护作用，能显著提高金属材料的防腐蚀性能。

电沉积是一个逆于溶解的步骤，是由直流电流引发的化学反应。

①在阳极电沉积中，其反应顺序如下：

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

在最后一步中，在阳极水解产生的H+与PCOCT结合转 化成为它原来不溶于水的结构，产生电沉积。

②在阴极电泳中，其反应顺序如下：

pr2n+rcooh —^PR2NH+ +PCOO—

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

其中，关键的反应发生在阴极上，在最后一步中，水解产 生的中的H+结合，析出不溶性的树脂，导 致膜的形成。

从产品的角度看，由于金属的氧化而产生的溃点，尤其是 铁，会使涂装质量降低。

Fe~^Feu +2e 一 Fe ~HFe3++3e*

铁氧化物的伴随产物是铁锈，并由此产生斑溃。

2H20+〇2 ~-40H-2Fe2+ +40FT ~^2Fe(OH)2

2Fe(0H)2-^T2Fe203 • H20+其他产物 h2 u

以改性环氧树脂和丙烯酸树脂生产的阴极电泳涂料涂膜物 理性能优越，人们通过优化工艺配方降低了在涂层烘烤过程中 产生的黄变现象，这些新产品的出现和新工艺技术的应用更进 一步扩大了阴极电泳涂料的使用范围。

新型阴极电泳涂料具有以下优点：

①更好的保光、保色性；

②漆膜成膜性好；

③较好的抗洗涤剂性能；

④斑渍少；

⑤金属基材较少溶解。

目前，市场上阴极电泳涂料占有很大比重，当然阳极电泳 涂料仍有很强的立足之地。电泳由下列过程组成：

①施以电压并产生电流

②电极处水的分解（电解）；

③涂料粒子向与其电荷极性相反的电极移动（电泳）；

④涂料粒子析出（电沉积）

⑤涂料粒子紧密吸附于工件之上（电渗析）

⑥由于涂料的涂覆工件变成电绝缘，电沉积自动停止。

电泳涂装过程中伴随着四种化学物理变化，即电解、电 泳、电沉积和电渗。

(1)电泳（electrophoresis)在电场作用下，带电荷的胶 体粒子会向相反电荷电极泳动，这一现象称为电泳。

(2)电解（electrolysis)    任何一种导电液体在通电时产 生分解的现象称电解。例如，在具有导电性介质的水溶液中， 在通直流电的条件下，在阳极表面产生氧气并发生金属溶解， 在阴极表面还原氢气并析出金属这一现象称作电解。

(3)电沉积(electro-deposition)    在电泳涂装时，带电荷 的粒子（树脂和颜、填料）在电场作用下到达带相反电荷的电 极，被H+ (阳极电泳）或0H—(阴极电泳）所中和，变成不 溶于水的涂膜，这层漆膜很稳定，而且致密均一。这一过程称 为电沉积。

在电沉积的过程中，电场力是形成致密均一涂膜的主要

因素。

随着电荷的中和，膜厚增加，相应地增加了工件涂覆表面 的绝缘性。实质上，膜厚随时间增加而加厚，但随着绝缘性的 增加，这种变化趋于减小，如图1-3，最后工件变得完全绝缘, 随着时间的延长膜厚并不明显增加。

(4)电渗（eletroendosmosis) 在概念上讲是电泳的逆过 程。如果电沉积出的颗粒附着在某一位置上，它们不再随电场 的作用而发生移动，分散介质在不致密的松散颗粒中作与其移 动方向相反的移动。这个电化学过程引起溶剂渗析出来，电沉 积膜的机械结合紧密加强。这一过程称为电渗。

在电泳过程中更深层的电化学现象是泳透力，是电沉积在 工件背面或凹面区域可以获得漆膜的能力，对于特别复杂的工 件，这是一个体系设计所应该考虑的。

泳透力实质上是在电极和被涂工件之间，涂料粒子沿着电 场的电力线移动，并最终沉积的能力，当电场穿过里面时，其 电场力降低，而且电场力线有转向最近一点的自然倾向（福特 盒效应）。据观察，电场穿透的最大高度约与凹处开口的直径相等，然而在电泳沉积过程中，由于电泳涂料的绝缘效应，在 开口邻近处电场强度会明显下降。

总之，有机涂料可以在均一的介质中的导体上沉积，通过 电解、电泳、电渗析而获得高性能的电沉积漆膜。