阳极系统在阴极电泳中的作用

阳极系统在阴极电泳中的作用
电泳是轿车车身制造普遍采用的涂装工艺，它是提高车身使用寿命(耐腐蚀性)的主要手段。在阴极电泳中，所采用的电泳涂料是阳离子型(带正电荷)的树脂和颜料浆，被涂物(车身)作为阴极。在阴极上的最初反应是水电解形成氢气和氢氧根离子(OH-)，这一反应致使阴极表面产生高碱性界面层，使带正电荷的粒子在阴极上凝集，阳离子(树脂和颜料)与氢氧根离子(OH-)反应产生涂膜沉积。 在阳极区不断产生有机酸： 这些酸如不及时除去，就会进入槽液使pH值下降，影响工艺参数的稳定，影响泳透力及涂膜性能，再溶解性增大。除去槽液中游离酸的办法有两种：添加未中和或部分中和的阴极电泳涂料和采用阳极隔膜系统。一般常用阳极隔膜系统法，尤其是在大型阴极电泳涂装线上。 1 阳极系统的组成 阳极系统包含阳极液系统和阳极电源两部分，阳极液系统是阳极系统的主要组成部分，它由阳极隔膜系统、极液往返循环管路、泵、极液槽、电导率和混浊度控制仪、去离子水供给管路等组成。 1.1 阳极液系统 阳极隔膜系统是将阳极封闭在可冲洗的阳极罩上，极罩由不导电材料制成，敞开面(板式电极罩朝向被涂物的一面。管式电极四周都可算作敞开面)装有离子选择性隔膜。阳极有板式、管式、弧形阳极等形式，其中管式阳极目前应用最为普遍，下面着重介绍： 管式阳极单元由阳极罩(含离子交换膜)和阳极两部分构成，是过去板式阳极的替代产品。其结构紧凑，膜电阻小，耗电量低，泳透力高，单位膜面积大，使用寿命长，方便检修和管理。由于其体积小，重量轻，可安装于电泳槽的侧面、底部或上部，以满足不同涂装工艺的要求。阳极电极材料一般采用316L不锈钢，厚度最好不小于3．2mm，在正常情况下，阳极缓慢溶解，其寿命取决于通过电泳槽的生产率。 不锈钢阳极依靠钝化状态工作，但是不锈钢的活化溶解和钝化膜的形成受脉冲电流影响很大，实际生产中很难控制。阳极的概率寿命可达到若干年，为延长阳极的使用寿命，可选用氧化钌或钛基氧化物的电极。 试验表明：涂覆有氧化钉成分的阳极其寿命是不锈钢阳极的数倍，但初期投资也比不锈钢要多。由于氯含量对不锈钢阳极腐蚀非常明显，而氯含量多少对Ti基氧化物阳极毫无影响，因此也可选用钛基氧化物电极，Ti基氧化物阳极对电泳涂装现场的电流脉冲是完全允许的，是该阳极的工作电流范围。Ti基氧化物涂层阳极为尺寸稳定阳极，工作过程中只有少量活性涂层损失，Ti基体在生产中始终处于无损耗状态。阳极失活后，只需要重新涂活性层，Ti基体可以反复使用，可节省一定的资金。Ti基氧化物涂层阳极使用寿命长，用该阳极代替不锈钢阳极，可以避免阳极的频繁更换，有利于稳定正常生产，简化管理。 阳极面积：在阴极电泳涂装场合，阴极和阳极的面积之比为4：1，以汽车车身涂装线为例，阳极表面是指与通过工件相邻的被浸入阴极部分，阳极面积计算公式如下：阳极面积=(车身数／min×2min×表面积／车身)／4，全浸没时间超过2min的场合不要求加大阳极面积。 阳极罩的支撑体材料是塑料，最常用的如未增塑的聚氯乙烯(UPVC)，阳极隔膜是阴离子交换膜，阳极隔膜性能技术参数见表1。 另外，阳极液循环系统设计时要为每个极罩配一个安培计，以便连续观察各极罩的运行情况，极罩状况及操作数据随时可得，在各个极罩上连接的分流器或直流变压器可很好地监视每个极罩。阳极液循环管路必须用能耐pH值为2～5有机酸的不锈钢管或塑料管制成。阳极液的循环量为每平方米有效极面积(6～10)L／min，不断冲洗阳极，带走有机酸等阴离子。每个阳极罩的进液管上要装一个流量计，以监视阳极液流量。如果阳极液返回管为塑料管，应考虑阳极液接地措施(防止接触阳极液时有电击)。 阳极液系统要能够控制阳极液电导率在设定点的70～100μS／cm内。控制器及仪器量程应为0～2000μS／cm，高泳透力产品要求量程为0～10000μS／cm，阳极液槽的电导率传感器要装在远离阳极液返回管的位置，阳极液槽用“无极”(electrodless)电导率传感器(如：Foxboro871BCbodycodeBV)时工作性能较好。 去离子水：去离子水的质量对电泳槽槽液的稳定性至关重要，除电导率、杂质离子等理化指标外，细菌数也是一个非常重要的指标，一般在进入系统的去离子水管路上装有紫外灯杀灭细菌，尽管如此，仍然要在电泳实验室中检测去离子水系统的菌落数，当菌落数超过电泳漆供应商的产品要求时，要向电泳漆供应商或杀菌剂生产厂家(如Betz或Nalco)咨洵，处理去离子水系统，使其能与电泳漆的稳定性相适应。 1．2 阳极电源 阳极电源是将交流电源转换为直流电，直流整流器应能使电压在0～500V之间可调，实践经验表明：厚膜电泳漆(uni—prime)电流消耗大约为0．22A·h／m2系统设计要考虑50％的电流余量以供将来发展，可用下式计算泳涂一台车所需的总电流： 所需总电流(A)-0.22A·h／m2×S×60min／h 式中：s为每分钟能涂的面积。 考虑安全系数，这个安培数乘以1．5来求出放大的规格，把总流量分成两部分，每一部分单独配整流器，设计要考虑配有专用及独立启动的备用整流器，以确保整流器发生故障时生产也能连续进行且质量不降低。建议采用限流整流器以保护设备。整流器“供电平稳”度或输出脉动率很重要，直流电要经滤波，电压脉动波动幅度不能超过平均直流电压的5％，满负荷情况下，电压脉动率要小于5％。 2 阳极系统的安装维护 在电泳槽投槽之前，必须安装好阳极系统，除设备(整流电源、循环管路、阳极槽及控制仪表)完好外，安装阳极是一件非常重要的工作，在安装前，所有阳极罩都要作渗漏试验，在投槽时，极罩中必须装有去离子水，以防隔膜破裂，极罩渗漏或损坏时应立即更换。 阳极应沿槽壁布置，浸入槽液中的深度不得小于槽垂直壁槽液深度的40％。在全浸泳涂时间超过或等于3min场合，阳极的排布要从出槽口向前排，一般在人槽端靠近入槽车身部位不布置阳极。在泳涂汽车车身面积较大的被涂物场合，可在底部和顶部也布设阳极，这样可使电泳涂层厚度更加均匀。建议2个电极段之间至少有1个极罩的间隙，以防止漆在电压较低区的阳极和极罩上沉积，如果两个极罩之间的电压差超过75伏，要留出2个极罩的间隙，电压差超过100伏，要留出3个极罩的间隙，如果用二极管防止回流，1个极罩的间隙就已足够。 阳极液循环系统要安设阳极液电导率的自动控制装置，预先设置阳极液电导率为一定值，当偏差为100μS／cm时，系统会自动排放阳极液，加入新鲜去离子水，电导率传感器要装在阳极液槽中远离阳极液返回管的位置，一般装在进液管路上。