阴极电泳中的阳极系统

汽车涂装技术：阴极电泳中的阳极系统
摘要：介绍了轿车阴极电泳中阳极系统的组成及其设计选型的原则。详细分析了阳极管的选材、构造、性能及其维护保养技术，阐述了常见典型问题的解决措施。
关键词：阴极电泳；阳极；阳极管；杀菌
0 前言
阴极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。
当阳极液pH值接近3、电导率明显超过设定值时，说明阳极液中已含有大量的酸根离子和金属离子，这些都会对形成良好的电泳漆膜产生不利影响，因此要及时充分排放阳极液(即阳极液置换)，大量排放阳极液时要考虑到排放对废水处理的影响，高泳透力材料的独特化学原则使阳极液电导率保持在4000～6000μS/cm之间。
阳极液必须清澈而透明，如果浑浊说明有槽液进入阳极液。当槽液进入阳极液，通电时会使阳极隔膜内表面涂上漆，使阴、阳极之间的流动受影响，从而影响涂层质量和生产效率，极液混浊度的测定可用目视法和混浊度测量仪。
当发现阳极液浑浊时，应立即停止极液泵，在可能的情况下，切断直流电源，查出有漏洞的阳极罩，将其与系统隔断，停产后检修或迅速更新。
2．1 阳极的日常维护
小心维护阳极及阳极系统对电泳涂装过程至关重要。阳极构成电路使电流畅通，而阳极液控制槽液的pH值，必须经常监视阳极的溶解情况以便及时换调有可能损坏的阳极。要经常检查阳极系统，特别是阳极泥及细菌生长情况，当阳极槽液中出现类藻类生物粘液时，说明阳极系统内已滋生大量细菌，必须及时对阳极系统杀菌，否则会堵塞阳极液循环回路，甚至污染电泳槽，阳极液槽中的电导率测头要定期清理，阳极液电导率要进行试验室检查以校准槽子的计量仪表，不是所有的不锈钢阳极材料都能同样地防止阳极罩中酸性介质的腐蚀。
2．2 停产期间阳极系统维护
轿车涂装线经常会停产检修设备，停产期间阳极系统维护相对电泳槽而言较简单，除断开阳极直流电源外，应保证控制检测系统正常运行。此外还应进行如下操作：
(1)排空阳极槽液，补人新鲜去离子水，循环至阳极槽内流体电导率小于100μS，停止补水，保．持阳极泵运行；
(2)恢复生产前，排空槽内液体，加入新鲜去离子水，用醋酸将电导率调到400μS以上即可。
3 阳极液系统杀菌
电泳漆阳极系统内杀菌除去生物粘液是对系统的特殊操作，施工人员必须熟悉系统、原材料性能、设备使用的安全要求，预备防护目镜和橡胶手套，首先要将阳极液的进、回液管间短路连接，让流体不通过阳极管，以避免杀菌剂对阳极造成损害。操作人员必须穿着全套的安全防护服(包括防护面具、防护手套、外套、围裙、防护靴)，操作程序如下：
(1)仔细检查系统是否泄漏和确保合适的密闭循环回路。不要试图一次就清理完全，系统有可能因清理太多的生物粘液而导致回液管路堵塞。
(2)对附着在阳极槽及回液管路端口上的大面积粘液进行机械清理，以防止进、回液管的进一步堵塞。
(3)首先清洗阳极液储存槽。再排干系统内的液体。
(4)用尽可能大的去离子水冲洗系统内的泵、管道、过滤器以除去明显的生物粘液。
(5)在阳极槽内回液管口安装100目的过滤网袋。
(6)将阳极与进回液管路隔离开，以使杀菌剂可以在系统内所有管路循环但不通过阳极。
(7)按4：1000的比例向阳极槽中加人35％H2O进行循环，循环时间持续6h以上或直至系统清洁为止，在循环过程中要注意过滤袋网是否堵塞并随时更换。
(8)清洗完成后排干清洗液，加人新鲜去离子水循环(多次)至系统清洁为止。
(9)对于阳极管，应逐根拆下并用新鲜去离子水仔细清洗阳极管和极棒，冲洗干净后在管中装满新鲜去离子水并立即安装复原。
(10)将系统管路连接恢复，并加入新鲜去离子水循环。检查系统内各单元是否堵塞，泄漏，并予以处理。
(11)系统杀菌后，初期生产的一段时期要加强阳极液的排放和置换，并加强生产现场的情况跟踪。
4 结语
阳极系统是轿车阴极电泳设备的一个重要组成部分，必须科学设计选材，精心选型安装，细致维护清理，才能发挥阳极系统的功能，为生产出良好的电泳防腐涂层提供保证。