第五章 水性涂料及其涂装

第五章水性涂料及其涂装第一节基本概念第二节乳胶涂料第三节水溶性涂料第四节电泳涂装工艺习题2024/3/251本章教学要求1.了解水性涂料制备、成膜机理及特点；2．熟悉电泳涂料的类型、性能特点、适应范围、成膜

机理和涂装工艺，掌握电泳涂装工艺及影响涂膜质

量的主要因素；3.

了解电泳涂装设备与设计；4.了解常见涂膜弊病产生原因及消除方法。2024/3/252成膜物质完全或主要以水为分散介质的涂料称水性涂料或水性漆。水作溶剂的特点：①在0℃结冰，水性涂料应保存在凝固点以上。②水在100℃沸腾，单一的水挥发时其挥发性比溶剂低得多。③使用水性涂料时基材前处理要求更加严格。④水性涂料固化时消耗的能量相应地增加,对基材有选择性。⑤水是不燃的，使用安全性提高。⑥水性涂料采用静电喷涂静电隔离技术的难度加大。⑦涂装的工具可用水进行清洗。第一节基本概念第一节基本概念2024/3/253水性树脂水性树脂是能溶解于水或分散于水中的一类树脂。能溶解于水的水溶性树脂有水溶性醇酸树脂、水性环氧酯、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、水性聚酯等；能分散于水的水分散性树脂有苯丙乳液、醋酸乙烯乳液、丙烯酸乳液等。第一节基本概念2024/3/254水性涂料品种水溶性涂料

树脂能溶解于水中（粒子尺寸<0.1μm）构成的单相均匀的分散体系。水溶性涂料中可采用电泳（电沉积）涂装的被称电泳涂料。水分散性涂料

树脂粒子分散在水中（粒子尺寸在0.1～10μm）形成的非均相体系。水分散性涂料中以乳胶涂料为代表。第一节基本概念2024/3/255

第二节乳胶涂料一、建筑乳胶涂料乳胶涂料是由聚合物乳液、颜料、分散剂、成膜助剂及消泡剂、防霉剂、增塑剂等组成。乳胶涂料的固化机理：常温下，通过水的蒸发和漆粒的凝结而固化成膜。乳胶涂料的成膜物质：作为内墙建筑乳胶涂料的主要成膜物质为醋酸乙烯乳胶和丙烯酸酯乳胶；外墙建筑乳胶涂料的主要成膜物质为聚丙烯酸酯乳胶。乳胶涂料的制备过程：①单体的制备②乳液的制备③乳胶漆第二节乳胶涂料2024/3/256乳液的成膜过程乳液的成膜过程第二节乳胶涂料2024/3/257内墙建筑醋酸乙烯乳胶涂料配方举例：1、醋酸乙烯单体的制备

乙炔+醋酸→醋酸乙烯2、聚醋酸乙烯乳液的制备醋酸乙烯单体46%聚乙烯醇(增稠剂)

2.5%（改善涂料的流变性能）OP-10(乳化剂)

0.5%（大多数树脂乳液靠乳化剂来稳定）邻苯二甲酸二丁酯(增塑剂)

5%水

45.76%过硫酸钾（引发剂)

0.09%碳酸氢钠(漂白剂)

0.15%第二节乳胶涂料2024/3/2583、醋酸乙烯乳胶漆制备①聚醋酸乙烯乳液(含固率50%)42%②钛白(颜料)

26%

滑石粉(填料)

8%③羧甲基纤维素(增稠剂)

0.1%

聚甲基丙烯酸钠(增稠剂)

0.08%

六偏磷酸钠(分散剂)

0.15%

亚硝酸钠(防锈剂、杀菌剂)

0.3%

醋酸苯汞(防霉剂)

0.1%

水

23.27%第二节乳胶涂料2024/3/259优点：①以水作为分散介质，安全无毒。②涂膜透气性好。③施工方便，可以采用刮涂、刷涂、辊涂，喷涂等施

工方法，施工后工具清洗容易。④涂膜耐水、耐碱、耐候等性能良好，能满足内外墙

保护性能要求。第二节乳胶涂料2024/3/2510缺点：

①施工环境温度不能低于其最低成膜温度（一般5～15℃）。②涂料流平性不如溶剂型涂料，涂膜易产生刷痕。③涂膜装饰性不如溶剂型涂料，外观不够细腻。一般为无光至半光。第二节乳胶涂料2024/3/2511二、自沉积涂料自沉积涂料由合成树脂分散体、氧化剂、酸及颜填料、水等组成。自沉积涂料成膜机理：在酸的作用下，钢表面产生的Fe2+被氧化剂氧化成Fe3+，当钢表面Fe3+浓度超过某一值时，与乳液中的羧基及乳化剂中的硫酸根离子等反应，使乳液中和、破乳，在金属界面析出成膜。自沉积涂装工艺通常包括除油、水洗、自沉积涂漆、水洗、铬酸盐浸渍处理及烘干六道工序。第二节乳胶涂料2024/3/2512自沉积涂漆法特点：①涂料不含任何挥发性的有机溶剂，可挥发的介质全部

是水，其环境污染可略而不计。②自沉积涂层十分均匀，不存在泳透力问题，在涂装形

状复杂工件时此优点尤为突出。③防腐性能比一般阳极电泳漆好。④节约能源。涂装时挂具不用清洗。⑤自沉积涂漆装置比传统的电沉积涂漆装置简单，设备

费用和涂装成本均低1/2以上。因工序少，占地面积节

约20～50％。第二节乳胶涂料2024/3/2513⑥底材涂装前不需磷化处理，形成涂膜的防腐蚀性能

接近带磷化膜的电沉积涂膜。⑦槽液维护较困难，需要非常细心。⑧颜色受到限制（基体溶解，颜色较深，不能选择亮

色）、基底仅限于钢和铁。⑨后处理时不可能没有Cr6+离子，这是一种对环境有

害的离子。第二节乳胶涂料2024/3/2514

第三节水溶性涂料水溶性树脂是在高分子化合物的分子上引入亲水性基团，如-COOH、-NH2这些极性基团，通过酸碱中和成盐，获得水溶性的树脂。带有氨基（—NH2）的聚合物以羧酸中和成盐，中和剂可以是无机酸或有机酸（阴极电泳）。

碱性聚合物中和剂水溶性阳离子树脂第三节水溶性涂料2024/3/2515带有羧基的聚合物以胺中和成盐，作为中和剂的物质可以是氨水、无机碱或有机胺等（阳极电泳）。～～～～～～～～～～～～～～～

+

RNH2～～～～～～～～～～～～～～COOHCOOHCOOHCOO-COO-COO-RNH3+RNH3+RNH3+酸性聚合物中和剂水溶性阴离子树脂第三节水溶性涂料2024/3/2516水溶性涂料是由下列几部分组成的：①水性化的成膜树脂；②辅助溶剂及助剂；③pH值调整剂（如有机酸有甲酸、乙酸、乳酸；无机酸有盐酸、磷酸；碱性中和剂有氨水、无机碱或有机胺，如乙醇胺）；④纯水；⑤色浆等。

分单包装和双包装（树脂乳液、色浆分装）两种包

装形式。第三节水溶性涂料2024/3/2517

第四节电泳涂装工艺一、电泳涂装的基本原理二、电泳涂装工艺条件及其控制三、电泳涂装设备与设计第四节电泳涂装工艺2024/3/2518电泳涂装视频整车电泳涂装2024/3/2519一、电泳涂装的基本原理1、电泳2、电沉积3、电解4、电渗返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2520电泳涂装的基本原理电泳涂装是以水溶性涂料和纯水（电导率≤10μs/cm）为稀释溶剂，调配成槽液，将导电的被涂物浸渍在槽液中作为阳极（或阴极），另在槽液中设置与其相对应的阴极（或阳极），在两极间通以一定时间的直流电，通过电泳、电解、电沉积和电渗等物理化学作用，在被涂物表面上沉淀有一定厚度、均一、不溶于水的涂膜的一种涂装方法。电泳涂料是多组分混合物。它的电化学过程复杂的，一般包括电泳、电解、电沉积和电渗四个同时进行的过程。第四节电泳涂装工艺2024/3/25211、电泳在直流电场的作用下，分散在水中的带电胶体粒子，向自身所带电荷电性相反的电极发生定向移动，这种胶体粒子移动现象称为电泳。树脂在泳动时，要夹带着或吸附着颜料、填料等一起泳动。所以，电泳过程实际上就是正、负离子分别向两极移动的过程。返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2522阴极电泳示意图阳极电泳示意图第四节电泳涂装工艺2024/3/25232、电沉积带电的树脂粒子在电场作用下，移动到相反电性的电极上时，发生电化学的反应，形成不溶于水的漆膜而沉积在电极表面，这个过程称为电沉积。它是电泳涂装过程中的主要反应。返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2524

涂料沉积与电场的分布关系a电沉积开始时的电场和涂料沉积b电沉积后期的电场和涂料沉积(a)(b)第四节电泳涂装工艺2024/3/25253、电解水发生电解H2O≒OH-+H+，在阴极和阳极上分别有氢和氧析出，成为气泡放出。以可溶性金属作阳极时，会有少量金属离子溶出，因此，阳极电泳漆很少有浅色。控制电解反应，电泳时应尽量不用过高电压，在保证质量前提下，缩短电泳时间。同时，严防槽液中其它杂质离子含量升高，所以工件入槽前水洗要彻底。返回第四节电泳涂装工艺2024/3/25264、电渗电渗的作用是将涂膜脱水，使涂膜由疏松变致密。电渗作用的好坏会影响到漆膜外观。影响电渗作用的主要因素是水溶性树脂的分子量、电泳涂料的颜填料比例、pH值等。返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2527阴极、阳极电泳涂装性能对比：涂件作为阴极，表面不会被溶解；用作涂料的阳离子树脂所形成的涂膜呈碱性对金属有钝化作用以及表面的磷化膜不被溶解等原因，极大地增强了涂装产品的抗腐蚀能力，其耐盐雾性远远强于阳极电泳涂装。

阴极电泳漆的泳透力一般为阳极电泳漆的1.3～1.5倍，特别是对复杂形状的零件有更佳的覆盖效果。第四节电泳涂装工艺2024/3/2528阴极电泳的槽液稳定性要高于阳极电泳槽液，其外观要优于阳极电泳膜层，适合用作面漆。阴极电泳漆采用有机酸作中和剂，毒性低于有机胺作中和剂。缺点是涂料价格比较昂贵、维护费用高、配成槽液后pH值呈弱酸性，对设备具有腐蚀性；工作电压高，设备功率大，一次性投资费用较高。第四节电泳涂装工艺2024/3/2529二、电泳涂装工艺条件及其控制1、电泳电压2、槽液pH值3、固体含量4、槽液温度5、电泳时间6、极间距和极比7、电泳涂料性能返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2530恒电压法——电压始终为恒定值。操作比较简单，但该方法初期沉积速度太快，造成漆膜粗糙，烘烤后外观不好。04860120tsAⅠ图恒电压法电流与时间关系曲线1、电泳电压电泳涂装的电压，主要取决于电泳涂料的品种。在实际生产中，电泳涂装的通电方式一般有两种，即恒电压法和恒电流法。返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2531初期电流控制的恒压法——在电沉积刚刚开始时用低电压，使冲击电流不致过大，随后逐步升高电压至规定值。04860120tsAⅠ图初期电流控制法电流与时间关系曲线恒电流法——电流保持恒定值。恒电流法可以在沉积效率和漆膜外观等方面，提供最好的综合效果。生产操作略为复杂。第四节电泳涂装工艺2024/3/25322、槽液pH值在通常情况下，阳极电泳液合适的pH值范围为7.5～8.5，阴极电泳液合适的pH值为5.5～6.5。

调整pH值的方法：

极罩法（也叫电极隔膜法）在电沉积过程中，槽液的中和剂等小分子和其它一些离子可通过半透膜而进入极罩内，树脂和颜料无法通过，通过极液电导率的测定，不断更换极罩内的极液（排放极液，补充纯水）即可去除多余的中和剂。加料法补加中和剂含量低的原液调整。返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2533阳极(+)阴极(-)隔膜极液极液流出口电极(SUS)中和剂(有机酸根)极液循环系统涂料工件第四节电泳涂装工艺2024/3/25343、固体含量固体含量指涂料中基料（树脂）与颜料在涂料中所占的比例。阳极电泳槽液的固体份一般为8％一15％阴极电泳槽液的固体份一般为18％一20％测量固体份的方法是取2～3g的槽液，在一定的温度和时间下烘烤（温度和时间根据漆的品种而定，一般取120℃，使水分蒸发掉），冷却至室温后秤重。返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2535配制所需固体份的漆液，根据稀释前后溶液所含溶质的总量不变进行计算：加漆量：D=（AXB）/C加水量=A—D式中A——工作液的总量，㎏；B——工作液的固体份含量，%；C——原漆的固体份含量，%；D——需加入的原漆质量，㎏。

2024/3/25364、槽液温度一般电泳槽液温度控制在20～30℃，最佳控制温度为27±1℃，必须采用恒温措施。生产中采用的恒温设备有槽外板式热交换器、槽体夹套式。返回第四节电泳涂装工艺热水槽电泳槽管道清洗槽板式交换器锅炉蒸汽2024/3/25375、电泳时间从通电开始到电沉积结束所用的时间称为通电时间。一般情况下，约2～3分钟后，达到一定厚度，延长通电时间，膜层厚度几乎不再增加，漆膜出现沉积和再溶解的动态平衡，时间过长，对膜层质量不利。为保证电泳槽的使用寿命，配好的槽液要24小时循环搅拌。返回第四节电泳涂装工艺2024/3/25386、极间距和极比电极与被涂物之间的距离称为极间距。电泳涂装过程中，零件的各个不同的部位与电极间的距离之差不能太大，一般在5～6倍以内。一般极间距的合适距离，宜保持在100～800mm之间。极比系指电极面积与被涂物表面积之比。在设置电极时，应尽可能正对着被涂面。阳极电泳，极比为：阳极：阴极=0.5～2:1

阴极电泳，极比为：阴极：阳极=1～4:1返回第四节电泳涂装工艺2024/3/25397、电泳涂料性能电泳涂料自身性能对电沉积的影响因素包括电导率、颜基比、泳透力、库仑效率等几个方面。①泳透力是指涂料对被涂物背离电极的部位的涂覆能力。

钢管法容器金属条塑料管或钢管返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2540P/B=煅烧后重量120℃

烘干后样品重量—煅烧后重量P——颜料量B——基料量(树脂=固体份-灰份）②颜基比颜基比是涂料中颜料与基料(树脂)的质量比。电泳涂料颜基比控制在1：2～4较理想。第四节电泳涂装工艺2024/3/2541③库仑效率库仑效率通常用来衡量电泳涂料的上膜能力。表示耗用1库仑的电量析出的涂膜质量（mg/C），一般控制在30mg/C。库仑效率高，槽液的稳定性不良，可采用添加中和剂；库仑效率低，膜层分布不均，可采用废弃超滤液或添加溶剂来调整。库仑效率测定可参照化工部标准HG/T3337-1985《电泳漆库仑效率测定法》进行。2024/3/2542库仑效率（mg/C）计算：X=(G1-G2)/Q

式中：G1——涂漆后试板重，mgG2——涂漆前试板重，mgQ——库仑计指示的库仑数，C2024/3/2543电泳涂装与电镀的异同点

都采用直流电源、都发生电化学反应、两者都需要严格的前处理。但供电方式不同，电镀采用大电流、低电压的恒电流法，电泳涂装采用高电压、低电流的初期电流控制的恒电压法。电泳是带电荷的有机高分子在电场中的运动，电镀是金属离子的移动；电泳涂装沉积层不导电，电镀层导电。电镀的对电极一般参与置换反应，阴极电泳涂装的对电极多为不溶性导电材料（不锈钢板、石墨电极）。断电后工件不出槽，电泳漆膜会被再溶解，而电镀层一般不会。电泳漆膜中含有5~15％的水分，而电镀膜没有；电泳所得的涂膜需加热固化成膜，电镀层吹干即可。对于电泳涂装来讲，工件可以作为阴极，也可作为阳极，因此电泳涂装又可分为阴极电泳或阳极电泳；对电镀来讲，工件通常作为阴极。

2024/3/2544三、电泳涂装设备与设计1、电泳槽2、储备槽3、电泳后冲洗设备4、超滤装置(UF)5、制冷调温系统6、阳极系统及直流电源返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2545电泳涂装设备一般由电泳槽、槽液循环过滤系统、超滤（UF）装置、电极和极液循环系统、控温系统、直流电源供电系统、涂料补给装置、电泳后清洗装置、电泳涂装室（防尘罩）、电气控制柜等专用装置组成。再由这些专用设备与输送被涂物的设备（传输系统）、烘干室、强冷室等组成电泳涂装生产线。第四节电泳涂装工艺2024/3/2546上挂直流电源热交换器过滤机前处理槽上UF清洗一级循环UF液洗二级循环UF液洗循环纯水洗新鲜纯水喷烘干过滤机UF系统透过液储水槽排放浓缩液阳极液槽纯水排放

电泳槽电泳涂装工艺及设备流程图第四节电泳涂装工艺2024/3/25471、电泳槽

电泳槽是电泳涂装作业的浸槽(或称主槽)，有船型槽和矩形槽两种，依据生产纲领、年产量、工件外形尺寸及吊挂方式、电泳时间、工艺速度等主要参数，确定电泳槽的结构形式和尺寸。返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2548第四节电泳涂装工艺2024/3/2549电泳涂装主体设备示意图

1-主槽3-喷嘴14-热交换器13-过滤器12-磁性过滤器11-循环泵10-泵9-涂料补充槽8-溢流槽7-搅拌器6-工件5-供电机构4-主槽输送链2-直流电源返回2、储备槽第四节电泳涂装工艺2024/3/25503、电泳后冲洗设备1-超滤器2-电泳槽3-第一级超滤水冲洗设备（循环超滤液）4-第二级超滤水冲洗设备（新鲜超滤液）5-去离子水冲洗设备（纯水洗+纯水直喷）二级循环超滤水洗系统示意图返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2551为保证电泳漆利用率>95％，设置多次UF液冲洗装置，采用逆流冲洗喷淋方式。最后设去离子水清洗，以保证电泳漆膜的表面质量。透过液（超滤液）用量的计算式的推导按照：溶液浓度=（溶质质量/溶液质量）×100%

解一元二次方程

一级清洗系统透过液量计算（P204）：溶液浓度=（溶质质量/溶液质量）×100%（1）CR1=CB·q′+CF·Qpq′+QpQP=CB-CR1CR1-CF·q′第四节电泳涂装工艺2024/3/2552Qp=﹝√1/4+(CB-CR2)/(CR2-CF)-1/2﹞·q′

(2)CR2=CR1·q′+CF·Qpq′+Qp（CR2-CF）QP2+（CR2·q′-CF·q′）Qp+CR2·q′2-CB·q′2=0设式中QP为未知数X,a=CR2-CF,b=（CR2-CF）q′，C=(CR2-CB)q′2解一元二次方程X=-b+√b2-4ac2b

二级清洗系统透过液量计算（P205）第四节电泳涂装工艺2024/3/2553

超滤（ultrafilter）是一种多孔膜分离装置，在电泳过程中的三大作用：净化稳定槽液、提高涂膜质量、延长涂料的使用寿命。回收涂料，提高涂料的利用率。提供超滤水，节约大量冲洗水，减少排放，有利于环保。4、超滤装置(UF)返回第四节电泳涂装工艺2024/3/2554超滤过程示意图（P191）超滤器的结构型式有管式、中空纤维式、卷式和板式四种形式，组合形式有串并联（P197）。

第四节电泳涂装工艺2024/3/2555螺旋卷式原液透过液浓缩液膜中心管净化水流向第四节电泳涂装工艺2024/3/2556卷式第四节电泳涂装工艺2024/3/2557中空纤维式原液中空膜末端外径85um原液分配用多孔管透过液环氧管垫中空膜保护网浓缩液出口内径42um第四节电泳涂装工艺2024/3/2558多管式原液多管式透过液浓缩液第四节电泳涂装工艺2024/3/2559单管式原液透过液浓缩液管式第四节电泳涂装工艺2024/3/2560形式性能板式管式卷式中空纤维式膜面积/体积较大小较小大支撑体结构复杂较复杂简单简单堵塞情况易堵塞不易堵塞易堵塞易堵塞清洗情况难易难