0 前 言

陰極電泳(CED)涂裝是必須采用專用涂料和涂 裝設備的技術含量高且復雜的水性涂料涂裝方法。 專用涂料就是VOC含量低的水性CED涂料。CED涂 裝能實現全自動化，且涂著效率高、CED涂膜性能優 良、耐腐蝕性能優異、能成倍提高汽車車身的使用壽 命(保證10～12 a不產生穿孔銹蝕)、特別適用于大量 流水的車身涂裝(JPH60臺/h，鏈速6 m/min以上)。自 1977年世界上第一條汽車車身CED涂裝線在美國投 產以來，CED涂裝工藝技術在世界汽車工業中的普 及率和普及速度是史無前例的，在20世紀80年代就 形成新建汽車車身涂裝車間都采用CED涂裝工藝之 勢，汽車車身的陰極電泳化率很快達到90%以上。

在近30年中，CED涂料及涂裝技術有了較大的 技術進步，已經是非常成熟的、先進高效的涂裝工 藝，至今尚無理想的汽車車身涂底漆工藝技術替代CED涂裝工藝[1]。CED涂裝工藝在農機、工程機械、建 材、家用電器、五金、金屬制家具、摩托車、電動車、自 行車及其零部件等工業領域得到推廣應用。

基于CED水性涂裝的優點，人們早已認為CED 涂裝屬于綠色涂裝技術，可是按當今的"綠色涂裝理 念"實現10個更少、6個高效、2個更高、1個更低[2]，可 持續發展等創建環境友好型、低碳經濟社會的時代 要求，和清潔生產的生態及經濟目標來衡量，再加上 生產實踐中的感受，傳統的CED涂裝尚存在以下不 理想之處：

(1)能耗較大：CED涂料的固化溫度偏高(170～ 180 ℃)，不利于節能減排和熱容量大的工件(厚板 件、鑄件及空腔件)采用CED涂裝，希望CED涂膜固化 低溫化、快速化。

超值膜厚無論作業或不作業，槽液必須24 h不停 攪拌，使耗電量偏高。希望改進CED的泳透力和沉降 性，節省電能、降成本。

(2)對泳透力的概念理解不到位，第1、2代CED涂 料的泳透力偏低或太低。泳透力原僅理解為：在電泳 涂裝過程中使背離電極(陰極或陽極)的被涂物表面 上漆的能力(僅是遠離電極之意，理解為靜電噴涂時 的環繞性)。需增加理解為：在電泳涂裝過程中穿透 孔、隙，克服屏蔽效應，使被涂物空腔內表面(隱蔽部 位)涂上漆的能力。

國內最早用一汽鋼管法、福特盒法，現普遍用四 枚盒法。前兩種方法適合測試泳透力較低的電泳涂 料，四枚盒法(圖1)展示了車身各部位的結構：A面車 身門外表面；H面為背(或遠)離電極的表面(如車身頂 蓋外表面)；B、C面為背(或遠)離的表面(車身內表面， 地板)；D、E表示車身門內腔、立柱；F、G表示需穿過3 個Ф8 mm的孔，克服屏蔽效應才能到達的內夾層、空 腔內表面。

在采用泳透力較低的第1、2代CED場合，為使車 身內腔表面涂上漆(≥10 μm)，是靠提高泳涂電壓和 延長泳涂時間來實現的，即使這樣有時還是達不到 要求，還要采取增設輔助電極的措施(如廂式面包車 身內安裝隨行輔助陽極，來確保車身內表面及空腔 內表面涂上漆)。其結果是產生外表面(尤其是靠近陽 極的被涂面)泳涂膜厚超厚(達25～28 μm，甚至厚達 30 μm以上)。另外車身各部位的泳涂時間不一樣，造 成車身外表面厚度薄厚不均(有時相差10 μm)。車身 外表面CED的膜厚基準一般為20 μm，超值膜厚造成 CED消耗量的增大、成本的提高。

(3)具有銳邊的工件和表面粗糙的被涂物(拋丸 處理過的鑄件和厚板件)CED涂裝后，耐腐蝕性能差。 在電泳過程中泳涂膜厚正常(可能因尖端效應，銳邊 和凸出部位的涂膜還厚一些)，但在烘干時受熱展平 性或表面張力的影響，銳邊和尖端部位的膜厚變薄， 甚至可能露底，抗不住鹽霧試驗。

(4)CED涂層作為底面合一涂層使用場合，應具 有一定的耐候性。以環氧樹脂為基料的CED涂料耐 腐蝕性很好，可是耐候性差，工件露天存放1～2個月 就嚴重失光。

(5)需進一步提高CED涂裝的環保性。低加熱減 量化、低VOC化、無重金屬(無鉛無錫)、無有害物質 (HAPs)，實現電泳后清洗污水零排放。現今CED涂料 烘干時的"油煙大"，槽液調整經常需加溶劑。

近3～5 a來，引入"綠色涂裝"理念，創建"綠色涂裝車間(Green painting shop)和高效的涂裝工藝體 系，成為以汽車涂裝為代表的工業涂裝發展的主流 趨勢。轉型必須重新審評傳統工藝的環保性、經濟性 和資源利用的合理性等。CED涂裝工藝雖非常成熟， 但還存在上述不足需克服，涂料和涂裝界在CED涂 裝方面進行大量開發、研究、改進工作，并取得了較 大的技術進步。如CED涂料在薄膜高泳透力、銳邊耐 蝕性、固化低溫化、低加熱減量和低VOC化、耐候性、 無有害物質和節能降成本方面都取得了突破性的進 展。

1 新推出和已投產應用的CED涂料新品種

1.1 薄膜高泳透力型CED涂料(車身打底用) 為省資源，降低CED涂裝成本，開發涂膜厚度(車 身外表面15～18 μm，內腔≥10 μm)為基準的薄膜高 泳透力型CED涂料，在外表面膜厚降低的條件下，防 腐蝕性、外觀(粗糙度)等性能仍與原有的CED涂料相 同，其泳透力在與前處理轉化膜(磷化膜或薄膜型無 磷轉化膜)配套后，四枚盒泳透力應達到G/A=0.6以 上，泳涂膜厚在設定的(15～18 μm)工藝條件下，延長 泳涂時間，涂膜厚度幾乎不增加。提高濕涂膜電阻， 在工藝設定的泳涂電壓下，達到工藝要求的膜厚后， 就不再電沉積或電沉積與反溶量平衡，關鍵目標是 提高泳透力。

國內外涂料公司近幾年推出的品種有：湘江關 西的HT-8000、PPG公司的ED-7000、艾仕得(原杜邦 公司)ES27、BASF公司CG800、凱柏立邦的PN1400等 品牌的CED涂料都達到上述目標值(參見表1)，在近2 a里已在全球全面商業化。

1.2 薄膜高泳透力型CED涂料的優點

(1)每臺車身涂料的消耗量可以降低20%左右， 降低綜合涂裝成本約10%。實例：某轎車車身電泳涂 裝線，標準型CED涂料的消耗量為2.41 kg/臺；采用第 一代高泳透力CED涂料消耗量降為2.13 kg/臺；采用 高泳透力HT-8000后，降到1.89 kg/臺，總降低27.5%。

(2)能降低CED涂裝的運行成本。在相同庫侖效 率下隨沉積量(整體膜厚的降低)的減少約20%，電能 消耗也降低，陽極液的排放也減少，烘干室的排氣也 減少而節能，同時降低了車身質量(約0.5 kg/臺)。

(3)與薄膜新型(納米級)前處理配套性良好，外觀 好，消除采用薄膜型無磷化前處理工藝泳透力下降 的現象。

(4)可以和目前使用的CED涂料進行混槽平穩轉 換(注意：當需替換不同供應商的產品或不同體系的 產品時，需經混槽驗證后才能替換)。

(5)隨CED涂料泳透力的提高，可取消泳涂廂式 空腔復雜結構的被涂物場合的輔助電極。如在泳涂 廂式車身時在車身內安裝隨行輔助陽極，而采用高 泳透力CED 時可取消(參見圖6)。

1.3 CED涂料固化(烘干)溫度低溫化、快速化

從圖4的HT-8000和ES21、27的烘干窗口來看，都 比標準CED涂料的烘干窗口更寬廣了。原采用乙二 醇改性的二苯亞甲基異氰酸酯(MDI)和錫/鉛催化劑， 通常的烘干條件為(160～180) ℃×20 min，如選用催 化作用更好的催化劑，最低的烘干條件為150 ℃×20 min(低于135 ℃，將固化不良)。

用肟和鄰苯二甲酸酯(DMP)改性的脂肪族異氰 酸酯(并選用相應的催化劑)可在120～130 ℃下交聯 固化，可是受CED涂料槽液穩定性的限制(據資料介 紹，CED涂料在120 ℃以下化學交聯固化同時又要維 持良好的槽液穩定性幾乎不可能)。

標準CED涂料和低溫烘干型涂料的烘干窗口列 于圖7中。從圖中的升溫曲線可看出厚板件的熱容量 比薄板件大，升溫時間長，如采用低溫烘干型CED涂 料可縮短烘干時間30%。

車身CED涂裝烘干規范的選擇，不僅取決于 CED涂料，還要考慮被涂汽車車身的材質及其制造 工藝的需要。如車身輕量化采用高強度鋼板，鋁合金 板材、黏接替代焊接工藝等，常借用電泳烘干后處 理。選擇較低的CED烘干溫度，也要滿足高強度鋼板/ 鋁板的熱硬化，結構膠和泡沫交聯固化的需要。

浩力森涂料(上海)公司最近開發成功OHT系列 超低溫CED涂料，烘干條件為工件溫度(110～120) ℃×25 min，其烘干規范如圖8所示。且槽液穩定性良 好，涂膜性能也達到標準要求，為不耐高溫烘干的工 件(如橡膠或塑料與金屬的組合件)和熱容量大的鑄 鍛件、厚板件、空腔結構件采用陰極電泳涂裝工藝創 造了條件。

CED涂料固化低溫化、快速化是CED涂裝節能 減排主要措施之一。按一般經驗，在高溫烘干場合， 烘干溫度每降低10 ℃，可節能約10%左右。另外低溫 化也有利于降低CED涂裝的加熱減量。

1.4 銳邊耐腐蝕型CED涂料

銳邊耐腐蝕性CED涂料系指被涂物的銳邊(如 鋼板切口)、尖端(如拋丸處理過的鑄鍛件、厚板件表 面的凸出部)在CED涂裝后覆蓋性優良(與其他部位 相比，涂膜厚度不大幅度減薄見圖9)，具有一定的耐腐蝕性。銳邊耐腐蝕性的測定，不是在普通鋼板上劃 "×"試驗，而是用單面刀片電泳后，進行鹽霧試驗， 考察刀口產生的銹點和起泡的多少。在CED配方設 計時要考慮采用阻流措施，如添加流變抑制劑，來防 止烘干時的熱流平性或銳邊涂膜的熱收縮現象。

圖9中顯示ESTM 27 CED涂料更均勻。在汽車車 身CED涂裝中銳邊耐腐蝕性(邊角膜厚)可認為不是 關鍵項，因由后工序的沿縫隙涂密封膠彌補之。可是 對于有銳邊(切口)的零部件(如車輪、車架等)、拋丸處 理過的鑄鍛件和厚板件而言，CED涂料的銳邊耐腐 蝕性(覆蓋性)是關鍵項(性能)。

1.5 省攪拌低沉降型CED涂料

為防止顏料沉降、凝聚、堆積，傳統的CED涂料 槽液必須連續攪拌，而低沉降型CED涂料的特性是 非涂裝時可以不攪拌(或定時進行攪拌)，僅在涂裝作 業時進行相應的攪拌，使槽液的固體分、溫度均一化 和除去被涂物表面上的氣體。

其結果是可大幅度節省攪拌所需的電能，實例 如圖10所示。可降低攪拌時能耗85%，可不設防止停 電所需的備用電源。可減少由顏料沉降引起的涂料 損失及維護費用和涂膜弊病，減少溶劑蒸發量。

設計開發省攪拌低沉降型CED涂料的代表新技術措施是顏料低密度化、微粒化(采用微粒化的顏料 或變更分散工藝)、顏料低濃度化(或無顏料化)。

開發采用低沉降型CED涂料也是CED涂裝的節 能減排的主要措施之一。在近10年中低沉降型CED 涂料在日本的市場高速增長。

1.6 耐候性CED涂料(底面合一CED涂料)

在汽車車身涂裝中，CED涂料僅作為底漆使用； 而在汽車零部件、五金、室內用具等領域涂裝中， CED涂膜可作為單一涂層使用，既是底漆又是面漆， 稱為底面合一型CED涂料。當CED涂層在室外使用 于被涂物(如車輪、車架等)上既要求有良好的耐腐蝕 性，又要有一定的耐候性。當初以環氧樹脂為主體的 CED涂料耐腐蝕性優異，可耐候性一般。如采用耐候 性較好的丙烯酸樹脂CED涂料，耐腐蝕性又不理想， 另外成本也較高。

新推出的耐候型CED涂料是將環氧CED涂料和 丙烯酸CED涂料復合配制而成。它是利用兩種樹脂 的熔融熱流動性、表面張力的差異，在涂膜干燥過程 中通過自分層技術，使CED涂膜的底層以環氧樹脂 為主，表面層是以丙烯酸樹脂為主，形成自分層型或 耐蝕耐候兼有的底面合一型CED涂料。中山大橋化 工的PD2000底面合一黑色CED涂料已推廣應用于汽 車車架、摩托車車架，其涂膜厚20～35 μm，烘干溫度 (160～175) ℃×20 min，耐鹽霧500 h，耐候性(氙燈試 驗)500 h后，失光率≤30%，色差≤5 NBS。

1.7 CED涂料的環保性進步

CED涂裝的VOC來源于有機溶劑含量(包括涂 料所含的溶劑和生產線上調整補加的溶劑)和烘干 過程中產生的油煙(加熱減量)。實現低VOC化，現今 VOC已降到0.4%～0.8%，加熱減量降到4%以下[注 意：測濕涂膜重的干燥溫度和測固體分的干燥溫度 相同(105 ℃)，有的單位選120 ℃，可能使加熱減量的 測試結果偏低]。

無鉛無錫CED涂料已普遍使用，不含鎘、鉻、汞 等重金屬，不產生有害物質(HAPs)。

2 CED涂裝工藝、裝備及管理方面的"綠 化"技術

(1)厚膜CED涂裝，一次泳涂膜厚達40 μm左右。 隨著緊湊工藝或免中涂工藝的采用和自分層型底面 合一CED涂料的開發應用，使"二次電泳工藝"已無 發展前景。

(2)CED涂裝與粉末涂料配套的"濕碰濕"工藝， 有兩種施工順序：

①CED涂裝后吹干水分，靜電噴涂粉末涂料，隨后CED涂膜/粉末涂膜一起烘干；

②車身外表面先噴涂粉末涂料，待熱熔融后再 進行CED涂裝，隨后粉末涂膜/CED涂膜一起烘干，此 工藝稱為逆工序電泳涂裝工藝。該工藝的優點是提 高泳透力，減少60%的CED涂料，用厚度為70 μm的 粉末涂層替代車身外表面的CED底漆和中涂層，其 缺點是粉末涂層與CED涂膜的交接處涂膜不完整， 致使已投產的涂裝線又更改為其他工藝。

"濕碰濕"工藝①是可行的，減少一道烘干而節 能減排，并可推廣應用到濕(未固化的)CED涂膜上噴 涂液態涂料或涂密封膠后一起烘干。

(3)CED涂裝后清洗工藝的精益化設計。電泳后 清洗的目的是洗掉涂膜表面的槽液(浮漆)，回收電泳 涂料和提高涂膜表面質量。為防止再溶解和提高清 洗效率，清洗次數不宜太多，清洗時間不宜太長。一 般為3道(3個區段)工序，其中2道UF液、1道純水洗[為 提高清洗效果和逆工序補液，在每個區段內可增設 預清洗或新鮮UF液(或純水)排管]。清洗方式：結構簡 單無夾縫的工件采用噴淋方式；對結構較復雜有夾 縫的被涂物(如車身)，為消除二次流痕，采用噴浸結 合方式(先噴后浸)。清洗時間：噴淋≤0.5 min；浸：浸 入即出。

選用ED-RO反滲透裝置再生循環去離子水洗， 替代新鮮純水供循環純水洗槽出口端的最后一環水 洗，提高水的利用率，實現電泳污水"零"排放。

在底面合一涂裝和涂膜外觀(裝飾性)要求不高 的場合，電泳后可僅UF液清洗。

(4)優化設計選用被涂物的輸送方式。如轎車車 身電泳涂裝線選用滾浸式輸送機系統，不僅可縮小 電泳槽的長度(容積)，并可使車身涂裝完全(實現車 身100%被涂面涂上漆)且帶漆(清洗液)量、兜液量大 幅度減少(由10～12 L/臺減少到2～3 L/臺)，減少涂 料損失和耗水量。

在CED涂裝零部件的場合，零部件的裝掛密度 可高些，原則上不碰、不貼在一起(相距1 cm)即可。在 確保CED涂膜均勻的前提下，每掛可盡量多掛些(注 意每掛的涂裝面積或質量應盡量接近)以提高CED涂 裝效率和降低生產線的鏈速或增長間歇式生產的節 拍。

(5)在確保生產能力、滿足工藝要求和被涂物(或 裝掛框架)通過性的前提下，電泳槽容積(容量)應設 計得盡可能小些，以減少一次投槽CED涂料量，槽液 的循環量和縮短槽液的更新期，有利于節能降成本 和槽液的穩定。

(6)在烘干室的熱源采用天然氣(或液化氣)的場 合，烘干CED涂膜可采用煙道氣直接加熱法(在烘干白色或淺色的底面合一CED涂料要通過工藝試驗確 認)，與間接加熱法相比，可節能減排30%左右。

(7)改變供貨方式，節省涂料，降低成本。在CED 涂料由供應商直供OEM廠的場合，由原來的按涂料 的供貨量計價結算，改為按涂裝合格被涂物產量計 價結算(CPU)。涂料供應商參加或承包CED涂裝線的 現場管理，可顯著提高CED涂料的利用率，涂料容器 清洗更干凈，包裝容器再生利用率大幅度提高。可杜 絕生產線上的跑、冒、滴、漏等浪費涂料現象，雙方管 理嚴格，供貨雙方目標一致。

3 為CED涂裝工藝更"綠化"的建議

(1)CED涂料是僅適用于CED涂裝法的專用涂 料，為擴大其在各工業涂裝領域的應用，適應各種被 涂物的需求，應多品種化。結合實際進行個性化地開 發新產品，改進老產品。

槽液穩定、涂膜外觀無缺陷、固化低溫化、耐蝕 性好(按被涂物的技術要求和使用環境不同，可分等 論級，如耐鹽霧性分為≥500 h、720 h和1 000 h以上)、 作業生產性優良、環保性達標等應是CED涂料· 涂裝 具有的基本性能。有些性能之間，如厚膜與泳透力(濕 涂膜電阻)、涂膜外觀平整光滑(Ra)與銳邊覆蓋耐蝕 性(抗熱流平性)、涂膜固化低溫化快速化與槽液穩定 性、低溫型烘干涂膜與其耐蝕性等之間還存在一些 矛盾，要靠涂料專家和涂裝工藝師根據實際需要，利 用高超的技巧，平衡設計出性價比最優的配方和涂 裝工藝參數，研制出以被涂物所需的主要性能為特 色，并能兼顧相關性能的CED涂料。

根據被涂物的結構、材質、技術要求和使用環 境，筆者將CED涂裝分類及其特性歸納于表2中，供 讀者參考。

(2)堅持走涂料· 涂裝一體化之路。涂料廠應加 強售前售后服務，提高服務水平，將產品延伸到涂 層。CED涂層質量是以涂料配方及其制造工藝和涂 裝工藝及其裝備互為支撐，兩者密不可分。CED涂料 是專用涂料，一旦投產應用，供貨關系就相對穩定， 有利于涂料廠與客戶雙方之間合作，有利于涂料廠 參加涂裝現場的管理，易實現CPU供貨方式；有利于 涂料廠及時從涂裝現場和涂層使用中搜索反饋問 題，改進和創新CED涂料。

(3)采用CED涂裝工藝的企業應加速"綠化"轉型 進程，加速CED涂料更新換代。設計、建設新的涂裝 線應按"綠色涂裝"理念，精益優化設計，千萬不要再 按傳統工藝翻版設計，進一步提高CED涂裝的環保 性，資源利用率、降低能耗、降低CED涂裝成本、提高 產品和企業的競爭力，為創建環境友好型、低碳經濟 型社會作點貢獻。

參考文獻

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收稿日期 2014-02-11