汽車涂裝技術(shù)：陰極電泳中的陽(yáng)極系統(tǒng)
摘要：介紹了轎車陰極電泳中陽(yáng)極系統(tǒng)的組成及其設(shè)計(jì)選型的原則。詳細(xì)分析了陽(yáng)極管的選材、構(gòu)造、性能及其維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)，闡述了常見典型問題的解決措施。
關(guān)鍵詞：陰極電泳；陽(yáng)極；陽(yáng)極管；殺菌
0 前言
陰極電泳是轎車車身制造普遍采用的涂裝工藝，它是提高車身使用壽命(耐腐蝕性)的主要手段。在陰極電泳中，所采用的電泳涂料是陽(yáng)離子型(帶正電荷)的樹脂和顏料漿，被涂物(車身)作為陰極。在陰極上的最初反應(yīng)是水電解形成氫氣和氫氧根離子(OH-)，這一反應(yīng)致使陰極表面產(chǎn)生高堿性界面層，使帶正電荷的粒子在陰極上凝集，陽(yáng)離子(樹脂和顏料)與氫氧根離子(OH-)反應(yīng)產(chǎn)生涂膜沉積。
在陽(yáng)極區(qū)不斷產(chǎn)生有機(jī)酸：
這些酸如不及時(shí)除去，就會(huì)進(jìn)入槽液使pH值下降，影響工藝參數(shù)的穩(wěn)定，影響泳透力及涂膜性能，再溶解性增大。除去槽液中游離酸的辦法有兩種：添加未中和或部分中和的陰極電泳涂料和采用陽(yáng)極隔膜系統(tǒng)。一般常用陽(yáng)極隔膜系統(tǒng)法，尤其是在大型陰極電泳涂裝線上。
1 陽(yáng)極系統(tǒng)的組成
陽(yáng)極系統(tǒng)包含陽(yáng)極液系統(tǒng)和陽(yáng)極電源兩部分，陽(yáng)極液系統(tǒng)是陽(yáng)極系統(tǒng)的主要組成部分，它由陽(yáng)極隔膜系統(tǒng)、極液往返循環(huán)管路、泵、極液槽、電導(dǎo)率和混濁度控制儀、去離子水供給管路等組成。
1.1 陽(yáng)極液系統(tǒng)
陽(yáng)極隔膜系統(tǒng)是將陽(yáng)極封閉在可沖洗的陽(yáng)極罩上，極罩由不導(dǎo)電材料制成，敞開面(板式電極罩朝向被涂物的一面。管式電極四周都可算作敞開面)裝有離子選擇性隔膜。陽(yáng)極有板式、管式、弧形陽(yáng)極等形式，其中管式陽(yáng)極目前應(yīng)用最為普遍，下面著重介紹：
管式陽(yáng)極單元由陽(yáng)極罩(含離子交換膜)和陽(yáng)極兩部分構(gòu)成，是過去板式陽(yáng)極的替代產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)緊湊，膜電阻小，耗電量低，泳透力高，單位膜面積大，使用壽命長(zhǎng)，方便檢修和管理。由于其體積小，重量輕，可安裝于電泳槽的側(cè)面、底部或上部，以滿足不同涂裝工藝的要求。陽(yáng)極電極材料一般采用316L不銹鋼，厚度最好不小于3．2mm，在正常情況下，陽(yáng)極緩慢溶解，其壽命取決于通過電泳槽的生產(chǎn)率。
不銹鋼陽(yáng)極依靠鈍化狀態(tài)工作，但是不銹鋼的活化溶解和鈍化膜的形成受脈沖電流影響很大，實(shí)際生產(chǎn)中很難控制。陽(yáng)極的概率壽命可達(dá)到若干年，為延長(zhǎng)陽(yáng)極的使用壽命，可選用氧化釕或鈦基氧化物的電極。
試驗(yàn)表明：涂覆有氧化釘成分的陽(yáng)極其壽命是不銹鋼陽(yáng)極的數(shù)倍，但初期投資也比不銹鋼要多。由于氯含量對(duì)不銹鋼陽(yáng)極腐蝕非常明顯，而氯含量多少對(duì)Ti基氧化物陽(yáng)極毫無(wú)影響，因此也可選用鈦基氧化物電極，Ti基氧化物陽(yáng)極對(duì)電泳涂裝現(xiàn)場(chǎng)的電流脈沖是完全允許的，是該陽(yáng)極的工作電流范圍。Ti基氧化物涂層陽(yáng)極為尺寸穩(wěn)定陽(yáng)極，工作過程中只有少量活性涂層損失，Ti基體在生產(chǎn)中始終處于無(wú)損耗狀態(tài)。陽(yáng)極失活后，
只需要重新涂活性層，Ti基體可以反復(fù)使用，可節(jié)省一定的資金。Ti基氧化物涂層陽(yáng)極使用壽命長(zhǎng)，用該陽(yáng)極代替不銹鋼陽(yáng)極，可以避免陽(yáng)極的頻繁更換，有利于穩(wěn)定正常生產(chǎn)，簡(jiǎn)化管理。
陽(yáng)極面積：在陰極電泳涂裝場(chǎng)合，陰極和陽(yáng)極的面積之比為4：1，以汽車車身涂裝線為例，陽(yáng)極表面是指與通過工件相鄰的被浸入陰極部分，陽(yáng)極面積計(jì)算公式如下：
陽(yáng)極面積=(車身數(shù)／min×2min×表面積／車身)／4，全浸沒時(shí)間超過2min的場(chǎng)合不要求加大陽(yáng)極面積。
陽(yáng)極罩的支撐體材料是塑料，最常用的如未增塑的聚氯乙烯(UPVC)，陽(yáng)極隔膜是陰離子交換膜，陽(yáng)極隔膜性能技術(shù)參數(shù)見表1。
另外，陽(yáng)極液循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要為每個(gè)極罩配一個(gè)安培計(jì)，以便連續(xù)觀察各極罩的運(yùn)行情況，極罩狀況及操作數(shù)據(jù)隨時(shí)可得，在各個(gè)極罩上連接的分流器或直流變壓器可很好地監(jiān)視每個(gè)極罩。陽(yáng)極液循環(huán)管路必須用能耐pH值為2～5有機(jī)酸的不銹鋼管或塑料管制成。陽(yáng)極液的循環(huán)量為每平方米有效極面積(6～10)L／min，不斷沖洗陽(yáng)極，帶走有機(jī)酸等陰離子。每個(gè)陽(yáng)極罩的進(jìn)液管上要裝一個(gè)流量計(jì)，以監(jiān)視陽(yáng)極液流量。如果陽(yáng)極液返回管為塑料管，應(yīng)考慮陽(yáng)極液接地措施(防止接觸陽(yáng)極液時(shí)有電擊)。
陽(yáng)極液系統(tǒng)要能夠控制陽(yáng)極液電導(dǎo)率在設(shè)定點(diǎn)的70～100μS／cm內(nèi)?？刂破骷皟x器量程應(yīng)為0～2000μS／cm，高泳透力產(chǎn)品要求量程為0～10000μS／cm，陽(yáng)極液槽的電導(dǎo)率傳感器要裝在遠(yuǎn)離陽(yáng)極液返回管的位置，陽(yáng)極液槽用“無(wú)極”(electrodless)電導(dǎo)率傳感器(如：Foxboro871BCbodycodeBV)時(shí)工作性能較好。
去離子水：去離子水的質(zhì)量對(duì)電泳槽槽液的穩(wěn)定性至關(guān)重要，除電導(dǎo)率、雜質(zhì)離子等理化指標(biāo)外，細(xì)菌數(shù)也是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，一般在進(jìn)入系統(tǒng)的去離子水管路上裝有紫外燈殺滅細(xì)菌，盡管如此，仍然要在電泳實(shí)驗(yàn)室中檢測(cè)去離子水系統(tǒng)的菌落數(shù)，當(dāng)菌落數(shù)超過電泳漆供應(yīng)商的產(chǎn)品要求時(shí)，要向電泳漆供應(yīng)商或殺菌劑生產(chǎn)廠家(如Betz或Nalco)咨洵，處理去離子水系統(tǒng)，使其能與電泳漆的穩(wěn)定性相適應(yīng)。
1．2 陽(yáng)極電源
陽(yáng)極電源是將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電，直流整流器應(yīng)能使電壓在0～500V之間可調(diào)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：厚膜電泳漆(uni—prime)電流消耗大約為0．22A·h／m2系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮50％的電流余量以供將來(lái)發(fā)展，可用下式計(jì)算泳涂一臺(tái)車所需的總電流：
所需總電流(A)-0.22A·h／m2×S×60min／h
式中：s為每分鐘能涂的面積。
考慮安全系數(shù)，這個(gè)安培數(shù)乘以1．5來(lái)求出放大的規(guī)格，把總流量分成兩部分，每一部分單獨(dú)配整流器，設(shè)計(jì)要考慮配有專用及獨(dú)立啟動(dòng)的備用整流器，以確保整流器發(fā)生故障時(shí)生產(chǎn)也能連續(xù)進(jìn)行且質(zhì)量不降低。建議采用限流整流器以保護(hù)設(shè)備。整流器“供電平穩(wěn)”度或輸出脈動(dòng)率很重要，直流電要經(jīng)濾波，電壓脈動(dòng)波動(dòng)幅度不能超過平均直流電壓的5％，滿負(fù)荷情況下，電壓脈動(dòng)率要小于5％。
2 陽(yáng)極系統(tǒng)的安裝維護(hù)
在電泳槽投槽之前，必須安裝好陽(yáng)極系統(tǒng)，除設(shè)備(整流電源、循環(huán)管路、陽(yáng)極槽及控制儀表)完好外，安
裝陽(yáng)極是一件非常重要的工作，在安裝前，所有陽(yáng)極罩都要作滲漏試驗(yàn)，在投槽時(shí)，極罩中必須裝有去離子水，以防隔膜破裂，極罩滲漏或損壞時(shí)應(yīng)立即更換。
陽(yáng)極應(yīng)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％。
在全浸泳涂時(shí)間超過或等于3min場(chǎng)合，陽(yáng)極的排布要從出槽口向前排，一般在人槽端靠近入槽車身部位不布置陽(yáng)極。在泳涂汽車車身面積較大的被涂物場(chǎng)合，可在底部和頂部也布設(shè)陽(yáng)極，這樣可使電泳涂層厚度更加均勻。建議2個(gè)電極段之間至少有1個(gè)極罩的間隙，以防止漆在電壓較低區(qū)的陽(yáng)極和極罩上沉積，如果兩個(gè)極罩之間的電壓差超過75伏，要留出2個(gè)極罩的間隙，電壓差超過100伏，要留出3個(gè)極罩的間隙，如果用二極管防止回流，1個(gè)極罩的間隙就已足夠。
陽(yáng)極液循環(huán)系統(tǒng)要安設(shè)陽(yáng)極液電導(dǎo)率的自動(dòng)控制裝置，預(yù)先設(shè)置陽(yáng)極液電導(dǎo)率為一定值，當(dāng)偏差為100μS／cm時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)排放陽(yáng)極液，加入新鮮去離子水，電導(dǎo)率傳感器要裝在陽(yáng)極液槽中遠(yuǎn)離陽(yáng)極液返回管的位置，一般裝在進(jìn)液管路上。
當(dāng)陽(yáng)極液pH值接近3、電導(dǎo)率明顯超過設(shè)定值時(shí)，說明陽(yáng)極液中已含有大量的酸根離子和金屬離子，這些都會(huì)對(duì)形成良好的電泳漆膜產(chǎn)生不利影響，因此要及時(shí)充分排放陽(yáng)極液(即陽(yáng)極液置換)，大量排放陽(yáng)極液時(shí)要考慮到排放對(duì)廢水處理的影響，高泳透力材料的獨(dú)特化學(xué)原則使陽(yáng)極液電導(dǎo)率保持在4000～6000μS/cm之間。
陽(yáng)極液必須清澈而透明，如果渾濁說明有槽液進(jìn)入陽(yáng)極液。當(dāng)槽液進(jìn)入陽(yáng)極液，通電時(shí)會(huì)使陽(yáng)極隔膜內(nèi)表面涂上漆，使陰、陽(yáng)極之間的流動(dòng)受影響，從而影響涂層質(zhì)量和生產(chǎn)效率，極液混濁度的測(cè)定可用目視法和混濁度測(cè)量?jī)x。
當(dāng)發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極液渾濁時(shí)，應(yīng)立即停止極液泵，在可能的情況下，切斷直流電源，查出有漏洞的陽(yáng)極罩，將其與系統(tǒng)隔斷，停產(chǎn)后檢修或迅速更新。
2．1 陽(yáng)極的日常維護(hù)
小心維護(hù)陽(yáng)極及陽(yáng)極系統(tǒng)對(duì)電泳涂裝過程至關(guān)重要。陽(yáng)極構(gòu)成電路使電流暢通，而陽(yáng)極液控制槽液的pH值，必須經(jīng)常監(jiān)視陽(yáng)極的溶解情況以便及時(shí)換調(diào)有可能損壞的陽(yáng)極。要經(jīng)常檢查陽(yáng)極系統(tǒng)，特別是陽(yáng)極泥及細(xì)菌生長(zhǎng)情況，當(dāng)陽(yáng)極槽液中出現(xiàn)類藻類生物粘液時(shí)，說明陽(yáng)極系統(tǒng)內(nèi)已滋生大量細(xì)菌，必須及時(shí)對(duì)陽(yáng)極系統(tǒng)殺菌，否則會(huì)堵塞陽(yáng)極液循環(huán)回路，甚至污染電泳槽，陽(yáng)極液槽中的電導(dǎo)率測(cè)頭要定期清理，陽(yáng)極液電導(dǎo)率要進(jìn)行試驗(yàn)室檢查以校準(zhǔn)槽子的計(jì)量?jī)x表，不是所有的不銹鋼陽(yáng)極材料都能同樣地防止陽(yáng)極罩中酸性介質(zhì)的腐蝕。
2．2 停產(chǎn)期間陽(yáng)極系統(tǒng)維護(hù)
轎車涂裝線經(jīng)常會(huì)停產(chǎn)檢修設(shè)備，停產(chǎn)期間陽(yáng)極系統(tǒng)維護(hù)相對(duì)電泳槽而言較簡(jiǎn)單，除斷開陽(yáng)極直流電源外，應(yīng)保證控制檢測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。此外還應(yīng)進(jìn)行如下操作：
(1)排空陽(yáng)極槽液，補(bǔ)人新鮮去離子水，循環(huán)至陽(yáng)極槽內(nèi)流體電導(dǎo)率小于100μS，停止補(bǔ)水，保．持陽(yáng)極泵運(yùn)行；
(2)恢復(fù)生產(chǎn)前，排空槽內(nèi)液體，加入新鮮去離子水，用醋酸將電導(dǎo)率調(diào)到400μS以上即可。
3 陽(yáng)極液系統(tǒng)殺菌
電泳漆陽(yáng)極系統(tǒng)內(nèi)殺菌除去生物粘液是對(duì)系統(tǒng)的特殊操作，施工人員必須熟悉系統(tǒng)、原材料性能、設(shè)備使用的安全要求，預(yù)備防護(hù)目鏡和橡膠手套，首先要將陽(yáng)極液的進(jìn)、回液管間短路連接，讓流體不通過陽(yáng)極管，以避免殺菌劑對(duì)陽(yáng)極造成損害。操作人員必須穿著全套的安全防護(hù)服(包括防護(hù)面具、防護(hù)手套、外套、圍裙、防護(hù)靴)，操作程序如下：
(1)仔細(xì)檢查系統(tǒng)是否泄漏和確保合適的密閉循環(huán)回路。不要試圖一次就清理完全，系統(tǒng)有可能因清理太多的生物粘液而導(dǎo)致回液管路堵塞。
(2)對(duì)附著在陽(yáng)極槽及回液管路端口上的大面積粘液進(jìn)行機(jī)械清理，以防止進(jìn)、回液管的進(jìn)一步堵塞。
(3)首先清洗陽(yáng)極液儲(chǔ)存槽。再排干系統(tǒng)內(nèi)的液體。
(4)用盡可能大的去離子水沖洗系統(tǒng)內(nèi)的泵、管道、過濾器以除去明顯的生物粘液。
(5)在陽(yáng)極槽內(nèi)回液管口安裝100目的過濾網(wǎng)袋。
(6)將陽(yáng)極與進(jìn)回液管路隔離開，以使殺菌劑可以在系統(tǒng)內(nèi)所有管路循環(huán)但不通過陽(yáng)極。
(7)按4：1000的比例向陽(yáng)極槽中加人35％H2O進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)時(shí)間持續(xù)6h以上或直至系統(tǒng)清潔為止，在循環(huán)過程中要注意過濾袋網(wǎng)是否堵塞并隨時(shí)更換。
(8)清洗完成后排干清洗液，加人新鮮去離子水循環(huán)(多次)至系統(tǒng)清潔為止。
(9)對(duì)于陽(yáng)極管，應(yīng)逐根拆下并用新鮮去離子水仔細(xì)清洗陽(yáng)極管和極棒，沖洗干凈后在管中裝滿新鮮去離子水并立即安裝復(fù)原。
(10)將系統(tǒng)管路連接恢復(fù)，并加入新鮮去離子水循環(huán)。檢查系統(tǒng)內(nèi)各單元是否堵塞，泄漏，并予以處理。
(11)系統(tǒng)殺菌后，初期生產(chǎn)的一段時(shí)期要加強(qiáng)陽(yáng)極液的排放和置換，并加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的情況跟蹤。
4 結(jié)語(yǔ)
陽(yáng)極系統(tǒng)是轎車陰極電泳設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，必須科學(xué)設(shè)計(jì)選材，精心選型安裝，細(xì)致維護(hù)清理，才能發(fā)揮陽(yáng)極系統(tǒng)的功能，為生產(chǎn)出良好的電泳防腐涂層提供保證。