有機物電鍍工藝的探索和研究（ⅠⅠ）

王偉平， 顧衛忠

（1.上海天青科貿有限公司，上海 200233；2.上海應用技術學院 化學與環境工程學院，上海 201418）

有機物電鍍工藝的探索和研究（ⅠⅠ）

王偉平1， 顧衛忠2

（1.上海天青科貿有限公司，上海 200233；2.上海應用技術學院 化學與環境工程學院，上海 201418）

3 有機物電鍍的性能和管理

3.1 外觀性能

從外觀上講，有機物電鍍同時具備涂裝、電泳涂裝和金屬電鍍這三種表面處理技術的優點。有機物電鍍利用涂裝豐富的外觀效果在金屬表面進行有金屬質感的光亮彩色面、緞面、沙面、無光澤面等的表面處理，大大地簡化了金屬電鍍工藝，并且降低了成本。對仿銀、仿金、仿古裝飾性電鍍外觀，有機物電鍍是一種無氰化、低VOC化的綠色環保的金屬表面處理技術。

3.2 防護性能和化學性能

有機物電鍍和金屬電鍍對于金屬表面處理技術來說有很大的互補性，對比情況，如表3所示。將有機物電鍍和金屬電鍍結合，可大大提高鍍件的防護性能。

金屬電鍍除鍍金外大多數金屬的耐化學品性能較差；有機物涂膜是通過交聯固化的高分子樹脂，有很好的耐化學品性能，這也使得有機物電鍍對電鍍產品有著重要的利用價值，適用于金屬眼鏡架、飾品等和人體皮膚接觸的金屬產品。

表3 金屬電鍍和有機物電鍍的互補性

鋅壓鑄件、鑄鐵、粉末冶金等產品必須通過多層金屬鍍層結構和較厚的金屬鍍層才能達到耐腐蝕的效果。有機物電鍍可以封閉鍍層上的孔隙，大大提高產品的防護性能。

仿金色、仿古色、銀白、槍黑是除鍍鉻外最常見的金屬電鍍外觀，但它們本身不耐腐蝕、易變色，需要在最外層進行涂裝才能作為防護－裝飾性鍍層來使用。有機物電鍍將涂裝技術電鍍化，不僅提高了生產效率，而且在涂膜均勻性和覆蓋性上均優于其他的涂裝技術，耐蝕性有所提高。

不銹鋼、鈦合金表面有很好的耐蝕性，但它們都不耐指紋；鋁、鎂及其合金有很好的金屬外觀效果，但耐蝕性差，也不耐指紋。在這些難電鍍的金屬基材上適合直接采用有機物電鍍工藝，既可以保持金屬色調感，又提高了這些金屬表面的防護－裝飾性。

鋁表面形成透明氧化膜后既有白亮的光澤又有很好的耐蝕性，但鋁很難在水性體系的溶液中沉積。表面經過處理后的鋁漿粉被離子化的水性高分子有機樹脂包裹后，以復合電鍍的方式和離子化高分子有機樹脂共沉積得到復合鍍鋁層。鋁粉有很好的覆蓋性，采用電沉積的方式，鋁微粒在電場作用下的定向排列性更好，可以得到類似鍍鉻效果的白亮金屬和有機聚合物的復合鍍膜。該復合鍍膜的耐蝕性要比金屬鋁和高分子有機樹脂的更好，是一種代替電鍍鉻和鋁氧化表面處理的環保新技術。

3.3 結合力和機械性能

鍍層和基體材料的結合力是考核電鍍工藝的重要指標。盡管電泳涂裝工藝的結合力比其他涂裝工藝的好，但對于不同類型的樹脂和配方，結合力是有差別的。金屬電鍍的結合力和基體金屬的材質及前處理有關，有機物電鍍的結合力和有機樹脂、配方、固化條件等有關。通常我們認為陰極電泳工藝的結合力比較好，這主要來源于汽車工業中鋼鐵基材上環氧樹脂電泳涂裝的研究。有機物電鍍的處理對象除黑色金屬外，更多的是有色金屬。例如：在銅、銀、鉻等金屬上采用陽極電沉積工藝時，由于這些金屬會在陽極溶出金屬離子參與高分子有機樹脂的交聯固化反應，有時結合力會比陰極電沉積的更好。

有機物涂膜沒有金屬的硬度，這在機械性能上有別于金屬電鍍，但可在有機物電鍍的配方中加入一些耐磨損、抗劃傷、潤滑等材料提高膜層性能。有機物電鍍還可以通過一些高硬度的樹脂和固化催化劑來提高涂膜的硬度。通常涂膜硬度在5H以上時具有金屬質感，但高硬度的涂膜往往會帶來脆性和結合力不良等問題，所以有機物涂膜的柔韌性很重要。環氧樹脂體系的有機樹脂有很好的結合力和柔韌性，但耐候性差、樹脂帶色，不適合做最外層的膜層；以氨基樹脂為固化劑的丙烯酸樹脂有很好的外觀、耐候性和硬度，但烘烤溫度過高時膜層容易出現結合力不良和脆性等問題；聚氨酯樹脂的結合力和柔韌性都很好，但膜層的硬度不高。根據產品不同的性能要求來選擇不同類型的樹脂或將它們組合，從而滿足各類產品對機械性能的需求。

3.4 有機物電鍍的管理

3.4.1 槽液管理

有機物電鍍的配方比金屬電鍍的復雜，成膜所消耗的樹脂也不能從電極得到補充，溶液中樹脂的總濃度低，在槽液的穩定性方面要比金屬電鍍的差。有機物電鍍溶液中的成分往往都參與沉積，所以有機物電鍍的槽液管理要根據其自身的特點來進行。有機物電鍍通過配方中主體樹脂、固化劑、中和劑、溶劑等的全面補充，使槽液成分達到平衡。

連續過濾、攪拌可以凈化槽液，使鍍層均勻，但同時會加速槽液的老化和有效成分的揮發，所以槽液的循環量通常比金屬電鍍的小。超濾和離子交換處理是電泳涂裝常用的管理裝置，對于大型的電泳涂裝槽液管理而言，它是一種循環使用和凈化槽液的有效方法。有機物電鍍的槽液以中小型為主，使用這些設備時容易使槽液成分失去平衡，影響槽液的穩定性。

有機物電鍍的槽液還可以通過添加劑進行管理，這些添加劑通常為水性涂料的助劑，它們可以改善鍍層的流平性和均勻性，提高鍍層的厚度和光澤，還可以減少鍍層出現針孔、火山口等不良現象。

3.4.2 涂膜性能管理

在有機物電鍍的生產過程中，掛具和工件上的雜質離子帶入槽液會對涂膜性能產生較大的影響。例如：氯離子夾附在涂膜中會嚴重影響涂膜的耐蝕性；電導率過高時往往會影響涂膜的結合力。超濾和離子交換處理是去除這些雜質離子的有效方法，但這些方法同時也會去除槽液中的一些有效成分，使槽液成分或有機樹脂的狀態發生變化，影響涂膜的性能。

有機物電鍍采用定期部分更新槽液成分的管理方法，可有效地保證涂膜的穩定性；此外，通過成分的整體補充使槽液中的主體樹脂、固化劑、中和劑等成分盡可能地保持在配方設計的最佳范圍內，還可以有效地控制槽液中雜質離子積累和樹脂團聚老化，保證了涂膜性能的穩定。這種管理方式接近于一般涂裝的管理，對成分復雜的配方采用固定成分的配方生產，有利于產品性能的穩定。

4 研究有機物電鍍工藝的意義

4.1 提高性能和減少有色金屬的消耗

多層鍍鎳工藝是利用電化學腐蝕的原理來提高鍍層的防護性能；有機物電鍍則是利用有機樹脂封閉金屬表面的孔隙和阻隔金屬與空氣或水的接觸，從而達到防護－裝飾性的要求。電鍍工藝中引進有機物電鍍，改變了傳統防護－裝飾性電鍍的鍍層結構，許多產品不需要采用多層鎳的鍍層結構來達到耐腐蝕的要求。例如：光亮酸銅/鍍薄鎳/有機物電鍍工藝適用于許多防護－裝飾性電鍍產品，大大減少了金屬鎳的消耗，還提高了產品的防護性能。

有機物電鍍彌補了金屬電鍍選擇品種少的局限，各種類型的高分子有機樹脂可以將涂裝的優點融入電鍍工藝技術中，減少了電鍍產品對有色金屬的依賴。事實上，許多電鍍產品的性能要求依靠金屬電鍍工藝是無法或很難達到的。例如：鋅壓鑄件上必須有多層及較厚的金屬鍍層才能達到耐蝕性的要求；金屬電鍍無法滿足金屬眼鏡架的耐化學品性能；金屬電鍍的耐指紋性往往需要采用有機樹脂來解決。

鍍金的色澤有永恒的魅力，但其耐久性影響了產品的品質。選用耐劃傷和體現金屬光澤的有機物電鍍不僅可以降低金的消耗，還能使產品耐用。

4.2 簡化電鍍工藝和減少電鍍污水的排放

有機物電鍍的鍍層厚度是通過調節電壓來控制的，它在生產線上的設備規模比金屬電鍍的小得多，而且有機物電鍍工藝通常無底鍍層或采用一層金屬底鍍層，所以有機物電鍍可以簡化金屬表面處理工序。例如：采用鋁銀漿有機物電鍍在鑄鐵件上進行仿鍍鉻效果的表面處理，不需要在工件上鍍鎳/鉻，這不僅簡化了工藝，還大大減少了電鍍污水的排放。類似的技術還可以應用于車輪轂、鋁型材等生產線長、污水排放量大的金屬表面處理中。

氰化物電鍍具有覆蓋能力好、與大多數金屬基材有很好的結合力等優點，是其他金屬電鍍難以取代的工藝。有機物電鍍對復雜或深孔工件有非常好的覆蓋能力，而且對所有金屬都有較好的結合力，是一種非常好的無氰電鍍工藝。

光亮鍍錫有很好的光亮度、色澤和耐蝕性，但容易變色，很少在防護－裝飾性電鍍產品上使用。在光亮鍍錫層上，采用低溫烘烤的有機物電鍍工藝可以進行仿金、銀等貴金屬電鍍效果的表面處理，不僅簡化了電鍍工藝，減少了有色金屬的消耗，而且減少了電鍍對氰化物的依賴和有害廢水的排放。

隨著電鍍工藝向綠色環保的方向發展，類似于代替六價鉻、代鎳、無磷等表面處理工藝，都將會是有機物電鍍發揮作用的領域。

4.3 金屬表面處理的多樣化和多元化

防護－裝飾性電鍍的色澤基本上是白色、金色和黑色三種色系。有機物電鍍可以采用各種顏料和染料得到各種帶金屬感的色彩，有機聚合物樹脂還可以通過各種改性技術得到亞光、半光、緞光等多種外觀效果，極大地豐富了金屬表面處理的外觀。

在經過化學和機械處理的金屬或鍍層表面進行有機物電鍍，可以獲得仿古、拉絲等各種金屬質感的表面處理效果。

有機物電鍍使用的離子化高分子有機聚合物容易包裹各種粉末微粒，類似于金屬復合電沉積，可獲得更加豐富的外觀和功能效果。有機物電鍍還可以通過添加劑和各種功能化的有機樹脂的共沉積賦予電鍍產品耐磨、滑爽、絕緣等功能性，使功能性電鍍又有了新的發展方向。

5 結語

金屬和高分子有機涂料對材料進行表面處理的工藝技術都有三個共同的目的：（1）提高產品的耐蝕性和耐久性；（2）適應產品的裝飾性和多樣化發展；（3）賦予表面特定的功能。

進入21世紀以來，低碳和環保已成為各類產品和技術的時代特征，金屬表面處理的工藝技術也是如此。傳統的電鍍和涂裝工藝給環境帶來了巨大的污染。近年來迅速發展的水性涂裝是一種綠色環保的涂裝技術，有機物電鍍采用的是水性涂裝的高分子有機樹脂，通過類似于金屬電鍍的方式對金屬進行表面處理，它們的結合將會對金屬表面處理的三個目的帶來新的發展和機遇。

（續完）

TQ 153

A

1000-4742（2013）01-0009-03

2011-09-05