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電泳陽極系統(tǒng)作用及構(gòu)成設計

時間：2021-11-26

1、電泳涂裝原理

在電泳涂裝過程中，必須保證電泳槽液pH值和電導率參數(shù)穩(wěn)定，以保證獲得穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電泳涂膜。而在電泳過程中，當施加外部直流電場會在陰極和陽極區(qū)域發(fā)生水的電解反應分別產(chǎn)生OH-和氫氣、H+和氧氣。

 

而電泳漆是水不溶的電泳漆樹脂通過添加酸或堿，使之變成水溶性的帶正電荷或負電荷離子。該水溶性的帶電荷離子會與工件附近電解產(chǎn)生的OH-或H+發(fā)生反應，在工件表面均勻析出和沉積形成不溶于水的電解漆膜。

陰極區(qū)的水電解反應式:2H2O+ 4e-→2OH-+H2↑

陽極區(qū)的水電解反應式:2H2O- 4e-→4H++ O2↑

 

例如在陰極電泳涂裝中（工件接負極作為陰極，陽極接正極），陰極電泳漆（R-N）通過醋酸CH3COOH（或者乳酸等其他有機酸）中和形成水溶性的R-NH+和CH3COO-。接通直流電源施加外加電場后，工件附近因為水的電解產(chǎn)生OH-形成高堿性界面，各帶電荷離子定向移動，水溶性的R-NH+移動到陰極區(qū)域與OH-反應生成不溶性電泳涂膜，并沉積在車身表面。其在陰極區(qū)的反應式：RNH++ OH-→RN（不溶性沉積漆膜）+H2O。

 

同時，電泳槽液中不斷產(chǎn)生CH3COO-，當它聚積過多時將直接導致pH降低和電導率增高。為了除去電解過程不斷產(chǎn)生的CH3COO-，以及陽極區(qū)域產(chǎn)生的H+就需要增加陽極系統(tǒng)，將電泳槽液中的CH3COO-轉(zhuǎn)移到陽極液中，與陽極區(qū)域的H+反應生成CH3COOH通過陽極液循環(huán)排放，得以保持電泳槽液的pH和電導率穩(wěn)定，從而獲得穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電泳漆膜。其在陽極區(qū)的反應式：CH3COO-+ H+→CH3COOH。

圖1. 陰極電泳涂裝原理[1]

 

2、陽極系統(tǒng)作用及構(gòu)成、原理及設計

陽極系統(tǒng)在電泳涂裝中主要是提供穩(wěn)定的電場，并排除電泳過程中持續(xù)產(chǎn)生的CH3COO- 和H+維持電泳槽液pH和電導率的穩(wěn)定。其主要構(gòu)成包括：陽極液箱、極液循環(huán)泵、極液流量計、閥門和陽極（陽極內(nèi)裝有陽極管和陰離子交換膜）等構(gòu)成，其最核心的單元就是陽極（見圖2）。陽極的核心組件是陽極管和離子交換膜。

 

 

在陰極電泳涂裝中，陽極使用的是陰離子交換膜，這種膜具有選擇透過性，允許電泳槽液中過量的CH3COO-及其他負離子透過，而有用的涂料陽離子RNH+及某些助劑卻不能透過膜。離子交換膜一般是立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的季銨型高分子化合物[結(jié)構(gòu)式R-N+(CH3)3OH-]，具有離子交換基團，其離子交換膜的孔隙和離子交換基團的作用確保其具有選擇透過性。在陰極電泳過程中，陰離子交換膜上的堿性基團發(fā)生解離，解離出OH-，膜上留有帶正電荷的基團R-N+(CH3)3,形成強烈的電場，在施加直流電流作用下，由于異型電荷相吸，陰極區(qū)域CH3COO-被吸引傳遞通過微孔進入膜的另一側(cè)至陽極液中，而樹脂陽離子R-NH+被排斥，同時陽極區(qū)陽極液中產(chǎn)生的H+受到排斥作用，只能停留在陽極區(qū)。

 

極管用無縫不銹鋼管316L制作，具有很好的防止H+腐蝕溶解生銹和耐壓導電作用。

 

陽極系統(tǒng)的設計要求：
1、陰極和陽極的面積之比為4-6:1。
2、每平方米有效面積6-10L/min極液循環(huán)水。
3、陰離子交換膜要具有高強度：壓迫強度可達14kg/cm2；高透過性：選擇性透過率可達98%以上；低電阻：小于8歐姆/米這些特點。
3、陽極面積核算示例

50管式陽極技術參數(shù)

陽極直徑（316無縫不銹鋼管）：1.9英寸（48mm），單位長度陽極面積：0.15m2/m；

陽極罩直徑（陰離子交換膜）：2.65英寸（67mm），單位長度膜面積：0.21m2/m;

耐電流強度：50安培/英尺2;

陽極液流量：1.12L/min/m，單位長度陽極m對應流量：1.12L/min/0.15m2=7.5L/min/m2

陰極面積：工件個數(shù)×每個工件的表面積

陽極面積：建議按不銹鋼極管的電極面積進行計算（最小面積）

 

計算實例：
某陰極電泳汽車廠車架涂裝線，生產(chǎn)節(jié)拍為3min，單個車架的電泳面積約為10m2，每個吊具放4個車架，試計算所需陽極管數(shù)量及極液循環(huán)泵的功率（設計時暫不考慮槽底設置裸陽極）。

（1）根據(jù)承放車架后吊具的高度和陽極管在電泳槽內(nèi)安裝后相對吊具的位置情況，確定陽極管膜有效長度（L）為1850mm（考慮陽極膜有效長度應比工件在電泳槽內(nèi)上下各高出150-200mm，本例以陽極管有效面積1750mm計算）。

（2）計算所需陽極面積（陰陽極比按4:1進行計算）

陽極面積=陰極面積/4=（每個節(jié)拍生產(chǎn)的車架數(shù)×表面積/每個車架）/4=（4×10）/4=10 m2

有效陽極管長度為1.75m的陽極管電極面積：0.15×1.75=0.2625 m2

所需陽極管數(shù)量：10÷0.2625=38.09（取整數(shù)38）

（3）泵流量的計算

每m2陽極面積需6-10L/min極液循環(huán)水，取7.5L/min，則極液循環(huán)量為450L/h/m2；

所需泵流量Q=10×450 =4500L/h=4.5m3/h，

故選不銹鋼泵

40GB-20A，Q=5.6m3/h、H=16m、N=0.75kW

 

本文作者： 浩力森應用工程中心 李雙杰
引用：[1]離子交換膜在電泳涂裝中的選擇性透過機理，王鳳來、陳星星、李國波