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電泳陽(yáng)極系統(tǒng)作用及構(gòu)成設(shè)計(jì)

時(shí)間：2021-11-26

1、電泳涂裝原理

在電泳涂裝過(guò)程中，必須保證電泳槽液pH值和電導(dǎo)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(guò)程中，當(dāng)施加外部直流電場(chǎng)會(huì)在陰極和陽(yáng)極區(qū)域發(fā)生水的電解反應(yīng)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(shù)脂通過(guò)添加酸或堿，使之變成水溶性的帶正電荷或負(fù)電荷離子。該水溶性的帶電荷離子會(huì)與工件附近電解產(chǎn)生的OH-或H+發(fā)生反應(yīng)，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(yīng)式:2H2O+ 4e-→2OH-+H2↑

陽(yáng)極區(qū)的水電解反應(yīng)式:2H2O- 4e-→4H++ O2↑

 

例如在陰極電泳涂裝中（工件接負(fù)極作為陰極，陽(yáng)極接正極），陰極電泳漆（R-N）通過(guò)醋酸CH3COOH（或者乳酸等其他有機(jī)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(chǎng)后，工件附近因?yàn)樗碾娊猱a(chǎn)生OH-形成高堿性界面，各帶電荷離子定向移動(dòng)，水溶性的R-NH+移動(dòng)到陰極區(qū)域與OH-反應(yīng)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(yīng)式：RNH++ OH-→RN（不溶性沉積漆膜）+H2O。

 

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

圖1. 陰極電泳涂裝原理[1]

 

2、陽(yáng)極系統(tǒng)作用及構(gòu)成、原理及設(shè)計(jì)

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

 

 

在陰極電泳涂裝中，陽(yáng)極使用的是陰離子交換膜，這種膜具有選擇透過(guò)性，允許電泳槽液中過(guò)量的CH3COO-及其他負(fù)離子透過(guò)，而有用的涂料陽(yáng)離子RNH+及某些助劑卻不能透過(guò)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(tuán)，其離子交換膜的孔隙和離子交換基團(tuán)的作用確保其具有選擇透過(guò)性。在陰極電泳過(guò)程中，陰離子交換膜上的堿性基團(tuán)發(fā)生解離，解離出OH-，膜上留有帶正電荷的基團(tuán)R-N+(CH3)3,形成強(qiáng)烈的電場(chǎng)，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(guò)微孔進(jìn)入膜的另一側(cè)至陽(yáng)極液中，而樹(shù)脂陽(yáng)離子R-NH+被排斥，同時(shí)陽(yáng)極區(qū)陽(yáng)極液中產(chǎn)生的H+受到排斥作用，只能停留在陽(yáng)極區(qū)。

 

極管用無(wú)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(dǎo)電作用。

 

陽(yáng)極系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求：
1、陰極和陽(yáng)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(qiáng)度：壓迫強(qiáng)度可達(dá)14kg/cm2；高透過(guò)性：選擇性透過(guò)率可達(dá)98%以上；低電阻：小于8歐姆/米這些特點(diǎn)。
3、陽(yáng)極面積核算示例

50管式陽(yáng)極技術(shù)參數(shù)

陽(yáng)極直徑（316無(wú)縫不銹鋼管）：1.9英寸（48mm），單位長(zhǎng)度陽(yáng)極面積：0.15m2/m；

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

耐電流強(qiáng)度：50安培/英尺2;

陽(yáng)極液流量：1.12L/min/m，單位長(zhǎng)度陽(yáng)極m對(duì)應(yīng)流量：1.12L/min/0.15m2=7.5L/min/m2

陰極面積：工件個(gè)數(shù)×每個(gè)工件的表面積

陽(yáng)極面積：建議按不銹鋼極管的電極面積進(jìn)行計(jì)算（最小面積）

 

計(jì)算實(shí)例：
某陰極電泳汽車廠車架涂裝線，生產(chǎn)節(jié)拍為3min，單個(gè)車架的電泳面積約為10m2，每個(gè)吊具放4個(gè)車架，試計(jì)算所需陽(yáng)極管數(shù)量及極液循環(huán)泵的功率（設(shè)計(jì)時(shí)暫不考慮槽底設(shè)置裸陽(yáng)極）。

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

（2）計(jì)算所需陽(yáng)極面積（陰陽(yáng)極比按4:1進(jìn)行計(jì)算）

陽(yáng)極面積=陰極面積/4=（每個(gè)節(jié)拍生產(chǎn)的車架數(shù)×表面積/每個(gè)車架）/4=（4×10）/4=10 m2

有效陽(yáng)極管長(zhǎng)度為1.75m的陽(yáng)極管電極面積：0.15×1.75=0.2625 m2

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

（3）泵流量的計(jì)算

每m2陽(yáng)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(yīng)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(guò)機(jī)理，王鳳來(lái)、陳星星、李國(guó)波