阳离子型环氧聚氨酯纳米乳液的电泳工艺研究毕业论文.docx
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阳离子型环氧聚氨酯纳米乳液的电泳工艺研究毕业论文
毕业论文
阳离子型环氧聚氨酯纳米乳液的电泳工艺研究
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解XX大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
阳离子型环氧聚氨酯纳米乳液的电泳工艺研究
系部：
化学与化工系专业：
应用化学学号：
16
学生：
李强指导教师（含职称）：
张翠梅（）专业负责人：
李松栋
1．设计（论文）的主要任务及目标
阴极电泳涂料比阳极电泳涂料的涂层质量，特别是耐腐蚀能力稍高，阴极电泳涂装由于被涂物是阴极，电沉积是金属及表面处理膜不易离子化而溶出，再则，阴极电泳涂料的树脂具有碱性，本身对腐蚀有抵制作用。
阴极电泳涂料最突出的特征就是电泳槽液的稳定性，泳透力高及优良的耐腐蚀性。
阴极电泳远远优于阳极电泳主要在于它对底材的钝化作用。
本论文主要研究的就是阴极电泳涂料。
首先查阅与课题相关文献资料并记录整合，了解前人对阴极电泳漆的研究成果和目前存在的问题。
本小组成员主要研究的是阳离子型环氧聚氨酯的合成、电泳工艺的研究及性能测试，通过对乳液的合成来进行下一步的电泳及性能测试，而本文主要是针对电泳工艺的研究。
其次主要是通过试验来探究得出阳离子型环氧聚氨酯电泳漆的阴极电泳参数，确定实验方案，选择最佳的实验条件，如有电泳电压、电泳时间、极板间距对电泳漆膜质量及性能的影响,得到最佳漆膜质量的工艺参数。
然后用所选择的最佳条件来对合成的聚氨酯乳液进行电泳并在实验过程中逐步对实验所存在的问题或最佳条件做更近一步的修正。
2．设计（论文）的基本要求和内容
本文就阳离子型环氧聚氨酯电泳工艺进行了研究，通过一系列的单因素变量实验，通过对结果的分析及处理，确定了最佳的电泳电压、电泳时间、极板间距3个工艺参数，在这3个工艺参数下漆膜性能良好，并对实验中存在的问题提出了建议和改进。
3．主要参考文献
[1]李金艳.环氧改性水性聚氨酯电泳树脂的制备与性能研究[D].青岛科技大学，2009.
[2]李再峰.阳离子聚氨醋电泳漆电泳工艺的探讨[J].青岛科技大学学报，2003,24.
[3]张春丽.阳离子型聚氨酯电泳漆的研究[J].材料保护，1998,31（3）:
14-15.
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅资料
2012.3.1～2012.3.15
2
写开题报告
2012.3.16～2012.3.25
3
做实验记录并整理实验数据
2012.3.26～2012.5.24
4
处理实验数据写毕业论文
2012.5.25～2012.6.8
5
修改论文并定稿
2012.6.8~
注：
一式4份，系部、指导教师各1份、学生2份：
[毕业设计（论文）]及答辩评分表各一份
阳离子型环氧聚氨酯纳米乳液的电泳工艺研究
摘要
水性聚氨酯是以水替代传统聚氨酯中的有机溶剂作为分散介质发展起来的高分子合成树脂，可调配成不含或含少许有机溶剂的涂料，该类涂料具有无毒、不易燃烧、不易污染环境、节能、安全可靠、不易损伤被涂表面、易操作等优点，近年来，水性聚氨酯涂料越来越受到重视，世界范围内的聚氨酯涂料已逐步由溶剂型向水分散型转变。
本论文研究了阳离子型环氧聚氨酯阴极电泳树脂的电泳工艺参数对漆膜的影响。
采用单一变量法研究了电泳电压、电泳时间及极板间距的变化对漆膜性能的影响，并最终得出了最佳的电泳电压、电泳时间及极板间距。
实验表明，得出25V、3.5min及3~3.5cm是最佳工艺参数。
关键词：
环氧聚氨酯,电泳，工艺参数，性能
Studyontheelectrophoresisprocessofcationicepoxypolyurethanenanoemulsion
Abstract
Polyurethaneisregardedasthemostsuperiorperformanceresinandcanbringmanyexcellentpropertiesusedinpaint,suchashighhardness,flexibility,abrasionresistance,chemicalresistance,strongadhesion,lowfilmformationtemperature,solidifiedatroomtemperature,etc.However,largeamountsoforganicsolventsareusedinthesynthesisprocessoftraditionalsolvent-basedpolyurethane.Thepolyurethanecoatingscouldreleaselargeamountsoforganiccompoundswhenused,whichcanbeharmfultohumanhealthandtheenvironment,sotheapplicationofsolvent-basedpolyurethaneisincreasinglyrestricted.WPUisamacromoleculematerial,andVOCsubstitutedbywaterisusedasadispersedmedium.ThisdopehardlycontainVOC,whichhasmanymerits,suchasinnocuity,noteasyflammability,notpollutingenvironment,savingenergy,safety,easyoperationetc.Inrecentyears,peoplepaymoreandmoreattentiontotheenvironmentfriendlywater-basedpolyurethanewhichhasexcellentperformance.Polyurethanepainthasbeengraduallydevelopingfromsolventpaintintowater-basedpolyurethaneintheworld.
Thispapersystematicallystudiedthecationicepoxyelectrophoreticpolyurethaneresin.Electrophoresisvoltage,timeandplatespacingonthefilmthicknesswerestudiedbysinglevariablemethod,andfinallydrawsthebestvoltage,timeandspacebetweenelectrodes.
Experimentalresultsshowthat25V,4min,and6cmarethebestprocessparameters.
Keywords：
Polyurethane,Electrophoresisresin,Processparameters,Thefilmthickness
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1阳极电泳涂料3
1.1.1阳极电泳涂料的发展过程3
1.1.2阳极电泳涂料的类型3
1.1.3阳极电泳涂料的缺陷4
1.2阴极电泳涂料的发展过程5
1.2.1国外阴极电泳涂料的发展状况5
1.2.2国内阴极电泳涂料的发展状况6
1.2.3阴极电泳涂料的类型7
1.3阴极电泳涂料的缺陷9
1.4阳极电泳涂料与阴极电泳涂料的区别10
1.5电泳涂料涂装工艺11
1.5.1电泳涂装的基本原理12
1.5.2电泳涂装过程的基本反应13
1.5.3电泳工艺流程13
1.5.4电泳涂装现有工艺的缺陷13
1.6本课题的研究内容14
第2章实验部分15
2.1主要实验仪器与药品15
2.1.1实验药品15
2.1.2实验仪器15
2.2电泳装置示意图15
2.3电泳漆的制备及工件涂装16
2.4性能测试16
2.4.1乳液固含量测试16
2.4.2乳液外观测试17
2.4.3乳液粒径测试17
2.4.4电泳漆膜的光泽度测试17
2.4.5电泳漆膜厚度的测试17
2.4.6电泳漆膜硬度的测试17
2.4.7电泳漆膜附着力的测试18
第3章结果与讨论19
3.1乳液固含量数据及分析19
3.2乳液外观表现19
3.3乳液粒径测试数据20
3.4电沉积电压对漆膜厚度的影响20
3.5电沉积时间对漆膜厚度的影响21
3.6极板间距对漆膜的影响22
第4章结论与建议25
4.1结论25
4.2建议25
参考文献26
致谢27
第1章绪论
聚氨酯被誉为性能最优异的树脂，应用于涂料中能带来许多优异的性能，聚氨酯涂料因其涂膜具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐化学品性、硬度大、高弹性等优点,且组分调节灵活,已广泛应用于家具涂装、金属防腐、汽车涂装、飞机蒙皮、地板漆、路标漆等。
[1]但是，传统的溶剂型聚氨酯合成过程中需要使用大量的有机溶剂，使用过程中聚氨酯涂料会释放大量有机化合物，对人体健康和环境造成危害，所以溶剂型聚氨酯涂料的应用日益受到限制。
水性聚氨酯是以水替代传统聚氨酯中的有机溶剂作为分散介质发展起来的高分子树脂，可调配成不含或含少许有机溶剂的涂料，具有无毒、节能、安全可靠、不易燃烧、不易污染环境、不易损伤被涂表面、易操作和改性等优点，因而水性聚氨酯涂料以其优良的力学性能、耐侯性、耐腐蚀性和丰满度受到市场青睐，具有很好的经济效益。
近十几年来水性聚氨酯涂料得到了飞速发展[2]。
水性聚氨酯包括聚氨酯水溶液,水分散液和水乳液,是以水为介质的二元胶态体系。
它不含或含很少量的有机溶剂,其粒径小于0.1nm,具有较好的分散稳定性,不仅保留了传统的溶剂型聚氨酯的一些优良性能,而且还具有生产成本低、安全不燃烧、不污染环境、不易损伤被涂饰表面、易操作和改性等优点,对纸张、木材、纤维板、塑料薄膜、金属、玻璃和皮革等均有良好的粘附性。
聚氨酯涂膜具有耐磨性好、硬度范围宽、低温柔韧、高温不粘、减震效果好、粘合强度不大以及耐溶剂性能优异等优点。
随着社会的进步,各种环保法规对挥发性有机化合物（VOC）的排放量、有害溶剂及各种重金属的含量进行了严格限制。
许多大型公司已经致力于水性涂料、粉末涂料、高固体分涂料和辐射固化涂料等绿色涂料的开发研究。
[3]
在传统的溶剂型涂料中,大约含有一半左右的有机溶剂。
溶剂在涂料施工中仅仅用来调整涂料的粘度,使涂料形成均匀连续的薄膜,随后,溶剂在漆膜的干燥过程中蒸发至空气中。
大量挥发性溶剂的存在,必然给涂装过程带来许多危害,如火灾、操作者中毒和环境污染等。
随着环境保护呼声的日益增高,人们提出了涂料应向水性化、粉末化等无溶剂方向开拓。
水溶性涂料及电泳涂装工艺的出现,正是适应这一发展的产物。
电泳涂装是20世纪60年代开始出现并发展起来的涂装方法,它建立在胶体化学和电化学的理论基础之上。
早在19世纪,人们就发现了分散在溶液中的胶体粒子,在电场作用下,向与自身所带电荷电性相反的电极发生定向移动的现象,也就是电泳现象。
电泳涂装是应水性涂料的机械化、自动化涂装要求而发展起来的新型涂装技术。
电泳涂料是一类新型的低污染、省能源、省资源、起着保护和防腐蚀作用的涂料。
它具有漆膜平整、耐水性和耐化学性好,容易实现涂装工艺的机械化和自动化,适合形状复杂、有边缘棱角、孔穴工件的涂装等特点,近年来在汽车、自行车、家电等行业得到了迅速发展。
电泳涂料是为电泳涂装工艺而开发的一种涂料,20世纪60年代,阳极电泳涂料投入工业化应用。
由于阳极电泳涂料存在阳极氧化作用的缺点,对金属表面（除了铝及不活泼金属外）会产生腐蚀,使其失去光泽,故阳极电泳涂料一般只作防腐底漆,不能满足表面装饰的要求,因而人们开始研究具有更高耐腐蚀性能的阴极电泳涂料。
1971年美国PPG公司首先研制成功第1代阴极电泳涂料[4]。
我国电泳涂料的研制开发始于1960年左右。
1966年成功开发了环氧酯阳极电泳涂料，现在仍有应用；1978年进行了聚丁二烯阳极电泳涂料的开发，并在80年代后期得到广泛应用；1986年成功开发了单组份厚膜阴极电泳涂料，在汽车等行业有广泛的应用市场；1995年开发了双组份厚膜型阴极电泳涂料，并在轿车零部件上得到应用[4]。
电泳涂料是为电泳涂装工艺而开发的一种涂料,电泳涂料是一种水性涂料,具有低污染、节能及高效等优点,现在广泛应用于汽车、轻工、农机、家电、仪表、文教用品、工艺品、军工、建材等许多部门。
电泳涂装工艺同传统的溶剂型涂料涂装工艺相比，有着对环境无污染的优点，其在机械、金属构件、家电及军工等方面都有较好的应用。
与其他的浸涂、喷涂水性烘烤漆相比,电泳涂料具有无可比拟的优越性:
（1）涂料利用率高,特别是如今使用超滤技术,漆的利用率可达90%~95%,能更有效地利用资源和降低成本;
（2）以水作溶剂,无挥发,低污染,无火灾隐患,易洗净,优化了工人的操作环境,同时也节约了大量的能源和原料;（3）涂装效果好;（4）漆膜不溶于水,无流痕,不垂滴,不流挂,漆膜烘干时无汽提现象;（5）装饰效果好,膜面光滑、精美,富有金属光泽。
[5]
电泳涂料起初的发展由于技术、仪器设备等方面原因的限制只局限于阳极电泳涂料，相比与其他类型的涂料有很大的进步，但随着技术的发展，阳极电泳涂料的缺陷也不断地显露，此时阴极电泳涂料正好弥补了这一缺陷，更能满足社会技术进步及环保的要求。
1.1阳极电泳涂料
随着电泳涂装技术的进步,电泳涂料技术也取得了较大进展。
20世纪60年代，阳极电泳涂料投入工业化应用。
1.1.1阳极电泳涂料的发展过程
第一代电泳涂料具有低电压、低泳透力的特点,耐盐雾能力在100h以下。
为了使汽车内部能上漆，六十年代开发的顺酐化油—酚醛和环氧树酯为主要原料制成的阳极电泳涂料为代表，其参数大致为：
膜厚,18-20μm；pH,8－9；施工电压:
20-40V；泳透力（钢管法）:
10%左右；耐盐雾性，未磷化钢板24h，磷化后为48h。
第二代电泳涂料具有高电压、高泳透力的特点。
以70年开发投产的聚丁二烯树脂阳极电泳为代表，在磷化钢板上的耐盐雾性提高到240h以上；泳透>17%；施工电压提高到100-180V。
第三代电泳涂料具有高电压、高泳透力、耐高湿热、可作底面合一漆及罩光面漆。
以九十年代初国内自行开发的B11丙烯酸酯浅色高泳透力阳极电泳漆和D2035阳极电泳漆为代表。
1.1.2阳极电泳涂料的类型
a铝型材丙烯酸阳极电泳涂料
阳极电泳涂料在电泳过程中，被涂物为阳极，被涂物基体金属及表面处理膜（如磷化膜）被析出溶解而混入到漆膜中，这会降低了漆膜的耐腐蚀性。
阳极电泳漆比阴极电泳漆的价格便宜，目前阳极电泳涂料的发展主要集中在铝材上，且铝合金型材料经电泳涂漆后还能提高抗碱性，这是其它表面处理法所达不到的。
丙烯酸阳极电泳涂料是阳极电泳涂料的新一代产品，具有水溶性、低污染性和特有的浅色调。
丙烯酸阳极电泳涂料在原材料方面进行了改进，不再采用食用亚麻油等干性植物油为主要原料，而是采用石油加工合成的丙烯酸酯类单体经蒸馏、冷凝聚合而成，羧基用单体经聚合直接引入，易于调节制得各种不同性能要求的产品，且避免了因植物油而引起的霉变可能性，同时也避免了在烘烤中油脂挥发对烘道的污染及火灾危险[16]。
以丙烯酸酯和丙烯酸共聚而制成的丙烯酸酯树脂具有优良的保光、保色性，所形成的漆膜光泽素有“魔镜”之称。
丙烯酸树脂主链由碳-碳键组成，抗化学性高，配成含水量大的碱性电泳漆液也不会分解，具有良好的稳定性。
此外丙烯酸树脂还具有良好的耐候性、耐水性及良好的施工条件。
因而丙烯酸类型的阳极电泳涂料目前占据了铝型材电泳涂料的主流。
b铝型材聚氨酯阳极电泳涂料
对铝型材作表面处理的传统方法是氧化加封闭或氧化、着色加封闭，处理时间视所需颜色而定，但一般均要1h以上，氧化及着色过程中耗电力多，颜色难以控制，色差较大[17]。
丙烯酸电泳涂料的出现，使铝材的涂装迈上了新台阶。
但丙烯酸电泳漆只可用来代替封闭工艺，因而仍需氧化及着色，其生产成本高于一般氧化。
20世纪80年代后期，英国又成功开发了带色的阳极聚氨酯电泳漆。
该类电泳漆由于在阳极电泳开始时有轻微氧化作用，故电泳和着色同时完成，色差甚小，之后亦不需再封闭，电泳需时不超过3min，生产率为铝氧化的2~3倍以上。
可用电压控制按需要获得厚度在5~40μm的涂层，以适应各类工业应用。
这种涂层耐酸、碱及溶剂，在紫外光照射下不变色。
在室外使用时，涂层厚度约为每10年减小10μm，这也就是说，厚度为25μm的聚氨酯涂层，室外使用寿命为10年以上。
另外，无论铝型材的形状如何复杂，都能获得覆盖厚度均匀的涂层，这也是电泳漆的一大特性。
电泳铝型材以其高品质、高装饰性和耐蚀性，良好的成膜性能，电泳工艺的安全环保性，在世界各国将得到迅速的发展。
1.1.3阳极电泳涂料的缺陷
阳极电泳涂料在涂装过程中，存在着阳极溶解、泳透力较低、槽液稳定性差、易沉淀及色深等问题。
而且由于阳极电泳涂料存在阳极氧化作用的缺点，对金属表面（除了铝及不活泼金属外）会产生腐蚀，使其失去光泽，故阳极电泳涂料一般只作防腐底漆，不能满足表面装饰的要求，因而人们开始研究具有更高耐腐蚀性能的阴极电泳涂料。
阴极电泳涂装由于被涂物是阴极，电沉积是金属及表面处理膜不易离子化而溶出，再则，阴极电泳涂料的树脂具有碱性，本身对腐蚀有抵制作用。
阴极电泳涂料最突出的特征就是电泳槽液的稳定性，泳透力高及优良的耐腐蚀性。
阴极电泳远远优于阳极电泳主要在于它对底材的钝化作用。
1.2阴极电泳涂料的发展过程
在电泳涂料开发的初期,当时水性涂料技术不发达,一直没有得到工业化发展。
70年代,由于投资汽车底漆的电泳涂装研究领域的扩大,才使得电泳涂装技术得以推广和拓宽,开发出了更具装饰性和多功能性的阴极电泳涂料,并且在这个行业中,阴极电泳技术作为一种新的理论体系取代了阳极电泳技术,它更适合于在电镀工业中应用。
电泳涂料一经问世就在表面处理行业中得到了广泛的应用,尤其是近年来国内外都十分关注电泳涂料的新开发和研制工作,使得电泳涂料从20世纪60年代的阳极电泳涂料,历经几次飞跃,迅速发展到20世纪80年代的第5代厚膜阴极电泳涂料,取得了许多辉煌的成就。
[4]
1.2.1国外阴极电泳涂料的发展状况[5,6]
阴极电泳涂料工业化应用已有33年历史，在这33年中阴极电泳漆技术进步迅速，汽车车身底漆几乎100%地从阳极电泳涂装改为阴极电泳涂装，差不多每隔3~5年阴极电泳涂料就更新换代一次。
按特性阴极电泳涂料可分为PPG和Hoechst两大体系，前者是由美国PPG公司开发，双组份，低粘度，水乳液型；后者是由德国Hoechst集团、奥地利Stolllack公司开发，单组份，高粘度，水溶性型，其他涂料公司都是引进这两家公司的生产技术，或在引进基础上自建体系。
现将这两大体系的阴极电极电泳涂料发展状况作一一介绍。
阴极电泳涂装最先在美国应用。
1971年美国PPG公司首先研制成功第1代阴极电泳涂料。
第一代阴极电泳涂料首先在菲利普公司的电冰箱、洗衣机以及干燥机等耐腐蚀性能要求高的家用电器上作底漆。
1976年6月美国通用汽车公司将汽车部件采用PPG公司第二代阴极电泳漆（CED-3002）获得成功；1977年开始正式用阴极电泳漆为底漆来涂装汽车车身；1978年美国通用汽车公司和福特汽车公司基本上把原来使用的65条阳极电泳涂装生产线改用新的阴极电泳涂装生产线。
到1978年底初步统计，世界上约有120条阴极电泳涂装线，其中美国有70条以上，日本有20条，欧洲有10条。
1977年日本和英国由美国PPG公司引进技术以后，他们的汽车涂装从1978~1979年也向阴极电泳涂装转化。
日本关西阴极电泳涂料是在引进PPG公司阴极电泳涂料的基础上开发的体系。
目前，全球的阴极电泳涂料生产以美国PPG公司、德国Hoechst集团以及日本关西涂料公司为代表，它们的第五代阴极电泳涂料产品都已经问世。
[7]
1.2.2国内阴极电泳涂料的发展状况[6]
目前，我国汽车厂使用的阴极电泳涂料有两种类型：
一种是引进制造技术的（或进口的）阴极电泳涂料；一种是我国自行开发的阴极电泳涂料。
a引进国外阴极电泳涂料制造技术
为了与我国汽车工业涂装线改造同步，沈阳油漆厂在六·五期间引进了日本关西9210阴极电泳涂料的制作技术，并于1986年7月建成我国第一条现代化流水线生产汽车车身的阴极电泳涂装线—一汽CA141车身阴极电泳涂装线。
随后在我国汽车工业中形成车身底漆采用阴极电泳涂装替代阳极电泳涂装之势。
北京红狮涂料公司也在六·五期间从奥地利Stolllack公司引进了G1083灰阴极电泳涂料的制作技术，用于二汽和济南汽车厂车身驾驶室阴极电泳涂装线。
南京造漆厂又从奥地利Herberts公司引进了阴极电泳涂料和汽车漆的制作技术。
美国PPG公司的阴极电泳涂料也进入中国，北京吉普、广州标志、上海车轮厂等汽车合资公司采用进口PPG公司的阴极电泳涂料，PPG公司又与香港海通公司合资，由深圳海虹漆厂生产PPG系列的阴极电泳涂料及汽车漆。
随着对汽车零部件耐腐蚀性能要求的日益提高，薄膜阴极电泳已经满足不了要求。
1990年底，沈阳油漆厂又从日本关西涂料公司引进了HB2000厚膜阴极电泳涂料（灰/黑色）已被一汽用来涂装轿车车轮和奥迪车身。
b我国自行开发的阴极电泳涂料
我国开发电泳涂料及其涂装技术已有30年历史。
第一代阴极电泳涂料是由当时的兵器部五四研究所于1979年首先研制成功，并在军工产品和长安微型车身上应用。
随后，化工部涂料院，上海涂料所，长春、天津、四平等油漆厂也做了大量开发工作。
其中化工部涂料院开发的阴极电泳涂料已在天津丽华、济南、池州等油漆厂生产，并在国内占有一定的市场。
长春油漆厂自行开发研制的黑阴极电泳涂料也用于一汽车身阴极电泳涂装线。
我国开发的阴极电
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