DE2847172B2

DE2847172B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Formkörpers durch elektrophoretische Abscheidung

Info

Publication number: DE2847172B2
Application number: DE19782847172
Authority: DE
Inventors: Akio Sayama Kasai; Norio Kawagoe Kawamura; Nobuaki Warabi Todoroki; Junichi Chigasaki Yasukawa
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Taikisha Ltd; Shinto Paint Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Taikisha Ltd; Shinto Paint Co Ltd
Priority date: 1978-10-30
Filing date: 1978-10-30
Publication date: 1981-01-22
Also published as: DE2847172A1

Description

Die Erfindung betrifft den in den Patentansprüchen gekennzeichneten Gegenstand.

Für die Beschichtung von Formkörpern durch elektrophoretische Abscheidung sind die verschiedensten Beschichtungsbäder und -anlagen bekannt So wird z. B. in W. Machu, Elektrotauchlackierung, 1974, Seiten 265—271 u.a. ein Tankanodenverfahren beschrieben, bei dem der zu beschichtende Artikel als Kathode und eine separate Anode als Gegenelektrode in einen isolierten Tank eingebracht werden, worauf ohne besondere Spannungsregulierung 2 bis 4 min lang die Beschichtung erfolgt. Vor einer Abschaltung der Spannung nach Beendigung des Beschichtungsvorganges wird allerdings gewarnt, um eine Rücklösung des gebildeten Lackfilms zu verhindern. Beschichtungszeiten von 2 min sind auch bei der aus der DE-OS 25 33 822 bekannten kathodischen Elektrotauchlackierung üblich, zu deren Durchführung Anoden aus einem Graphit-Kunststoffgemisch verwendet werden.

Elektroabscheidungs-Beschichtungsmassen mit

einem Gehalt an einem kationischen Kunstharzpulver sind z. B. aus der US-PS 38 69 366 bekannt. Derartige Beschichtungsmassen haben gegenüber üblichen bekannten Beschichtungsmassen zahlreiche Vorteile aufgrund der Tatsache, daß der Coulomb-Wirkungsgrad höher ist, daß innerhalb eines sehr viel kürzeren Zeitraumes ein zufriedenstellender Überzug erzeugt wird, daß die Eigenschaften dieses Überzugsfilms ausgezeichnet sind, daß die Arbeitsbedingungen vom gesundheitlichen Standpunkt aus betrachtet hervorraein verbessertes Deckvermögen erzielbar ist und daß ganz leicht Arbeitsgänge eingespart werden können.

Die in der angegebenen US-PS beschriebene, ein kationisches Harzpulver enthaltende Abscheidungs-Beschichtungsmasse enthält als wesentliche Komponenten ein mit Wasser verdünnbares kationisches Kunstharz, bei dem es sich um ein Stickstoff enthaltendes basisches Harz handelt, das mit einer Säureverbindung teilweise neutralisiert ist, sowie ein Kunstharz in Form eines feinen Pulvers, das bei Raumtemperatur fest ist, jedoch durch Erhitzen zum Schmelzen gebracht werden kann, in einem Gewichtsverhältnis von 1 bis 50, vorzugsweise 2 bis 10 Teilen des feinen Kunstharzpulvers auf 1 Teil des kationischen Kunstharzes, bezogen auf die Feststoffe.

Zur Beschichtung eines Formkörpers durch elektrophoretische Abscheidung unter Verwendung einer derartigen, ein kationisches Harzpulver enthaltenden Beschichtungsmasse wird die Beschichtungsmasse zuerst mit Wasser verdünnt zur Herstellung eines wäßrigen Bades, das in der Regel 10 bis 20 Gew.-°/o Feststoffe enthält und dessen pH-Wert auf 4,5 bis 6,5

to eingestellt und dessen Temperatur bei 20 bis 30⁰C gehalten wird. In dieses wäßrige Bad werden als Kathode ein zu beschichtender elektrisch leitender Formkörper und als Anode eine Elektrode aus rostfreiem Stahl oder eine Kohleelektrode eingeführt und dazwischen wird 5 bis 60 s lang eine Spannung (Gleichspannung von etwa 100 bis 600 V) angelegt, so daß ein Überzugsfilm auf der Oberfläche des Formkör-

gend sind, daß ein feuersicherer Betrieb möglich ist, daß pers elektrophoretisch abgeschieden wird.

Der auf diese Weise hergestellte ÜberzugsfUm wird dann mit Wasser gewaschen, entwässert, getrocknet und gebrannt zur Herstellung eines fertigen Filmes mit einer höheren Festigkeit

Bei diesem bekannten Beschichtungsverfahren tritt jedoch das Problem auf, daß in Abhängigkeit von den Beschichtungsbedingungen und insbesondere in Abhängigkeit von der Gestalt des zu beschichtenden Formkörpers die Fümdicke, d. h. die Beschichtungsmenge, des erzeugten Oberzugs nicht überall gleichmäßig und einheitlich ist Um die Beschichtungsmengen bei diesem Beschichtungsverfahren zu kontrollieren, hat man versucht, die elektrophoretische Abscheidungszeit, die angelegte Spannung und/oder die Badtemperatur und dgL zu steuern. Derartige Verfahrensmaßnahmen weisen zwar eine gewisse Wirksamkeit auf bei Verwendung einer ein kationisches Harzpulver enthaltenden Elektroabscheidungs-Beschichtungsmassc, wie sie erfindungsgemäß verwendet wira, doch sind die erzielten Effekte nicht voll befriedigend.

Bei einem Beschichtungsverfahren des erfindungsgemäßen Typs (nachfolgend kurz elektrophoretisches Pulverabscheidungs-Beschichtungsverfahren genannt) liegt nämlich die Abnahme der Menge des Stromflusses mit der Zeit während der elektrophoretischen Abscheidung (d.h. die durch Zunahme des elektrischen Widerstandes mit der Zeit mit zunehmende r Beschichtungsmenge bedingte proportionale Abnahme des Stromflusses) in einer niedrigeren Größenordnung als bei den bisher bekannten elektrophoretischen Abschei- jo dungs-Beschichtungsverfahren, weshalb kaum eine zu einem gewissen Ausgleich führende automatische Schwankung im Stromfluß entsprechend der Filmbiidungsmenge im jeweiligen Abschnitt des Formkörpers auftritt und demzufolge kein fertiger Überzugsfilm mit s^r> einer gleichmäßigen oder konstanten Dicke anfällt Da außerdem der Coulomb-Wirkungsgrad sehr hoch ist, werden durch eine geringe Schwankung des Stromflusses aufgrund einer Änderung der Beschichtungsbedingungen die Oberzugsmengen stark beeinflußt Aus diesen Gründen sind die bei der elektrophoretischen Pulverabscheidungs-Beschichtung bisher angewandten Beschichtungskontrollmaßnahmen unzureichend in bezug auf die Erzielung eines gleichmäßigen Überzugs auf jedem beliebigen Abschnitt des Formkörpers, unabhängig von dessen Größe und Gestalt

Zur Überwindung der aufgezeigten Nachteile werden erfindungsgemäß als Kathode der zu beschichtenden Formkörper sowie eine Vielzahl von Anoden verwendet, wobei jede der Anoden verschiedenen Oberflächen des zu beschichtenden Formkörpers gegenüberliegt und die Beschichtungsmengen auf den jeweiligen Oberflächen des Formkörpers durch Regulieren der Flektrizitätsmenge, die man zu jeder Anode fließen läßt, gesteuert werden mit Hilfe eines an jede Anode angeschlossenen Unterbrechers.

Bezüglich der erfindungsgemäß verwendeten Elektroabscheidungs-Beschichtungsmassen und der angewandten Abscheidungsbedingungen sei auf die bereits genannte US-PS 38 69 366 verwiesen. Erfindungsgemäß verwendbare basische Harze sind z. B. an ein Amin addierte Epoxyharze (Aminoepoxyharze), Aminoacrylharze und Polyamidharze. Beispiele für Kunstharze, die in Form eines feinen Pulvers verwendet werden, sind Epoxyharze, Polyesterharze, Polyurethanharze, Acryl- v> harze und dgl. Als Säureverbindungen, die für die Neutralisation der basischen Kunstharze verwendbar sind, uni sie niit Wesscr verdünnbRr ?u machen.

organische Säuren wie Ameisensäure, Milchsäure, Essigsäure, Proprionsäure, Zitronensäure, Apfelsäure, Weinsäure und dgL, sowie anorganische Säuren wie Phosphorsäure, Chlorwasserscoffsäure, Schwefelsäure, Borsäure und dgL, dienen.

Zur Durchführung der Beschichtung eines Formkörpers durch elektrophoretische Abscheidung unter Verwendung eines Bades, das eine Pulverabscheidungs-Beschichtungsmasse des angegebenen Typs enthält, reicht die bloße Verwendung einer oder zweier Anoden, die seitwärts entlang der Badwand angeordnet sind, zur Erzielung eines gleichmäßigen Oberzugs nicht aus, wenn der zu beschichtende Formkörper eine komplizierte Gestalt und/oder eine beträchtliche Größe hat, da der Abstand zwischen der oder den Anoden und der zu beschichtenden Oberfläche zu verschieden ist und außerdem auch Unterschiede im Abstand zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und der Oberfläche der Badflüssigkeit den gebildeten Überzugsfilm nachteilig beeinflussen können.

Man ist deshalb dazu übergegangen, eine zusätzliche Anode als ergänzende Elektrode gegenüber derjenigen Oberfläche anzuordnen, deren elektrophoretische Beschichtung besonders schwierig ist So werden z. B. bei der Beschichtung eines in allen Richtungen gleichmäßig zu beschichtenden Formkörpers, z. B. einer Automobilkarosserie, die beiden Seitenelektroden, die seitwärts des Bades angeordnet sind, als Hauptanoden verwendet und zusätzliche Elektroden, wie eine Deckenelektrode, die in der Nähe der Oberfläche der Badflüssigkeit angeordnet ist, und eine Bodenelektrode, die auf der Bodenoberfläche des Bades angeordnet ist, werden als zusätzliche ergänzende Anoden verwendet Dabei werden der Abstand zwischen dem zu beschichtenden Formkörper und jeder Anode, d.h. der Abstand zwischen den Elektroden, und das Flächenverhältnis dieser einander gegenüberliegenden Elektroden bestimmt durch die Gestalt des Formkörpers, weshalb es sehr schwierig ist, sie bei jedem zu behandelnden Formkörper unter identischen Bedingungen zu halten.

Es zeigt sich aber, daß bei der Durchführung einer Beschichtung durch elektrophoretische Abscheidung unter Verwendung solcher Haupt- und Zusatzanoden, die in geeigneter Weise entsprechend der Gestalt und Größe des zu beschichtenden Formkörpers angeordnet sind, auf jeder Oberfläche des Formkörpers ein gleichmäßiger Überzug erzeugt werden kann durch Regulierung der jeweiligen Elektrizitätsmenge, die man zu jeder Anode fließen läßt, und daß die Dicke des Überzugsfilms gewünschtenfalls abschnittsweise variiert werden kann bis zu jedem optimalen Wert

Zur Steuerung des gewünschten Siromflusses ist es möglich, eine Kontrolleinrichtung mit konstantem Strom, die mit jeder Anode gekoppelt ist, zu verwenden, oder die an jede Anode angelegte Spannung zu steuern, oder in einigen Fällen die freiliegende Anodenfläche entsprechend einzustellen. Auch eine geeignete Kombination dieser Maßnahmen ist verwendbar.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, die eine praktische Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, in der eine Automobilkarosserie durch elektrophoretische Abscheidung beschichtet wird.

In der Zeichnung ist eine Kathode, d. h. der zu beschichtende Formkörper 1 (in diesem Falle eine Automobilkarosserie), in dem Mittelabschnitt des galvanischen Abscheidungsbades 2 angeordnet, die von einer nicht gezeigten Aufhäneeeinrichtune Betragen

wird. Den jeweiligen Oberflächen des zu beschichtenden Formkörpers gegenüberliegend ist eine Vielzahl von Anoden angeordnet, bestehend aus einem Paar von Seitenelektroden 3 als Hauptanoden, einer Deckenelektrode 4 und einer Bodenelektrode 5 als zusätzliche ergänzende Anode. Das Bad 2 wird mit einer Badflüssigke ' 6 gefüllt, so daß der Formkörper 1 darin vollständig eintaucht. Wie ersichtlich, unterscheidet sich der Zwischenelektrodenabstand (d_u d₂, d₃) zwischen dem zu beschichtenden Formkörper 1 und den Anoden (3,4 und 5) von Anode zu Anode. Das Flächenverhältnis zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und der Oberfläche der Anode ist ebenfalls nicht starr. Bei der Durchführung der elektrophoretischen Abscheidung werden diese Anoden mit dem positiven Pol eines Gleichrichters oder Umformers 8 verbunden und der zu beschichtende Formkörper ist der negative Pol, so daß ein Gleichstrom fließt zur Erzeugung eines Überzugsfilmes auf den Formkörper. Es können jeweils verschiedene Gleichrichter und/oder Umformer an jeder Anode 3, 4 und 5 vorgesehen sein, doch ist dies im allgemeinen unwirtschaftlich, weshalb in der Regel nur ein gemeinsamer Gleichrichter und/oder Umformer verwendet wird. Wenn ein konstanter Strom für eine bestimmte Zeitspanne fließt, variiert die Filmdicke des gebildeten Überzugs von Abschnitt zu Abschnitt des Fonnkörpers in Abhängigkeit von der Position der zu beschichtenden Oberfläche von den Seiten-, Dach- und Bodenelektroden und sogar der gleichen Oberfläche einer Anode entsprechend der Differenz in bezug auf den Zwischenelektrodenabstand als Folge der Ungleichmäßigkeit der Formkörperoberfläche.

Insbesondere ist beim erfindungsgemäßen elektrophoretischen Puiverabscheidungs-Beschichtungsverfahren die obengenannte Schwankung der Filmdicke ganz offensichtlich steuerbar, da eine verbesserte Elektrodenposition innerhalb einer kurzen Zeitspanne einstellbar ist Deshalb ist erfindungsgemäß zwischen der jeweiligen Anode und dem Gleichrichter ein Unterbrecher 7 vorgesehen, welcher den Strom, der zu jeder Anode fließt, zu dem Zeitpunkt unterbricht wenn der gewünschte Überzugsfilm (z. B. ein Überzugsfilm mit der jeweils gewünschten Filmdicke) in dem gewünschten Abschnitt des Formkörpers erreicht ist oder wenn die jeweils gewünschte Elektrizitätsmenge die jeweilige Anode passiert hat, wobei die für jede Anode erforderliche Elektrizitätsmenge vorgegeben wird, z. B. als Funktion der Zeit während der der Strom fließt

Die Erfindung wird im folgenden Beispiel näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Alle angegebenen Teile und Prozentangaben beziehen sich, wenn nichts anderes angegeben ist auf das Gewicht

Beispiel

Ein Elektroabscheidungsbad wurde wie folgt hergestellt:

Kationisches Harz

253 Teile handelsübliches Epoxyharz vom Epichlorhydrin-Bispbenoltyp, F.=64—74°C, Epoxyäquivalent 450—5JiO, A/«900, 47 Teile Diethanolamin und 128 Teile Isopropylalkohol wurden unter Rückfluß 4 h lang bei 85 bis 90° C miteinander reagieren gelassen, wobei man ein flüssiges Aminoepoxyharz erhielt 20 Teile Propionsäure und 552 Teile reines Wasser wurden zugegeben zur Herstellung einer wasserlöslichen kationischen Harzflüssigkeit mit einem Feststoffgehalt von 3CWb und einem Neutralisationsgrad von 60%.

Feines Dispersionspulver

88 Teile handelsübliches Epoxyharz vom Epichlorhydrin-Bisphenoltyp, F.= 122-131°C, Epoxyäquivalent 1750 - 2100, Ma 2900,262 Teile handelsübliches Epoxyharz vom Epichlorhydrin-Bisphenoltyp, F.=94— 104°C, Epoxyäquivalent 875—975, M« 1400,0,7 Teile handelsübliches Egalisiermittel mit einem Gehalt an Acrylsäurealkylester, Viskosität Y-Z5, Säurewert unter 3, 18 ίο Teile Dicyandiamid, 137 Teile handelsübliches Titandioxid vom Rutiltyp mit durchschnittlicher Teilchengröße 0,25—0,4 μπι, öladsorption 20-25 ml/100 g und 3 Teile handelsüblicher Ruß mit durchschnittlicher Teilchengröße von 22μπι, Deckkraft 125%, öladsorption 112 ml/100 g wurden gemeinsam geschmolzen und in einem Extruder auf übliche Weise durchgeknetet Das Produkt wurde mit einer Schlagmühle zerkleinert, wobei man ein feines Epoxyharzpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 7 μιη erhielt.

710 Teile reines Wasser wurden zu 355 Teilen des obengenannten kationischen Harzes zugegeben und die Mischung wurde mit einer Lösungseinrichtung gut gerührt wobei man eine wäßrige kationische Harzlösung mit einem Feststoffgehalt von 10% erhielt Diese kationische Harzlösung wurde portionsweise zu 373 Teilen des obengenannten feinen Dispersionspulvers zugegeben und die Mischung wurde 30 min lang gerührt Danach wurden 1762 Teile reines Wasser zugegeben und es wurde verdünnt bis der Feststoffgehalt 15% betrug. Die Eigenschaften der auf diese Weise erhaltenen Badflüssigkeit sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

J5 Tabelle I

Feststoffgehalt 15% Po/Bi-Verhältnis^#) 33%

pH-Wert 5,0

Neutralisationsgrad 60%

*)Po/Bi-Verhältnis= Verhältnis zwischen dem Gewicht des feinen Pulvers und dem Gewicht des kationischen Harzes.

ts Unter Verwendung der obengenannten Badflüssigkeit wurde eine Automobilkarosserie, wie in der beiliegenden Zeichnung dargestellt durch elektrophoretische Abscheidung beschichtet Wie in der Zeichnung gezeigt, unterschieden sich der Abstand du <4 und ds

zwischen der jeweiligen Anode (der Seitenelektrode 3, der Dachelektrode 4 und der Bodenelektrode 5) und der gegenüberliegenden Oberfläche des Formkörpers voneinander. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Abstand di oder tfe zwischen der Dachelektrode oder

Bodenelektrode und dem Formkörper kleiner wird in Verbindung mit der verwendeten Badfhlssigkeitsmenge. Bei einem Test wurde eine Gleichspannung von 300 V

20 s lang gleichmäßig an jede Elektrode angelegt und in einem anderen Test wurde ein Unterbrecher zwischen der jeweiligen Anode und dem positiven Pol vorgesehen und der Stromdurchgang wurde automatisch zu dem Zeitpunkt unterbrochen, wenn eine vorgegebene Elektrizitätsmenge in jede gewünschte Anode geflossen war. Die Filmdicke und das Aussehen des auf diese

es Weise erzeugten Oberzuges sind zusammen mit der hindurchgelassenen Elektrizitätsmenge an jeder Oberfläche des Fonnkörpers in der folgenden Tabelle H angegeben.

Tabelle II

Teile des Formkörpers Dach Seite

Boden

Elektrophor. Abscheidung mit
einer angelegten Spannung von
300 V für einen Zeitraum
von 30 s

Der zu jeder Anode fließende
Strom kontrolliert
Angelegte Spannung 300 V

Filmdicke ([Jm)	100-110	50-60	80-90
Elektrizitäts	5000	8000	4500
menge (C)
Aussehen	Poren	gleichmäßig	gleichmäßig
		& glatt
Elektrizitäts	2600	8000	5500
menge (C)
Filmdicke (μτη)	55-60	50-60	100-120
Aussehen	gleichmäßig	gleichmäßig	dickerer Film
	& glatt	& glatt

Aus der obigen Tabelle II geht hervor, daß die Rücksicht auf das Aussehen desselben, indem man die

Kontrolle des Stromflusses wirksam ist in bezug auf die Elektrizitätsmenge erhöhte, weil dies der Teil der

Erzeugung eines gleichmäßigen, glatten Überzuges auf Karosserie ist, der durch Steine und andere Hindernisse

jeder Oberfläche des Formkörpers. Der Überzugsfilm 25 auf der Straße beim Fahren beschädigt werden kann, des Bodens wurde dicker gemacht als die anderen ohne

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Beschichten eines Formkörpers durch elektrophoretische Abscheidung, bei dem man als Bad eine Flüssigkeit aus einer ein Pulver enthaltenden Elektroabscheidungs-Beschichtungsmasse, die als wesentliche Komponenten ein mit Wasser verdünnbares kationisches Kunstharz, bei dem es sich um ein Stickstoff enthaltendes basisches Harz handelt, das teilweise durch eine Säureverbindung neutralisiert ist, und ein Kunstharz in Form eines feinen Pulvers, das bei Raumtemperatur fest ist, jedoch beim Erhitzen zum Schmelzen gebracht werden kann, enthält, und als Kathode den zu is beschichtenden Formkörper verwendet und an die Kathode und eine Vielzahl von Anoden, die in dem Bad angeordnet sind, eine Spannung anlegt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Anoden innerhalb des Bades verschiedenen Oberflächen des zu beschichtenden Fonnkörpers gegenüberliegend anordnet und die Überzugsmengen auf der jeweiligen Oberfläche des Formkörpers durch Regulierung der Elektrizitätsmenge, die man zu jeder Anode fließen läßt, steuert mit Hilfe eines an jede Anode angeschlossenen Unterbrechers, mit dem der Stromfluß unterbrochen wird, sobald die betreffende Anode die gewünschte vorgegebene Elektrizitätsmenge erhalten hat.

2. Vorrichtung zum kataphoretischen Beschichten eines Formkörpers nach Anspruch 1, die aufweist (a) ein elektrcphoretisches Abscheidungsbad bestehend aus einer wäßrigen Flüssigkeit einer Elektroabscheidungs-Beschichtungsmasse, die ein mit Wasser verdünnbares kationisches Harz, bei dem es sich um ein Stickstoff enthaltendes basisches Harz handelt, das mit einer Säureverbindung teilweise neutralisiert ist, sowie ein Kunstharz in Form eines feinen Pulvers, das bei Raumtemperatur fest ist, jedoch durch Erhitzen zum Schmelzen gebracht werden kann, enthält, (b) eine Kathode in Form des zu beschichtenden Formkörpers, die in das Bad eingetaucht ist, (c) eine Vielzahl von Anoden, die innerhalb des Bades so angeordnet sind, daß sie verschiedenen Flächen der Kathode gegenüberliegen, und (d) eine elektrische Stromquelle zum Anlegen einer Spannung an jede Anode und die Kathode, gekennzeichnet durch Unterbrecher (7), die mit jeder Anode (3,4,5) so verbunden sind, daß sie den Stromfluß unterbrechen, sobald die betreffende Anode die gewünschte vorgegebene Elektrizitätsmenge erhalten hat, zur Steuerung der Überzugsmenge der Beschichtungsmasse in Abhängigkeit von der jeweiligen Oberfläche der Kathode (1).