電泳涂裝工藝綜合性實驗項目的設計與實踐

馬永存，彭叔森，卲志松，蔣利民

（南昌航空大學 材料科學與工程學院，江西 南昌 330063）

電泳沉積是一種使用廣泛的在導電基體上沉積涂層的技術。電泳現象的發(fā)現可以追溯到1808 年，俄羅斯科學家Ruess 觀察到電場誘導下黏土顆粒在水中的定向運動。20 世紀60 年代，汽車工業(yè)在安全、環(huán)保等多種因素的驅動下，開始了電泳涂裝技術的商業(yè)化和引進[1]。1977 年，陽極電泳法在全世界汽車車身底漆中得到廣泛應用，之后逐漸被陰極電泳法取代。目前在汽車車身底漆涂裝領域幾乎占據 100%的市場[2]。電泳涂裝具有施工效率高、連續(xù)自動化強、水性體系溶劑少、漆膜均勻、附著力強、漆料利用率高、適合異形表面等優(yōu)點，因此該技術已成為最重要的涂裝工藝之一。

南昌航空大學材料學院金屬材料工程專業(yè)腐蝕與防護方向致力于培養(yǎng)腐蝕與防護方面高級專門人才[3]，每年面向全國招收3～4 個班。涂料與涂裝工藝是該專業(yè)方向的核心課程之一，開設于大學三年級的第一學期。該課程的設置使得該專業(yè)方向為航空、汽車等相關企業(yè)培養(yǎng)了大批的涂料人才。該課程總學時為68學時，其中實踐部分占20 個學時。電泳涂裝工藝綜合性實驗項目是實踐部分的重要環(huán)節(jié)之一，實驗內容包含試樣的前處理（除油、除銹）、磷化、電泳涂裝、漆膜固化、漆膜評價等。其中電泳漆為外購的雙組分漆，表征方面主要涉及膜厚、硬度、光澤度、附著力、沖擊強度、鹽霧測試等常規(guī)操作。然而隨著科學技術以及涂料行業(yè)的快速發(fā)展，社會對涂料類創(chuàng)新人才的要求也隨之水漲船高[4-5]，而另一方面本科階段選擇進一步升學深造的學生人數逐年攀升。在此新形勢下，原有的電泳涂裝實驗內容略顯陳舊，難以滿足對學生創(chuàng)新能力、綜合素質培養(yǎng)的要求。為了增強電泳涂裝實驗項目的綜合性和創(chuàng)新性，本文教學團隊結合其科研項目中具有教學可行性的內容，將仿生“磚-泥”層狀結構理念引入到電泳涂裝工藝綜合性實驗中，重新規(guī)劃了該實驗教學項目，取得了較好的教學效果。

1 設計思路和創(chuàng)新點

貝殼珍珠層主要由體積分數為95%的天然文石（碳酸鈣）及約5%的有機質構成，但其機械性能顯著優(yōu)于其構成單元（韌性是天然文石的3 000 倍）[6]。研究證明其組裝單元周期性排列形成的“磚-泥”層狀結構特征是性能優(yōu)異的關鍵[7]。因此仿生制備“磚-泥”層狀結構的材料是當前的一個熱點研究課題[8-13]。而在防腐蝕涂層領域，把片狀填料引入到有機樹脂中是提高防護性能的常規(guī)途徑之一[14]，如圖1 所示。然而將片狀填料簡單加入雖能增強涂層的性能，但卻不能充分發(fā)揮片狀填料對力學性能和隔絕效果的增強作用。因此在實驗背景的講解中給學生梳理“磚-泥”層狀結構相比傳統復合材料的優(yōu)勢[15]：如“磚-泥”層狀結構帶來的片狀單元緊密堆積賦予涂層更高的物理隔絕效果；能賦予涂層高強超韌性，提供低抵御破壞的能力等；高片狀單元含量能有效提升涂層材料的耐老化特性。

將科研項目的研究成果應用于實驗課程教學[16-18]，不僅讓學生對實驗課程產生濃厚的興趣，還可以讓學生了解學科前沿的知識以提高學生的創(chuàng)新意識和科學研究的興趣，有助于學生的就業(yè)和進一步深造。結合專業(yè)方向的學科特色、涂料與涂裝工藝的大綱和最近的科研成果，重新設計的實驗項目由納米片的表面改性及表征、電泳漆的配置、碳鋼板的表面處理及磷化、仿生“磚-泥”層狀涂層的沉積及電泳過程的監(jiān)測、漆膜固化及性能表征等環(huán)節(jié)組成。新的實驗項目涉及內容廣、綜合性強，又符合專業(yè)方向的學科特色，實驗操作難度低、易開展又將現有現代儀器設備和數據分析處理納入。

2 綜合實驗設計

2.1 綜合實驗過程

實驗整體流程如圖2 所示。

圖2 實驗整體流程及內容

重新規(guī)劃后電泳涂裝工藝綜合性實驗項目課時為8 學時，具體時間安排及實驗步驟如下。

（1）實驗講解（1 學時）：講解實驗目的及相關原理，介紹仿生“磚-泥”層狀結構的特點。

（2）鋼板的打磨與清洗（0.5 學時）：依次使用不同型號的砂紙對鋼板試樣進行打磨處理，以除去不銹鋼表面的銹跡，然后將試樣放入配置好的清洗液清洗。

（3）磷化（含活化、表調）、磷化膜的表征（1學時）：具體工藝參數由學生根據教材內容自己設計。

（4）納米片的改性、電泳漆的配置及相關表征（1.5學時）：選用納米氮化硼作為磚結構，并利用鄰苯二酚/多胺體系進行改進；然后將改性好的氮化硼分散于乳液中。

（5）電泳沉積及試樣清洗（1.5 學時）：根據磷化膜厚選擇電泳電壓，采用下槽后再通電的方式，并記錄i-t 曲線。

（6）漆膜的固化（0.5 學時）：試樣放入烘箱中在所需的溫度下干燥。

（7）漆膜的表征（2 學時）：包括厚度、硬度、附著力、沖擊強度等常規(guī)測試；利用電化學工作站測量在質量濃度為3.5% NaCl 溶液中浸泡不同時間后的電化學阻抗譜。

其中，SEM、XPS 樣品送樣至我校測試中心進行分析，實驗數據處理用Origin 軟件進行[19]，XPS 數據用 CasaXPS 軟件處理，電化學阻抗測試結果采用ZsimpWin 軟件進行等效電路解析。

3 實驗結果與討論

以培養(yǎng)應用型人才為目標，本實驗項目充分利用實驗教學和科研平臺，在實驗內容中安排了掃描電鏡、XPS、電化學工作站等常用儀器設備的使用，讓學生對電泳涂裝實驗的設計、實驗過程、測試手段及原理有了直觀地認識和充分地理解，在培養(yǎng)學生動手實踐能力的同時激發(fā)了學生的學習興趣，提升了科研素養(yǎng)和創(chuàng)新素質。

圖3 是納米氮化硼的SEM 圖，能夠直觀地展示納米氮化硼的形貌。在 XPS 數據的分析中，使用CasaXPS 軟件對XPS 全譜數據進行標峰，對各元素的高分辨數據進行分峰擬合操作，圖4(a)和圖4(b)分別是未改性及改性納米氮化硼的XPS 全譜的標峰結果及改性納米氮化硼樣品C 1s 高分辨數據的分峰擬合結果。

圖3 納米氮化硼的SEM 形貌

圖4 改性前后納米氮化硼的XPS 全譜

圖5 是電泳沉積涂層的SEM 截面形貌，該圖說明所制備的涂層具有一定的“磚-泥”層狀結構。

圖6 是所制備的樣品在質量濃度為3.5% NaCl 溶液中的電化學阻抗譜測試結果。電化學測試在研究涂層對金屬的防護方面具有重要的作用，本專業(yè)方向的學生在大學三年級同時要必修電化學測試及技術課程。在涂層性能測試環(huán)節(jié)除常規(guī)測試外，重點介紹電化學阻抗譜在涂層的防護效果評價及破壞機制方面的應用[20]，并采用ZsimpWin 軟件對化學阻抗譜測試結果進行等效電路解析。

圖5 電泳沉積涂層的SEM 截面形貌

圖6 樣品在質量濃度為3.5% NaCl 溶液中的電化學阻抗譜

4 結語

本文將科研成果引入到本科教學實驗中，重新設計了電泳涂裝工藝綜合性實驗的教學方案，豐富了涂料與涂裝工藝課程的教學內容，不僅對防護電泳涂裝工藝教學內容進行了有益的補充，也能有效激發(fā)學生的科研興趣、創(chuàng)新意識，系統提升學生專業(yè)素養(yǎng)和科學研究能力，為學生就業(yè)和深造夯實基礎。