有机物电镀工艺的探索和研究（I）

王伟平，顾卫忠

（1.上海天青科贸有限公司，上海200233；2.上海应用技术学院 化学与环境工程学院，上海201418）

有机物电镀工艺的探索和研究（I）

王伟平1，顾卫忠2

（1.上海天青科贸有限公司，上海200233；2.上海应用技术学院 化学与环境工程学院，上海201418）

对比金属和水性高分子有机树脂电沉积的原理和工艺，提出有机物电镀的新概念，阐述了有机物电镀工艺技术的要领和发展有机物电镀的意义。金属和高分子有机聚合物镀膜结合，是金属表面处理技术向绿色环保发展的新方向。

电镀；电泳涂装；有机聚合物；防护－装饰性

0 前言

现在，许多防护－装饰性电镀产品的表面处理工艺已经离不开涂装，金属电镀在整个表面处理工艺中往往只起到使基体金属表面平整、光亮的装饰性作用，产品的防护性往往是靠涂装来实现的。电泳涂装是一种水性涂装工艺，形成的涂膜在性能和生产操作性上最能体现金属电镀的装饰效果。

电镀和电泳涂装有许多相似的地方，最大的不同在于：电镀沉积的是金属，电泳涂装沉积的是高分子有机聚合物。但是简单地把沉积物是有机聚合物的电泳涂装称为“有机物电镀”是没有意义的。电泳涂装作为汽车底漆涂装工艺可以说是一种完美的工艺，其优越的涂装性能应用在电镀及金属制品的面漆处理技术上也倍受青睐。有机物电镀不是沿用传统的电泳涂装的配方、工艺和管理，而是将电泳涂装的生产工艺和涂膜特点进一步向金属电镀工艺靠近，使它融入到金属电镀工艺中。有机物电镀将促进电镀和电泳涂装技术的进一步发展，推动金属表面处理质量和工艺水平的提高。

有机物电镀能改变防护－装饰性电镀的镀层结构，简化防护－装饰性电镀的工艺，降低成本，推动金属表面处理技术向绿色环保的方向发展。

1 有机物电镀的原理和镀液组成

1.1 金属电镀和有机物电镀的特点及成膜机理

电镀是使用外部电源，在电化学的作用下，使溶液中的金属离子在阴极表面上析出从而形成金属膜层的技术。电镀一般用于金属表面的装饰、防护以及改变金属表面的功能性。

有机物电镀也是使用外部电源，在电化学的作用下，使被水溶解或分散的离子化的高分子有机聚合物在阴极或阳极表面上析出从而形成有机聚合物膜的技术。有机物电镀也可用于金属表面的装饰、防护以及改变金属表面的功能性。

金属电镀和有机物电镀的主要特点及成膜机理，分别如表1和表2所示。

1.2 有机物电镀溶液的主要组成

（1）成膜树脂

成膜树脂的主要组成为含有羧基、羟基、氨基、醚基、酰胺基等亲水性基团的高分子有机聚合物树脂和水性交联剂树脂。含有亲水性基团的聚合物在中和剂的作用下形成阴离子型树脂或阳离子型树脂，这些树脂的非亲水性基团还可以包裹一些非水性的交联剂树脂和其他辅助树脂、有机物、颜料等，在槽液中溶解、分散、乳化，在直流电场的作用下在阴极或阳极上共沉积。成膜后的有机聚合物在一定温度下发生交联反应从而决定了有机膜的性能。

表1 金属电镀和有机物电镀的主要特点

表2 金属电镀和有机物电镀的成膜机理

（2）中和剂

中和剂是使带亲水性基团的树脂发生离子化的有机酸或碱，它可以增强树脂的离子化极性，影响涂料的黏度、稳定性、溶解度以及涂膜的外观等，是有机物电镀溶液的重要成分。

（3）色浆和填料

色浆和填料是水溶性的有机颜料或染料，也可以使用二氧化硅、氧化钛等氧化物粉末。它们使有机物镀膜着色、覆盖底色、提高性能等，通常和成膜树脂一起发生共沉积。

（4）添加剂

往有机物镀液中加入少量的添加剂，对电泳涂膜的外观、性能和生产管理等均能起到明显的改善作用。

（5）成膜助剂

成膜助剂主要是有机物镀液中的水性溶剂，在成膜树脂原料中本身也含有一定量的溶剂，它的存在对有机树脂的分散、溶解和稳定有重要的作用。另外，通过添加适量的溶剂可以降低被镀金属表面的张力，提高有机镀膜的流平性。

金属电镀和有机物电镀的工作溶液在组成上有相似的地方，但有机物镀液的配方要比金属镀液的复杂。有机物镀液的成分均参与共沉积，在生产过程中成分变化大，所以电泳涂液的稳定性要比电镀溶液的差。另外，有机物镀液的成分用专用的仪器设备也较难分析，不适合用金属电镀的分析管理方法对镀液的某一成分进行补充管理。

2 有机物电镀的工艺流程

2.1 前处理工艺

有机物电镀的前处理工艺往往采用无机酸和碱，要避免它们和金属离子带入有机物镀液中，所以有机物电镀的水洗要求要比金属电镀的高。

金属电镀的前处理通常要去除金属表面的氧化膜，使金属表面呈活化状态才能保证镀层的结合力；有机物电镀可以在金属氧化层或钝化层上得到结合力好的膜层，例如在铝、锌和钛基体上都可直接进行有机物电镀。

有机物电镀大部分采用透明的、能表现金属感的有机聚合物树脂镀膜，所以对基材表面的要求比金属电镀的高。金属表面机械处理不均匀或存在缺陷时，不能用透明的有机物镀膜覆盖；金属表面脱脂不良往往会造成花纹的产生；金属在镀前的表面状态也会影响有机物镀膜的质量。例如：对于不同型号的不锈钢材料，电解脱脂的阴阳极方式和电流密度的大小都会影响有机物镀膜的均匀性；铁、铜等金属表面的氧化层不均匀会造成有机物镀膜的不均匀，所以有机物电镀的前处理经常根据不同金属采用磷化、钝化等表面均质化的处理工艺。

2.2 不同基体上有机物电镀成膜

金属电镀往往是根据金属的特性和电化学原理来设计单层或多层金属镀层，从而达到装饰和防护等目的。有机物电镀通常根据高分子有机聚合物树脂的性能和底层金属的特性来选择阳离子型或阴离子型有机物镀液，通过高分子有机聚合物单镀层或金属镀层/有机物镀层来达到装饰和防护等目的。

2.2.1 基体金属表面单镀层

在基体金属上直接进行有机物电镀的工艺和电泳涂装的工艺没有很大区别。电泳涂装具有黑色、实色、无色的涂装效果，多用于涂装的底涂层。有机物电镀工艺除了具有电泳涂装工艺的一些特点外，还必须具有金属感的表现力，所以有机物电镀工艺对电沉积的有机物树脂的色泽、透明度、流平性等都有较高的要求，同时对基体金属的整平性、均匀性、色泽、光泽等也有较高的要求。有机物电镀与金属电镀的不同之处在于：有机物电镀几乎能在所有的导电表面上电沉积结合力好的镀膜；另外，有机物电镀在阳极上也可以电沉积镀膜。

铝银浆是一种金属感强且覆盖力好的金属颜料。采用铝银浆的有机物电镀是一种可以覆盖基体金属缺陷的工艺。例如：在灰暗的钢铁基体上直接进行铝银浆有机物电镀，可以产生镀金属铬的效果；在压铸金属表面直接进行铝银浆有机物电镀，既可覆盖基体金属的不均匀性又能得到金属电镀的外观；在不锈钢、铝、钛、镁合金等难电镀的基体金属上直接进行铝银浆有机物电镀，可以得到镀铬和铝氧化处理的外观效果。从环保意义上来说，采用铝银浆的有机物电镀工艺可以实现无有害金属污染。

在基体金属上直接进行有机物电镀，通常在一个镀槽中就可以完成镀膜的过程，膜的厚度主要靠操作电压控制，所以在工艺设备上完成镀膜的槽体要比电镀的小得多。

2.2.2 金属镀层/有机物镀层

利用金属镀层覆盖基体金属表面的缺点，然后再进行有机物电镀也是一种非常可取的方法，它使有机物电镀更加具有金属电镀的表现力。光亮镀镍层有很好的装饰性，但其同时存在孔隙率高、不耐指纹和易变色等缺点，很少单独作为防护－装饰性镀层使用。在光亮镀镍层上进行有机物电镀，不仅可以弥补镀镍层的缺点，而且使有机物电镀有更强的金属感。传统的光亮镀锌、镀锡、镀高锡铜－锡合金等可以在许多金属上覆盖底层金属的色泽，从而得到装饰性好的白色光泽外观，但其持久性较差，不能作为防护－装饰性镀层应用于金属的表面处理。在钢铁基体上光亮镀锌、镀锡、镀高锡铜－锡合金后，再进行有机物电镀处理，其防护性远远超过了它们单独在基体上电镀的状态，同时还具有装饰性，这些工艺的组合可以形成新的防护－装饰性镀层体系。另外，光亮镀锡、镀高锡铜－锡合金的白度高，有机物电镀更容易进行一些仿金、仿银、仿铬镀层效果的金属表面处理。

电泳涂装和金属电镀都是水性体系的工艺，适用于在同一条生产线上进行，但是电泳涂装工艺通常采用150°C以上的烘烤后处理，所以很难和金属电镀工艺采用同一挂具进行连续生产。在金属镀层上进行有机物电镀，通常采用120°C以下的烘烤后处理，这样就可以实现有机物电镀和金属电镀采用同一挂具进行连续生产。

光亮酸性镀铜的成本低且具有很好的整平性和光泽，是最常见的金属电镀镀种之一。氰化物镀铜/光亮酸铜/光亮镀镍/电镀仿金或枪色等镀层/有机物电镀工艺，已成为许多电镀产品加工的主流。事实上，部分传统的防护－装饰性电镀的镀层结构已被金属电镀/涂装取代，这也使得电泳涂装工艺在电镀产品上得以普及，例如：金属眼镜、饰品、五金、制笔等的金属表面处理加工。有机物电镀是将电泳涂装工艺电镀化，使它进一步融入到金属电镀的生产工艺中。

镀铬层常用于防护－装饰性电镀的最外层镀层。在镀铬层上进行有机物电镀可以大大提高镀铬产品的耐蚀性，尤其是采用阳极电沉积的有机物电镀，少量的六价铬溶入高分子有机树脂中参与交联反应提高了有机树脂的交联密度，使有机膜产生更高的性能，可应用于汽车、卫浴等防护－装饰性要求较高的电镀产品。

2.3 后处理工艺

有机物电镀和金属电镀的后处理都有回收、清洗、烘烤工序，最大的区别在于：有机物电镀的镀膜必须在高温下烘烤较长时间后才算完成，金属电镀的烘烤往往只是起到干燥的作用。金属产品直接采用有机物电镀工艺时，挂具用有机物镀层作绝缘封闭，可采用烘烤温度较高的有机物电镀工艺配方；采用金属电镀/有机物电镀工艺时，挂具要用金属镀层作绝缘封闭，由于金属镀层在高温下烘烤较长时间会大大影响挂具的使用寿命，所以有机物电镀要尽量采用低温固化的工艺配方。传统的铜－镍－铬电镀工艺的酸碱性和氧化性强、工序多、时间长，它会使传统的电镀挂具上残留有较多的金属离子和颗粒物，影响有机物电镀的槽液状态和后处理的清洗效果。

有机物电镀后膜层的低温固化和快速固化是有机物电镀发展的重要方向。在有机物镀液配方中加入固化催化剂、反应性树脂等可以将固化温度降低到100℃以下。同样，通过固化催化剂、反应性树脂还可以使有机物电镀后的烘烤工序快速化，它不仅可以降低设备投资，还可以进行卷到卷连续金属电镀－有机物电镀生产。

有机物电镀的湿膜呈半干性且与基体金属结合牢固，但膜层上经常会滞留电沉积时产生的气体并黏附槽液，采用喷淋水洗比较适合。另外，有机物电镀的后处理对水质的要求比金属电镀的高，导电率高的水质往往会造成有机物电镀烘烤后表面产生水迹或斑点，所以有机物电镀经常采用助洗剂作最终清洗或采用风切水设备。

Exploration and Research on Organic Plating Process（I）

WANG Wei-ping1，GU Wei-zhong2
（1.Shanghai Tianqing Technology Trade Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China；2.School of Chemical and Environmental Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Through comparing metal electrodeposition with aqueous polymer organic resin electrodeposition in principle and process，a new concept of organic plating is proposed.The essentials of organic plating process and significance for developing the process are elaborated.A combination of metal and polymer organic polymer coatings is a new direction for metal surface treatment technology in developing towards green environmental protection type.

electroplating；electrophoretic coating；organic polymer；protective-decorative

TQ 153

A

1000-4742（2012）06-0010-04

（待续）

2011-09-05