电泳涂装工艺综合性实验项目的设计与实践

马永存，彭叔森，卲志松，蒋利民

（南昌航空大学 材料科学与工程学院，江西 南昌 330063）

电泳沉积是一种使用广泛的在导电基体上沉积涂层的技术。电泳现象的发现可以追溯到1808 年，俄罗斯科学家Ruess 观察到电场诱导下黏土颗粒在水中的定向运动。20 世纪60 年代，汽车工业在安全、环保等多种因素的驱动下，开始了电泳涂装技术的商业化和引进[1]。1977 年，阳极电泳法在全世界汽车车身底漆中得到广泛应用，之后逐渐被阴极电泳法取代。目前在汽车车身底漆涂装领域几乎占据 100%的市场[2]。电泳涂装具有施工效率高、连续自动化强、水性体系溶剂少、漆膜均匀、附着力强、漆料利用率高、适合异形表面等优点，因此该技术已成为最重要的涂装工艺之一。

南昌航空大学材料学院金属材料工程专业腐蚀与防护方向致力于培养腐蚀与防护方面高级专门人才[3]，每年面向全国招收3～4 个班。涂料与涂装工艺是该专业方向的核心课程之一，开设于大学三年级的第一学期。该课程的设置使得该专业方向为航空、汽车等相关企业培养了大批的涂料人才。该课程总学时为68学时，其中实践部分占20 个学时。电泳涂装工艺综合性实验项目是实践部分的重要环节之一，实验内容包含试样的前处理（除油、除锈）、磷化、电泳涂装、漆膜固化、漆膜评价等。其中电泳漆为外购的双组分漆，表征方面主要涉及膜厚、硬度、光泽度、附着力、冲击强度、盐雾测试等常规操作。然而随着科学技术以及涂料行业的快速发展，社会对涂料类创新人才的要求也随之水涨船高[4-5]，而另一方面本科阶段选择进一步升学深造的学生人数逐年攀升。在此新形势下，原有的电泳涂装实验内容略显陈旧，难以满足对学生创新能力、综合素质培养的要求。为了增强电泳涂装实验项目的综合性和创新性，本文教学团队结合其科研项目中具有教学可行性的内容，将仿生“砖-泥”层状结构理念引入到电泳涂装工艺综合性实验中，重新规划了该实验教学项目，取得了较好的教学效果。

1 设计思路和创新点

贝壳珍珠层主要由体积分数为95%的天然文石（碳酸钙）及约5%的有机质构成，但其机械性能显著优于其构成单元（韧性是天然文石的3 000 倍）[6]。研究证明其组装单元周期性排列形成的“砖-泥”层状结构特征是性能优异的关键[7]。因此仿生制备“砖-泥”层状结构的材料是当前的一个热点研究课题[8-13]。而在防腐蚀涂层领域，把片状填料引入到有机树脂中是提高防护性能的常规途径之一[14]，如图1 所示。然而将片状填料简单加入虽能增强涂层的性能，但却不能充分发挥片状填料对力学性能和隔绝效果的增强作用。因此在实验背景的讲解中给学生梳理“砖-泥”层状结构相比传统复合材料的优势[15]：如“砖-泥”层状结构带来的片状单元紧密堆积赋予涂层更高的物理隔绝效果；能赋予涂层高强超韧性，提供低抵御破坏的能力等；高片状单元含量能有效提升涂层材料的耐老化特性。

将科研项目的研究成果应用于实验课程教学[16-18]，不仅让学生对实验课程产生浓厚的兴趣，还可以让学生了解学科前沿的知识以提高学生的创新意识和科学研究的兴趣，有助于学生的就业和进一步深造。结合专业方向的学科特色、涂料与涂装工艺的大纲和最近的科研成果，重新设计的实验项目由纳米片的表面改性及表征、电泳漆的配置、碳钢板的表面处理及磷化、仿生“砖-泥”层状涂层的沉积及电泳过程的监测、漆膜固化及性能表征等环节组成。新的实验项目涉及内容广、综合性强，又符合专业方向的学科特色，实验操作难度低、易开展又将现有现代仪器设备和数据分析处理纳入。

2 综合实验设计

2.1 综合实验过程

实验整体流程如图2 所示。

图2 实验整体流程及内容

重新规划后电泳涂装工艺综合性实验项目课时为8 学时，具体时间安排及实验步骤如下。

（1）实验讲解（1 学时）：讲解实验目的及相关原理，介绍仿生“砖-泥”层状结构的特点。

（2）钢板的打磨与清洗（0.5 学时）：依次使用不同型号的砂纸对钢板试样进行打磨处理，以除去不锈钢表面的锈迹，然后将试样放入配置好的清洗液清洗。

（3）磷化（含活化、表调）、磷化膜的表征（1学时）：具体工艺参数由学生根据教材内容自己设计。

（4）纳米片的改性、电泳漆的配置及相关表征（1.5学时）：选用纳米氮化硼作为砖结构，并利用邻苯二酚/多胺体系进行改进；然后将改性好的氮化硼分散于乳液中。

（5）电泳沉积及试样清洗（1.5 学时）：根据磷化膜厚选择电泳电压，采用下槽后再通电的方式，并记录i-t 曲线。

（6）漆膜的固化（0.5 学时）：试样放入烘箱中在所需的温度下干燥。

（7）漆膜的表征（2 学时）：包括厚度、硬度、附着力、冲击强度等常规测试；利用电化学工作站测量在质量浓度为3.5% NaCl 溶液中浸泡不同时间后的电化学阻抗谱。

其中，SEM、XPS 样品送样至我校测试中心进行分析，实验数据处理用Origin 软件进行[19]，XPS 数据用 CasaXPS 软件处理，电化学阻抗测试结果采用ZsimpWin 软件进行等效电路解析。

3 实验结果与讨论

以培养应用型人才为目标，本实验项目充分利用实验教学和科研平台，在实验内容中安排了扫描电镜、XPS、电化学工作站等常用仪器设备的使用，让学生对电泳涂装实验的设计、实验过程、测试手段及原理有了直观地认识和充分地理解，在培养学生动手实践能力的同时激发了学生的学习兴趣，提升了科研素养和创新素质。

图3 是纳米氮化硼的SEM 图，能够直观地展示纳米氮化硼的形貌。在 XPS 数据的分析中，使用CasaXPS 软件对XPS 全谱数据进行标峰，对各元素的高分辨数据进行分峰拟合操作，图4(a)和图4(b)分别是未改性及改性纳米氮化硼的XPS 全谱的标峰结果及改性纳米氮化硼样品C 1s 高分辨数据的分峰拟合结果。

图3 纳米氮化硼的SEM 形貌

图4 改性前后纳米氮化硼的XPS 全谱

图5 是电泳沉积涂层的SEM 截面形貌，该图说明所制备的涂层具有一定的“砖-泥”层状结构。

图6 是所制备的样品在质量浓度为3.5% NaCl 溶液中的电化学阻抗谱测试结果。电化学测试在研究涂层对金属的防护方面具有重要的作用，本专业方向的学生在大学三年级同时要必修电化学测试及技术课程。在涂层性能测试环节除常规测试外，重点介绍电化学阻抗谱在涂层的防护效果评价及破坏机制方面的应用[20]，并采用ZsimpWin 软件对化学阻抗谱测试结果进行等效电路解析。

图5 电泳沉积涂层的SEM 截面形貌

图6 样品在质量浓度为3.5% NaCl 溶液中的电化学阻抗谱

4 结语

本文将科研成果引入到本科教学实验中，重新设计了电泳涂装工艺综合性实验的教学方案，丰富了涂料与涂装工艺课程的教学内容，不仅对防护电泳涂装工艺教学内容进行了有益的补充，也能有效激发学生的科研兴趣、创新意识，系统提升学生专业素养和科学研究能力，为学生就业和深造夯实基础。