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铝合金型材表面处理技术及发展趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-07-31  来源:武汉材料保护研究所  作者:张德忠  
核心提示:综述了国内外铝合金建筑型材表面处理技术的现状,重点介绍了铝型材阳极氧化、电泳涂漆、粉末喷涂、氟碳漆喷涂及木纹处理的生产流程和工艺规范,并对各种保护层的特点及其应用作了评述。同时对建筑铝型材表面处理技术今后的发展趋势进行了展望,提出了未来应大力开发和推广的清洁环保、高效节能技术。

铝合金型材表面处理技术及发展趋势

  0 引言

    铝合金建筑型材是当今门窗和幕墙主要的结构材料,在世界范围内广泛应用[1]。铝合金挤压型材(未经表面处理)外观单一,并且在潮湿大气中容易腐蚀[2],因而很难满足建筑材料高装饰性和强耐侯的要求。为了提高装饰效果、增强抗腐蚀性及延长使用寿命,铝型材一般都要进行表面处理。因此,表面处理是铝合金建筑型材生产的一道必不可少且极为重要的工序。

    铝型材表面处理技术因原理不同,其工艺也有较大区别。根据保护层的性质和工艺特点,铝型材表面处理技术可分为阳极氧化处理、阳极氧化-电泳处理、有机涂层处理三大类[3],其中,有机涂层处理包括粉末喷涂、氟碳漆喷涂和木纹处理(见图1)。

   

    1 阳极氧化处理

    阳极氧化于20世纪50年代应用于铝型材生产,是应用最早也是目前应用最广泛的建筑铝型材表面处理法。阳极氧化型材的突出特点是外观金属质感强。

    1.1 阳极氧化工艺流程

    阳极氧化工流程见图2

    

1.2 机械预处理

    机械预处理主要有机械喷砂和机械抛光[4]。机械喷砂是获得砂面型材的一个重要途径,由铝型材喷砂机完成。机械喷砂可能完全消除表面缺陷和挤压条纹,得到比化学砂面(碱蚀砂面)更加均匀的哑光表面。另外,机械喷砂在生产成本和环保上也具有较大优势。

    机械抛光是铝型材抛光机上进行的。将铝型材有规则地平放在工作台上,通过高速旋转的抛光轮与表面触压和磨擦,使表面光滑平整,直至达到镜面效果。生产中常常用抛光来消除挤压条纹,因此,这时又称为机械扫纹5]。

    1.3 化学前处理

    1.3.1 脱脂

    工艺:200300g/LH2SO4,室温,时间35min

    1.3.2 酸性砂面

    酸性砂面工艺:60100g/LNH4HF1520g/L稳定剂,10g/L促进剂,pH12,温度4555℃,时间26min。酸性砂面易产生大量白色沉淀物,槽液需要循环过滤。废水中F-浓度高,必须进行净化处理。

    酸性砂面处理后需要进行短时间的碱蚀处理,以除去吸附在铝表面的氟铝酸盐膜。酸性砂面对挤压条纹有较强的掩盖能力,外观细腻,质感强,在我国广泛应用。

    1.3.3 碱蚀和碱性砂面

    碱蚀的目的是除去铝表面自然氧化膜,减轻或消除表面挤压纹、划伤及其它缺陷,同时还可彻底清除表面油污。碱蚀好坏直接影响铝型材外观质量,因此碱蚀是阳极氧化前极为重要的工序。碱蚀工艺为:30100g/LNaOH1520g/L碱蚀剂,温度4565℃,时间15min。碱蚀剂的加入,能有效防止槽液产生沉淀和结块,延长槽液使用寿命。适当延长碱蚀时间(一般815min)还可获得哑光表面的铝型材,这种处理通常称为碱性砂面。

    1.3.4 化学抛光

    少量室内装饰铝型材需进行化学抛光,一般采用三酸工艺[7]三酸抛光产生大量NOX黄色有害气体(俗称黄烟),环境污染严重。为了消除黄烟,开发了以H2SO4—H3PO4为主体的两酸抛光[7]

    1.3.5 出光

    工艺为:15%30%(体积比)HNO3,室温,时间13min。也可用氧化槽废H2SO4代替HNO3

    1.4 H2SO4阳极氧化[8

    铝合金在H2SO4溶液中进行阳极氧化生成的氧化膜,白色透明,孔隙率高,着色性能好,特别适用于铝型材的氧化处理。H2SO4阳极氧化工艺如下:H2SO4150180g/LAl3+≤20g/L;温度20±2℃;电流密度1.11.5A/dm2;交流电压1618V;阳极极板纯铝板、铅板;时间2535min(依膜厚而定)。

    温度对氧化膜性能影响显著:温度过高,氧化膜耐磨性、耐蚀性降低,且成膜困难;温度过低,膜层透明度降低,着色性能差,脆性增强,易开裂。为控制温度20±2℃,必须建立冷却循环系统。

    1.5 着色

    主要有电解着色和化学着色。化学着色是将经过阳极氧化的铝合金浸渍在含有染料的溶液中,由于氧化膜多孔层的吸附作用,染料分子因此进入孔隙而显色,所以化学着色也称化学染色。化学染色膜耐晒性、耐候性不如电解着色,一般只用于室内装饰铝型材着色处理。因此,铝型材主要采用电解着色,其方法是在含有金属离子的溶液中,通过电流的作用,金属离子还原生成金属(或金属氧化物)沉积在氧化膜底部,由于沉积物对光的散射作用而呈现各种色彩。

    1.5.1 锡盐、锡-镍盐电解着香槟色、黑色

    最初的电解着色为锡盐、锡-镍盐电解着香槟色、黑色,其工艺见表1。一般情况下,同一锡盐或锡镍混合盐电解着色槽中,通过改变电压或着色时间,可以获得包括香槟色青铜色咖啡色古铜色黑色等一系列由浅及深的颜色(通常称为青铜色系)。其中锡镍混合盐体系较单锡盐体系更易获得真黑色。

    1 锡盐、锡镍混合盐电解着色工艺规范
                  

体系工艺条件

锡盐

-镍混合盐

SnSO4 g/L

NiSO4·6H2O g/L

H2SO4 g/L

硼酸, g/L

稳定剂, g/L

1015

 

1518

 

1520

58

2535

1820

2030

2025

pH

温度(

电压 (V

时间(min

1.0±0.1

25±5

1016

215

1.0±0.1

25±5

1417

215

   

 

 

 

 

 

    1.5.2 单镍盐电解着仿不锈钢色

    单镍盐电解着色技术研究较早,但由于该体系对槽液杂质敏感,其工业应用一度受到限制。近年来通过采用特殊的电流和槽液提纯回收系统,镍盐电解着色逐渐推广。镍盐体系主要用来着仿不锈钢色等浅色调。表2列出了镍盐着色的典型工艺。

    2 单镍盐电解着色典型工艺
 

着色方法

成份及工艺

浅田法9

直-交流法

柱化法10

Unicol11

NiSO4·6H2O  g/L

硼酸 ,       g/L

硫酸铵 ,     g/L

酒石酸 ,     g/L

30

30

15

 

100

(导电盐)  150

(稳定剂)   10

 

150±5

40±5

 

 

90

40

100

9

pH

温度 ,  ℃

电流 

时间

3.55.5

2228

交流1018V

 0.525 min

5.5

25±5

先直流16V 2min

后交流16V 2min

3.64.2

2228

极性反转直流

 

 

2030

直流脉冲

27 min

1.5.3 电解着金黄色和钛金色

    金黄色电解着色以KMnO4体系为主,其工艺为:712g/LKMnO42535g/LH2SO4,添加剂1525g/L,温度1540℃,交流电压710V,时间24min

    钛金色是一种类似黄金的色调,因而也称“K金色。其主要成份为亚硒酸,属剧毒物,且价格昂贵,较少应用。

    1.6 封闭

    目前应用最普遍的封闭方法为常温封闭,该方法20世纪80年代兴起。常用的封闭剂以氟镍体系为主,其工艺为:Ni2+0.8~1.2g/LF0.4~0.6g/LpH5.5~6.5温度28±2℃,时间815分钟。为了保证封闭质量,封闭槽液应采用去离子水配制。

    封闭可以提高氧化膜的耐蚀性、耐候性及抗污染能力。因此,封闭效果是衡量铝型材产品质量的一个重要参数。其质量要求为失重率不超过30mg/dm21213]。

    2 阳极氧化-电泳处理[14

    阳极氧化-电泳处理,即阳极氧化后进行电泳涂漆,通常简称为电泳处理,最早于20世纪60年代在日本开始采。其保护层为阳极氧化膜和电泳涂层的复合膜(日本称为复合氧化膜),因此其耐候性优于阳极氧化型材。电泳型材外观华丽,但漆膜易划伤,目前其应用在亚洲尤其是日本较普遍。

    2.1 电泳工艺流程

    工艺流程:脱脂水洗碱蚀水洗水洗出光水洗水洗阳极氧化水洗纯水洗电解着色水洗热纯水洗冷纯水洗电泳→RO1水洗→RO2水洗沥水烘烤(180℃2530min

    2.2 电泳设备

    电泳设备主要包括电泳槽、循环系统、精制回收系统、电源、烘烤系统等(见图3)

 

    2.3 电泳涂料及复合膜

    铝型材电泳涂料主要成分为丙烯酸树脂,并以有机胺或无机碱为中和剂,固化剂为三聚氰胺甲醛树脂,另外还包括颜料、溶剂、添加剂等成份。初期主要是透明清漆,后来又开发了亚光(消光)漆、白色漆和彩色漆。目前,仍以透明清漆最为普遍,而亚光、彩色电泳则应用较少。表3列出了市场上主要电泳型材及其复合涂层的结构[15]

    3 电泳涂漆型材及其复合膜结构

电泳

型材

 

复合膜断面图

阳极

氧化

电解

着色

电泳涂漆

清漆

亚光

白色

彩色

有光泽

银白色

 

 

 

 

 

亚光

银白色

 

 

 

 

有光泽

着色

 

 

 

 

亚光

着色

 

 

 

白色

 

 

 

 

 

彩色

透明

 

 

 

 

 

彩色

透明

 

 

 

 

    3 粉末喷涂

    铝型材粉末涂料主要为热固性饱和聚酯,其颜色种类较多,可以根据用户需要更换粉末。粉末涂层其局部厚度应控制在40µm120µm之间。粉末涂层坚固耐用,耐化学介质性能好,生产简单,在铝型材表面处理中占有较大比重(约35%),近年来在我国发展较快。

3.1 喷涂前处理

    铝型材喷涂前要进行化学前处理,使表面形成均匀的化学转化膜,以提高涂层的附着力和耐蚀性。常用工艺有:

    1)脱脂水洗碱蚀水洗出光水洗化学转化水洗水洗烘干(6085℃

    2三合一清洗水洗水洗化学转化水洗水洗烘干(6085℃

    化学转化处理分为铬化、磷铬化[16]及无铬化学处理[17]。由于铬化膜的耐蚀性好,与漆层附着力强,工艺稳定,应用较广。但六价铬致癌,污染环境。无铬化学氧化性能远不及铬化、磷铬化,其应用受到一定限制。

    3.2 粉末静电喷涂

    粉末静电喷涂是将喷枪头上的金属导流环接上高压负极,铝型材接地形成正极,当压缩空气将粉末从供粉桶经输送管送至喷枪导流环时,负极产生电场放电而使粉末带上负电荷,在静电力和压缩空气的共同作用下,粉末从枪口飞向铝型材并均匀地吸附于表面,经过加热,粉末熔解并流平固化成均匀的涂层,其工艺流程如图4

 

    4 氟碳漆喷涂

    氟碳喷涂采用静电液相喷涂法,为了得到性能优良的涂层,一般采用二层、三层、四层工艺,其中以二层、三层工艺为主。具体工艺流程为:化学前处理底漆静电喷涂流平面漆静电喷涂流平罩光漆静电喷涂流平烘烤固化。

    氟碳涂料以聚偏二氟乙烯树脂(PVDF)为基料,加以金属粉合成,具有金属光泽。氟碳涂层耐紫外线辐射,其耐蚀性能优于粉末涂层,一般用于高档铝型材的表面处理。

    5 木纹处理[1819

    木纹处理90年代末开始引入我国,主要用于室内装饰型材的表面处理。木纹处理目前主要采用转印法,它是在经过粉末静电喷涂合格的铝型材表面贴上一层印有一定图案(木纹、大理石纹)的渗透膜,然后抽真空,使渗透膜完全覆盖在铝型材表面,再经过加热,使渗透膜上的油墨转移,渗入粉末涂层,从而使铝型材表面形成与渗透膜上图案完全一样的外观。木纹处理是在粉末涂层上进行的,因此,粉末涂层的准备与粉末喷涂型材的生产工序完全相同,只是所用粉末必须与热渗透膜匹配,否则可能不易上纹,其膜厚宜控制在6090µm

    木纹处理工艺流程为:

    前处理粉末喷涂烘烤检验合格手工贴膜抽真空入炉加热出炉解除真空冷却撕膜检验包装

    抽真空时应合理控制真空度,过高或过低的真空度都会造成无图纹或图纹模糊。转印温度宜控制在175195℃。温度高,会出现色差、印斑等缺陷,温度太低,会造成图纹模糊。

    6 发展趋势

    目前,铝型材表面处理工艺相对成熟,其产品也丰富多彩。与发达国家相比,我国铝型材表面处理仍有较大差距,主要表现生产装备落后,环境污染严重,能耗高。因此,未来一定时期,铝型材表面处理的发展趋势是开发并推广清洁环保、高效节能技术,其具体表现为:

    1)喷涂前处理的无铬化学氧化工艺。当前的无铬氧化槽液稳定性和膜层性能仍很难满足要求,需要进一步提高和完善。

    2)环保型电解抛光技术。开发以有机醇为主要成分的电解抛光工艺不但有利环保,而且抛光效果比传统三酸更好,发展前途被广为看好。

    3)高速高效阳极氧化技术[20]。通过改变电流波形、槽液成份等,使成膜速度提高至1µm/min,其生产效率可提高约3倍。

    4)电解着色向多色彩化方向发展。为了生产更多颜色的阳极氧化型材,欧洲开始采用多色化电解着色技术[21],即在同一电解着色槽中可以得到红、黄、蓝、灰等多种颜色。该技术已有应用,但大批量生产主要为蓝色、灰色铝型材,其应用仍需进一步研究。

    5)槽液闭路循环回收技术和装备[22]。阳极氧化生产各工序采用闭路循环回收,不但可以实现低排放或零排放,还可提高槽液稳定性,降低化学品消耗。主要包括氧化槽液除铝回收硫酸;碱蚀槽分离AlOH3回收碱,镍盐电解着色回收镍并除去杂质,常温封闭除沉淀和金属杂质等。

    6)坚固耐划、超强耐候性的电泳涂料。目前电泳漆存在容易出现划痕的缺点,在丰富电泳涂层外观的同时,应开发坚固耐划、耐候性更强的阳极电泳涂料。


参考文献]

    1]刘静安,谢水生.铝合金材料的应用与技术开发[M].北京:冶金工业出版社,2004.259264

    2]王祝堂.铝材及其表面处理手册[M.南京:江苏科学技术出版社,1992.229262

    3]朱祖芳.铝型材表面处理发展之过去产未来十年[J].电镀与涂饰,2002212):4445

    4]朱祖芳.铝型材阳极氧化的表面机械预处理[A.中国表面工程协会转化膜专业委员会,第四届学术年会论文选集[C],199715

    5]邓志伟.提高铝型材表面质量的机械扫纹法[J.电镀与精饰,2003251):1618

    6]王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册[M.长沙:中南大学出版社,2000.757759

    7]庞洪涛.铝及铝合金环保型化学抛光研究[D.武汉:武汉材料保护研究所,20022038

    [8]暨调和,曾凌三,张国芝.建筑铝型材的阳极氧化和电解着色[M.长沙:湖南科学技术出版社,199485106

    9]浅田太平.日本特许3104011960

    10]朱祖芳.铝合金阳极氧化与表面处理技术[M.北京:化学工业出版社,2004177188

    11]吉田幸一.日本专利:特许公报昭58—520371983

    12GB/T87532005,铝及铝合金阳极氧化-氧化膜封孔质量的评定方法[S.

 
 
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