建筑鋁合金表面處理技術的現狀與發展

袁 翔,婁永剛

(中南大學冶金科學與工程學院,湖南長沙 410083)

建筑鋁合金表面處理技術的現狀與發展

袁 翔,婁永剛

(中南大學冶金科學與工程學院,湖南長沙 410083)

闡述了目前建筑鋁合金表面處理技術的研究和應用現狀,指出它們都有相似的前處理過程,陽極氧化電解著色法成本低,技術成熟,染色法顏色豐富,電泳涂漆和靜電噴涂有著良好的耐候性,電鍍更具金屬光澤,最后對未來的發展提出了幾點展望。

建筑鋁合金;表面處理;顏色

鋁的標準電極電位為-1.67 V,作為一種強電負性的金屬,其表面極易被氧化生成一層薄膜,根據所處環境的不同,膜的厚度也有很大差異。自然生成的氧化膜可以阻止鋁基體的進一步腐蝕,但其太薄而易受損傷,在酸性、堿性或者中性環境中都有可能遭受破壞。作為建筑裝飾材料的鋁合金型材,應該是一種半永久性的材料,在抵御外界氣候條件的侵蝕方面,須具備良好的抗腐蝕、抗摩擦、耐熱和耐候性能,而隨著物質生活水平的提高,單一的銀白色外觀也不再能滿足人們對家居裝飾的需求,因此,人們想到利用物理或化學的方法,重新修飾其表面,以得到更好的耐蝕、耐候、耐熱和裝飾性能。

鋁合金的表面處理技術有物理方法和化學方法兩大類,而無論哪一種方法,均包含型材的預處理過程,典型的預處理工藝路線為:除油→水洗→堿蝕→水洗→出光→水洗,而后根據著色工藝的不同又分為多種。

1 鋁合金表面處理技術

1.1 鋁合金陽極氧化電解著色

常見的鋁合金陽極氧化工藝多采用硫酸作為氧化槽液的主要成分,價格便宜,且可以循環使用,降低了生產成本。陽極氧化膜電解著色后色澤光亮、持久,且進一步提升了鋁材的硬度至300 HV以上,物理機械性能優異,經過多年的發展,技術已經十分成熟,性能也較為穩定,因而成為了建筑裝飾鋁型材表面處理技術的最重要手段之一。除硫酸陽極氧化外,人們相繼開發了鉻酸陽極氧化、磷酸陽極氧化和草酸陽極氧化等工藝,另外,對傳統工藝的研究和改進也在深入。張修慶,趙祖欣,葉以富[1]的研究結果表明,在磷酸濃度為10～40 g/L范圍內,隨著磷酸濃度的增加,膜層厚度增加,硬度減小。張燎原,張宏,孫建民[2]在6063鋁合金常規硫酸陽極氧化槽液中加入80～100 g/L的液態添加劑WL-99進行寬溫快速陽極氧化試驗取得了成功,結果表明,添加劑的加入加快了成膜速度,提升了操作溫度上限,同時其絡合作用提高了電解液中Al3+濃度容忍水平,延長了槽液使用壽命,帶來了良好的經濟效應。許旋[3]等研究了影響鋁合金陽極氧化膜質量的因素,認為6063鋁合金中Mg、Si比例(質量比)在1.73時,氧化膜具有明顯的多邊形結構,此時膜層質量最好。

電解著色過程是鋁材表面處理的關鍵步驟之一,按照電源形式的不同可分為交流著色法和直流(脈沖)著色法,工業化應用的方法包括淺田法、住化法、Unicolor法等。張海霞,李淑英[4]研究了無需擴孔的亞硒酸鹽電解著色工藝,鋁箔在180 g/L硫酸中陽極氧化后,再在含H2SO420 g/L,Na2SeO31 g/L,酸鈉0.2 g/L,添加劑2 g/L,CuSO4·5H2O 6 g/L的電解質溶液中著色,得到了深黃銅色的光亮表面。郭賢烙,肖鑫,易翔[5]利用硝酸銀電解著色,得到了近似18K金的金黃色調,指出銀鹽含量在1.5～2.5 g/L變化時,改變著色電壓和時間,可得到淺黃色,金黃色直至金土黃色系。另外,利用擴孔處理的氧化膜干涉著色技術,又稱三次電解著色法,也是近年來的研究熱點,尤其在日本和意大利等國家,已經有較深入的研究和規模化的工業生產[6]。國內目前對于這項技術的應用還不廣泛,朱祖芳[7]在研究了不同顏色樣品三次著色后的電泳結果后認為,電泳涂漆的高電壓改變了多孔層孔型和阻擋層厚度,導致型材電泳涂漆前后出現了顏色的變化,是阻礙其規?；瘧玫娜秉c之一。王華[8]等研究表明,磷酸交流擴孔后陽極氧化膜孔徑增大一倍以上,但并未引起膜層表面微觀形貌的明顯改變。

1.2 鋁合金陽極氧化膜浸染

陽極氧化膜浸染工藝能夠實現多種顏色的鋁合金表面修飾。陽極氧化膜的多孔特性,使得其具有良好的吸附能力,具體的做法是將陽極氧化后的鋁型材,經清洗后迅速浸漬入溶解有浸染劑溶質的溶液中,一段時間后取出,染料分子因為物理或者化學的作用吸附在氧化膜微孔中,水洗后經封孔處理,便可得到顏色多樣、鮮艷、色澤持久的裝飾材料。阮麗琴[9]等研究了有機染料染色的溫度、pH值、染色時間和染色液溫度對染色速度、質量、顏色深淺的影響,認為著色電壓越高、主鹽濃度越高、時間越長則顏色越深,但易產生浮色,指出pH值在4.5～5.5最合適,過低膜層耐候性差,過高不易染色。

氧化膜浸染分為有機染料浸染和無機染料浸染,二者最早都出現在上世紀20年代[10],對于鋁合金建筑裝飾型材現在多使用有機染料著色,無機染料應用較少,主要是因為無機染料染色的色澤不夠鮮明,鋁材不夠光亮。

1.3 鋁合金陽極氧化膜電泳涂漆

利用有機聚合物帶電膠粒在溶液電場中的移動和電沉積現象,在陽極氧化膜表面形成樹脂膜的技術稱為電泳涂漆。該技術最早應用于日本[11],作為一個四面環海的島國,日本氣候常年濕潤多季風,空氣或沙塵中多含鹽分,未經表面處理的鋁合金門窗壽命很短,電泳漆膜外表平整光滑,透明亮麗,并具有優良的耐蝕性、耐候性,也更容易清潔。早期的電泳涂料為有光透明電泳漆膜,這種漆膜屬于清漆的一種,無色透明,不妨礙鋁陽極氧化膜電解著色過后的底色,同時起到一定程度的增亮效果。80年代起,日本又相繼開發出了亞光漆和白色直至彩色電泳漆。

在國內,電泳涂漆的發展還不完善,廣東堅美鋁業[12]等大型鋁合金加工企業建立了消光復合電泳鋁材生產線,并從實際中總結各工藝參數對涂層質量的影響,認為只要嚴格管理,多點控制,有色消光電泳鋁材的生產是可行的。另外,普通透明電泳也作為電解著色后的封孔手段,二者的原理是一樣的。

電泳涂漆時,外加電壓遠大于水的電解平衡電位,即在整個電泳過程中不斷發生水的分解反應,在陽極析出氧氣,形成局部的H+富集區域,帶負電荷的聚合物膠粒在在電場力作用下移動到陽極附近,并與H+反應,生成不溶于水的高聚物沉積在金屬表面。另外,也有研究表明,有機物分子可能以如下方式發生反應而沉積(Kolbe反應):

1.4 鋁合金靜電粉末噴涂

靜電粉末涂裝技術發源于歐洲,1962年法國Sames公司首次研制成功第一套靜電粉末噴涂設備,隨后開發出熱固性環氧涂料。粉末涂料是一種100%固體份的涂料,以空氣作為分散介質,沒有VOC釋放,環境污染小,歐美國家環保措施完善,環保法規較為嚴厲,靜電粉末噴涂因為其省資源、污染少的特點因而在歐美國家十分流行。粉末涂料按涂裝后成膜機理的不同可分為熱塑性樹脂和熱固性樹脂兩大類,后者因為優異的物理、化學性能和外觀裝飾性能,成為粉末涂裝的首選,應用廣泛,顏色豐富,并相繼開發出金屬光、半光、平光,錘紋、紗紋等多樣的表面效果。

靜電粉末噴涂方法常見有高壓靜電噴涂法和摩擦靜電噴涂法,二者僅在靜電的產生方式上略有不同,余泉和,黃峰亮[13]研究了影響靜電粉末噴涂質量的因素,提出前處理質量是獲得最佳附著力的關鍵因素,控制好噴涂過程的工藝參數能保證工件涂層的均勻性,固化時間和溫度影響涂層色澤一致性和涂層與基體的結合力。孫洪[14]等對超薄粉末在靜電噴涂中的應用進行了研究,采取懸鏈速度2.8 m/min,霧化壓力0.23～0.25 MPa,供粉壓力0.08～0.15 MPa,高壓靜電60～75 kV,電流10～20μA,在185～190℃固化15 min,得到了薄而均勻的涂膜表面,節省用粉量25%左右。

1.5 鋁合金液相靜電噴涂

液相靜電噴涂效率高、涂層均勻、涂膜外觀平整,適應大規模自動化作業,正逐漸成為建筑裝飾鋁型材的常用涂裝工藝之一。常用的涂料類型包括丙烯酸樹脂體系、聚氨酯體系、氟樹脂體系等,其中氟樹脂涂料的性能最為優異[15]。李聚德[16]采用不同公司生產的FEVE(三氟乙烯或四氟乙烯單體與乙烯基醚、酯單體的共聚物)樹脂為原料分別制備氟碳涂料,指出位阻效應大的乙烯基單體與氟烯烴單體共聚更容易形成交替排列的分子結構,在耐候性試驗中具有更好的抗老化特性。采用PVDF(聚偏二氟乙烯)樹脂為主原料的含氟涂料中,常使用有一定毒性的異佛爾酮作為溶劑,Clark Higginbotham[17]等發明了用2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二異丁酯(TXIB)代替異佛爾酮的專利。

液相靜電噴涂利用了帶電微粒在高壓靜電場中的運動使涂料附著在被涂工件表面,這種“微?！笔庆F化的有機溶液液滴,經噴槍噴出后,與槍嘴附近電離的空氣碰撞帶上負電荷,因為同性相斥的作用被進一步霧化,由于表面張力和液體粘滯阻力的原因,液相噴涂膜層具有良好的附著力和平整性。應保勝,高全杰[18]研究了靜電噴涂中荷電油液的霧化機理,推導出液滴霧化的臨界電場強度公式:

式中f為電荷千分數;ε為液體介電常數;σ為液滴表面張力/N·m-1;r為液滴球面半徑/mm;ε0為空氣介電常數。

指出表面吸附電荷減小了液滴表面張力,同時由于同性電荷排斥作用和其他外力影響,使液滴射流形成周期性振蕩波形,當超過其臨界值時,就散裂而發生霧化。

1.6 鋁合金表面電鍍

鋁合金型材表面電鍍金屬一方面增強了耐磨性,特別是在北方地區,常年受到風沙的侵蝕;另一方面,鍍層金屬的外觀較其它表面膜層更為閃亮,在高檔建筑如酒店、寫字樓等更受人們喜愛,因此,鋁型材表面電鍍金屬層也是有必要的。

常見的鋁合金表面電鍍工藝包括:預處理→二次浸鋅→電鍍金屬;預處理→化學鍍Ni-P→電鍍金屬;預處理→浸鋅-預鍍鎳→電鍍金屬;預處理→陽極氧化→電鍍金屬;預處理→一步法鍍銅等?？梢钥闯?對于鋁合金表面電鍍,最大的差別就在于中間預鍍層的不同,這也是獲得良好表面鍍層的基礎。羅耀宗[19]試驗了各種浸鋅工藝對鍍層結合力的影響,發現選用不同的浸鋅工藝和預鍍工藝對鍍層結合力的影響不同,二次浸鋅比一次浸鋅效果略好,浸鋅后預鍍鎳比氰銅效果好,型材浸入LN鋅液中得到的鍍層結合力最好。秦偉,張昊[20]在鉻酐濃度130～150 g/L,硫酸0.5～0.8 g/L,稀土添加劑1.5～2.0 g/L,三價鉻1～2 g/L的鍍鉻溶液中,于溫度50～55℃,40～45 A/dm2,沉積速率40μm/h的工藝條件下得到了硬鉻鍍層,不同預浸工藝得到的鍍層硬度不同,最高可達到維氏硬度1 000左右,是鋁合金硬度(120 HV)的近10倍,另外,耐磨性試驗表明,在維氏硬度為7 355～7 845 MPa時型材具有較好的耐磨性。

2 展 望

1.鋁型材陽極氧化二次電解著色技術是目前應用最廣泛,技術最成熟的工藝之一,但其色調較為單一,三次著色技術豐富了現有色系,應當加快研究以實現其工業化規?；瘧?以應對日益變化的大眾需求。

2.浸染、粉末噴涂等顏料來源廣泛,色彩豐富,但前者限于膜層耐候性不佳,粉末噴涂等工藝科技含量高,原料價格高,通過加強自主研發,開發具有自主知識產權的產品從而降低原材料成本,應該能獲得更為廣闊的發展。

3.表面電鍍能夠獲得最高的硬度和更具質感的金屬外觀,適合某些特殊場合的應用,但電鍍層與基體的結合力有待提高,以延長使用壽命。

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Current Status and Development of Surface Treatment Technology for Architectural Aluminum Alloy

YUAN Xiang,LOU Yong-gang
(School of Metallurgical Science and Engineering,Central South University,Changsha410083,China)

Current application and research of surface treatment technology for architectural aluminum alloy are reviewed.Pretreatment of these technology are similar with each other.Low cost and ripe technique are the advantages of anodic oxidation-electrolytic coloring method.Dyeing offer the alloy profile abundant colors.Profiles treated by electro-coating and electrostatic spraying are better at weather-resisting.Bright color is obtained after electroplating.At last,some views are advanced for the development.

architectural aluminum alloy;surface treatment;color

TG146.21

A

1003-5540(2012)03-0053-04

袁翔(1984-),男,碩士研究生,主要從事鋁合金型材表面處理研究。

2012-04-08