穿條式鋁合金隔熱型材不同表面處理方式對橫向拉伸性能的影響

供稿|牟雪萍，江源，李勇 / MOU Xue-ping, JIANG Yuan, LI Yong

內(nèi)容導(dǎo)讀

對穿條式鋁合金隔熱型材的基材以及經(jīng)過陽極氧化、電泳涂漆、噴粉和噴漆等不同表面處理方式的隔熱型材分別進行室溫橫向拉伸實驗，研究了不同的表面處理方式對穿條式隔熱型材的橫向抗拉特征值的影響。實驗結(jié)果表明，經(jīng)表面處理的穿條式隔熱型材的橫向抗拉特征值均高于基材。

鋁合金型材是指用鋁合金材料通過一定的壓力加工方法和熱處理制度制得的具有一定形狀和力學(xué)性能的型材，若這種鋁合金型材專為建筑行業(yè)應(yīng)用，稱為鋁合金建筑型材。鋁合金型材具有強度高、重量輕、耐磨性和裝飾性較好等特點，是用于制作鋁合金門、窗和幕墻等的重要材料，在現(xiàn)代建筑中得到廣泛應(yīng)用[1]。鋁合金隔熱型材是以隔熱材料連接鋁合金型材而制成的具有隔熱功能的復(fù)合型材[2]。采用鋁合金隔熱型材制作的門窗，可以顯著降低空調(diào)和暖氣供給過程產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境的污染，起到隔熱節(jié)能的環(huán)保效果。按復(fù)合方式的不同，隔熱型材分為注膠式和穿條式。其中，穿條式通過開齒、穿條、滾壓，將聚酰胺型材穿入鋁合金型材穿條槽口內(nèi)，并使之被鋁合金型材咬合的復(fù)合方式。為克服鋁合金表面性能方面的缺點，延長使用壽命并符合不同的設(shè)計和防護要求，通常將鋁合金建筑型材進行表面處理[3]。

隔熱型材作為一種復(fù)合材料，其復(fù)合性能是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。復(fù)合性能評價的指標(biāo)主要包括縱向抗剪特征值、橫向抗拉特征值、高溫持久載荷橫向拉伸實驗及熱循環(huán)實驗等[2]。目前國內(nèi)外對隔熱型材的研究主要集中在隔熱條的材質(zhì)、含水率、型材截面類型和隔熱材料的保溫效果等[4-5]。筆者從鋁合金隔熱型材的表面處理方式的不同為出發(fā)點，以橫向拉伸實驗為分析手段，研究不同的表面處理方式對穿條式鋁合金隔熱型材橫向拉伸性能的影響。

試樣制備

試樣選用牌號為6063、狀態(tài)為T5的鋁合金建筑型材，型材截面形狀如圖1所示。在復(fù)合成隔熱型材之前，將鋁合金型材分成若干批，按不同的生產(chǎn)工藝分別進行一系列表面處理，獲得陽極氧化型材、電泳涂漆型材、噴粉型材和噴漆型材；將這些鋁合金型材采用同種隔熱膠、同一工藝進行復(fù)合，加工成穿條式隔熱型材。經(jīng)固化處理后，從型材的兩段和中間分別取樣，中間部分的數(shù)量不少于三段，切割成為長度為(100±2) mm的試樣，每組10個試樣，用于室溫橫向拉伸實驗。

為保證樣品的均勻性，所取樣品均來源于同批原料。型材所對應(yīng)的化學(xué)成分如表1所示。

表1 鋁合金建筑型材化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實驗

狀態(tài)調(diào)節(jié)

在實驗前應(yīng)先將試樣進行狀態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)條件為室溫(23±2)℃、相對濕度為50%±10%的環(huán)境條件下放置48 h。

室溫橫向拉伸實驗

實驗夾具按GB/T 28289—2012“鋁合金隔熱型材復(fù)合性能實驗方法”標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的實驗裝置進行設(shè)計[6]，如圖2所示。隔熱型材的室溫橫向?qū)嶒炘?23±2)℃溫度下進行，按照GB/T 28289—2012標(biāo)準(zhǔn)要求將試樣夾好，首先以5 mm/min的速度，加至200 N的預(yù)載荷，然后再以5 mm/min的速度進行橫向拉伸實驗，直至出現(xiàn)最大荷載。每組實驗10個試樣，實驗后計算橫向抗拉特征值。

結(jié)果與討論

結(jié)果

對不同表面處理的穿條式隔熱型材進行了室溫橫向拉伸實驗，不同表面處理的隔熱材的10個試樣其實驗結(jié)果及橫向抗拉特征值如表2所示。

表2 不同表面處理的穿條式隔熱型材橫向拉伸實驗結(jié)果(單位：N/mm)

從表2可以看出，穿條式隔熱型材的基材在室溫橫向抗拉特征值為87 N/mm，而經(jīng)過表面處理方式為陽極氧化、電泳涂漆、噴粉和噴漆的隔熱型材，其橫向抗拉特征值分別為95、96、104和92 N/mm，均高于基材的特征值。

討論

由實驗結(jié)果可以得出，基材的室溫橫向抗拉特征值低于經(jīng)過陽極氧化、電泳噴涂、噴粉和噴漆等四種不同種類表面處理的穿條式隔熱型材，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求(不低于24 N/mm)。從表面處理方式來看，鋁合金建筑型材表面處理方式有陽極氧化、電泳涂漆、噴粉和噴漆四種，這四種處理方式得到陽極氧化膜、陽極氧化電泳涂漆復(fù)合膜和靜電噴涂層三種類型的表面處理膜。將鋁合金表面處理膜分為陽極氧化膜和有機聚合物膜[6]來進行分析。

◆ 陽極氧化膜的影響

陽極氧化膜是以鋁合金為陽極并置于電解液中，利用電解作用在鋁合金表面形成保護性陽極氧化膜。在陽極氧化工藝過程中，陽極氧化膜自金屬鋁基體共格生長形成，并均勻附著在鋁合金建筑型材上，與鋁合金界面及隔熱條界面產(chǎn)生一定的化學(xué)吸附力、附著力和表面張力，對隔熱型材的橫向抗拉性能起到一定的影響。

◆ 有機聚合物膜的影響

高聚物涂層是金屬通過表面化學(xué)預(yù)處理，在進行電泳、噴涂或涂輥等工序處理使鋁合金表面涂覆一層具有保護性的有機高分子聚合物材料膜。高聚物涂層包括陽極氧化電泳涂漆復(fù)合膜、靜電粉末噴涂聚酯、氟碳漆噴涂膜。

鋁合金陽極氧化膜上的電泳涂漆及鋁合金化學(xué)轉(zhuǎn)化處理后的靜電噴涂都是目前形成表面有機聚合物的工藝技術(shù)。鋁合金的電泳涂漆一般是在鋁陽極氧化膜的表面進行的，作為底層的陽極氧化膜，其陽極氧化工藝與常規(guī)陽極氧化相同，因此可以將電泳涂漆處理看作陽極氧化膜的一種有機聚合物封孔工藝過程。鋁陽極氧化膜的電泳涂漆一般采用聚丙烯酸樹酯的陽極電泳涂料，帶負電荷粒子在直流電的作用下向異性電極(陽極氧化的鋁合金)泳動，帶負電荷的水溶性樹脂在鋁合金陽極上析出，從而沉積在鋁合金陽極的陽極氧化膜表面。再由于電滲透作用使得電泳沉積層的含水量顯著減少，最后漆膜的水含量減少到大約5%~15%左右，然后可以直接烘烤使樹脂固化得到電泳漆膜層。

電泳涂漆是一種非常復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，包括電泳、電沉積、電滲和電解四個同時進行的經(jīng)典過程。電泳涂漆成膜過程的核心是電沉積反應(yīng)，以水溶性羥酸鹽為例，強酸銨鹽離解為羧酸根和銨離子，在大約150 V外加電壓下，由于電沉積過程中陽極氧化膜的微孔中產(chǎn)生的氫離子，與電泳涂漆溶液中的羧酸根在陽極表面，即鋁合金陽極氧化膜的表面發(fā)生中和反應(yīng)生成羧酸的有機高聚物沉積膜。

建筑用鋁合金的噴粉或液相噴漆通常采用靜電噴涂技術(shù)，包括粉末靜電噴涂和液相靜電噴涂。靜電噴涂典型的工藝流程為型材上架后，經(jīng)過脫脂、水洗、酸洗等化學(xué)轉(zhuǎn)化處理后，再經(jīng)過水洗、干燥后，進行靜電噴涂，最后進行固化和包裝等工藝。目前，對于涂層中顆粒與基體表面之間的結(jié)合通常認(rèn)為有三種，即機械結(jié)合、冶金-化學(xué)結(jié)合和物理結(jié)合。建筑鋁型材噴粉的涂料基本成分為飽和型聚酯樹脂、固化劑、各種溶劑、顏料和填料等。在一定溫度和固化劑的作用下，樹脂本身的活性官能團發(fā)生交聯(lián)作用，生產(chǎn)相對分子量較大的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機聚合物噴涂膜。

液相靜電噴涂俗稱靜電噴漆，其特點是噴涂效率高、涂膜均勻、表面平滑，作為鋁型材四種表面處理技術(shù)之一的噴漆是典型的液相靜電噴涂工藝，液相噴涂的涂料是一種液相物質(zhì)，將其涂布在金屬基材的表面上，經(jīng)過烘烤固化處理后，形成具有強附著力的固態(tài)漆膜，且氟碳基料的化學(xué)結(jié)構(gòu)中以氟-碳化學(xué)鍵相結(jié)合，這種具有短鍵性質(zhì)的結(jié)構(gòu)與氫離子結(jié)合形式是至今為止認(rèn)為最穩(wěn)定、最牢固的結(jié)合，因此具有較好的耐腐蝕性、耐候性、耐磨損型、耐滲透性、較高的強度及柔韌度。

綜上所述，高聚物涂層形成所使用的涂料皆為高分子材料，電泳涂料采用丙烯酸陽極電泳涂料，噴粉涂料由熱固性樹脂或熱塑性樹脂組成，氟碳涂料由氟碳樹脂、丙烯酸樹脂和有機溶劑組成[7]；隔熱膠條的材料為聚酰胺隔熱條，即玻璃纖維增強的尼龍66，因此在高聚物涂層形成的工序中，會導(dǎo)致部分涂料與同為高分子材料的聚酰胺的膠條發(fā)生化學(xué)鍵的交聯(lián)，使其結(jié)合牢固，在進行橫向拉伸實驗時，會因結(jié)合力的增大而導(dǎo)致橫向抗拉特征值的增大。因此，通過實驗結(jié)果來看，一定程度的表面處理可以適當(dāng)提高穿條式隔熱型材的橫向拉伸性能。

結(jié)束語

對基材和經(jīng)陽極氧化、電泳涂漆、噴粉和噴漆表面處理的穿條式鋁合金隔熱型材進行了室溫橫向拉伸實驗。通過研究發(fā)現(xiàn)表面處理方式對穿條式隔熱型材橫向拉伸性能有比較大的影響，在生產(chǎn)前應(yīng)對表面處理膜與隔熱膠條的相容性情況進行充分了解；經(jīng)陽極氧化、電泳涂漆、噴粉和噴漆等表面工藝處理的穿條式隔熱型材其橫向抗拉特征值均高于基材的；對基材進行適當(dāng)方式的表面處理可以提高穿條式鋁合金型材的橫向抗拉特征值。