鋁合金型材表面處理技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

1、鋁合金型材表面處理技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)摘要：綜述了國內(nèi)外鋁合金建筑型材表面處理技術(shù)的現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了鋁型材陽極氧化、電泳涂漆、粉末噴涂、氟碳漆噴涂及木紋處理的生產(chǎn)流程和工藝規(guī)范，并對(duì)各種保護(hù)層的特點(diǎn)及其應(yīng)用作了評(píng)述。同時(shí)對(duì)建筑鋁型材表面處理技術(shù)今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，提出了未來應(yīng)大力開發(fā)和推廣的清潔環(huán)保、高效節(jié)能技術(shù)。 關(guān)鍵詞：鋁合金；建筑型材；表面處理；發(fā)展趨勢(shì) 0 引言 鋁合金建筑型材是當(dāng)今門窗和幕墻主要的結(jié)構(gòu)材料，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用1。鋁合金擠壓型材（未經(jīng)表面處理）外觀單一，并且在潮濕大氣中容易腐蝕2，因而很難滿足建筑材料高裝飾性和強(qiáng)耐侯的要求。為了提高裝飾效果、增強(qiáng)抗腐蝕性及延長使用壽命

2、，鋁型材一般都要進(jìn)行表面處理。因此，表面處理是鋁合金建筑型材生產(chǎn)的一道必不可少且極為重要的工序。 鋁型材表面處理技術(shù)因原理不同，其工藝也有較大區(qū)別。根據(jù)保護(hù)層的性質(zhì)和工藝特點(diǎn)，鋁型材表面處理技術(shù)可分為陽極氧化處理、陽極氧化-電泳處理、有機(jī)涂層處理三大類3，其中，有機(jī)涂層處理包括粉末噴涂、氟碳漆噴涂和木紋處理（見圖1）。1 陽極氧化處理 陽極氧化于20世紀(jì)50年代應(yīng)用于鋁型材生產(chǎn)，是應(yīng)用最早也是目前應(yīng)用最廣泛的建筑鋁型材表面處理法。陽極氧化型材的突出特點(diǎn)是外觀金屬質(zhì)感強(qiáng)。1.1 陽極氧化工藝流程 陽極氧化工流程見圖2。1.2 機(jī)械預(yù)處理 機(jī)械預(yù)處理主要有機(jī)械噴砂和機(jī)械拋光4。機(jī)械噴砂是獲得砂面型

3、材的一個(gè)重要途徑，由鋁型材噴砂機(jī)完成。機(jī)械噴砂可能完全消除表面缺陷和擠壓條紋，得到比化學(xué)砂面（堿蝕砂面）更加均勻的啞光表面。另外，機(jī)械噴砂在生產(chǎn)成本和環(huán)保上也具有較大優(yōu)勢(shì)。 機(jī)械拋光是鋁型材拋光機(jī)上進(jìn)行的。將鋁型材有規(guī)則地平放在工作臺(tái)上，通過高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪與表面觸壓和磨擦，使表面光滑平整，直至達(dá)到鏡面效果。生產(chǎn)中常常用拋光來消除擠壓條紋，因此，這時(shí)又稱為“機(jī)械掃紋”5。 1.3 化學(xué)前處理 1.3.1 脫脂 工藝：200300g/lh2so4,室溫，時(shí)間35min。 1.3.2 酸性砂面 酸性砂面工藝：60100g/lnh4hf，1520g/l穩(wěn)定劑，10g/l促進(jìn)劑，ph值12，溫度455

4、5，時(shí)間26min。酸性砂面易產(chǎn)生大量白色沉淀物，槽液需要循環(huán)過濾。廢水中f-濃度高，必須進(jìn)行凈化處理。 酸性砂面處理后需要進(jìn)行短時(shí)間的堿蝕處理，以除去吸附在鋁表面的氟鋁酸鹽膜。酸性砂面對(duì)擠壓條紋有較強(qiáng)的掩蓋能力，外觀細(xì)膩，質(zhì)感強(qiáng)，在我國廣泛應(yīng)用。 1.3.3 堿蝕和堿性砂面 堿蝕的目的是除去鋁表面自然氧化膜，減輕或消除表面擠壓紋、劃傷及其它缺陷，同時(shí)還可徹底清除表面油污。堿蝕好壞直接影響鋁型材外觀質(zhì)量，因此堿蝕是陽極氧化前極為重要的工序。堿蝕工藝為：30100g/lnaoh，1520g/l堿蝕劑，溫度4565，時(shí)間15min。堿蝕劑的加入，能有效防止槽液產(chǎn)生沉淀和結(jié)塊，延長槽液使用壽命。適當(dāng)

5、延長堿蝕時(shí)間（一般815min）還可獲得啞光表面的鋁型材，這種處理通常稱為堿性砂面。 1.3.4 化學(xué)拋光 少量室內(nèi)裝飾鋁型材需進(jìn)行化學(xué)拋光，一般采用“三酸”工藝7?！叭帷睊伖猱a(chǎn)生大量nox黃色有害氣體（俗稱“黃煙”），環(huán)境污染嚴(yán)重。為了消除“黃煙”，開發(fā)了以h2so4h3po4為主體的兩酸拋光7。 1.3.5 出光 工藝為：15%30%（體積比）hno3，室溫，時(shí)間13min。也可用氧化槽廢h2so4代替hno3。 1.4 h2so4陽極氧化8 鋁合金在h2so4溶液中進(jìn)行陽極氧化生成的氧化膜，白色透明，孔隙率高，著色性能好，特別適用于鋁型材的氧化處理。h2so4陽極氧化工藝如下：h2so

6、4150180g/l；al3+20g/l；溫度202；電流密度1.11.5a/dm2；交流電壓1618v；陽極極板純鋁板、鉛板；時(shí)間2535min（依膜厚而定）。 溫度對(duì)氧化膜性能影響顯著：溫度過高，氧化膜耐磨性、耐蝕性降低，且成膜困難；溫度過低，膜層透明度降低，著色性能差，脆性增強(qiáng)，易開裂。為控制溫度202，必須建立冷卻循環(huán)系統(tǒng)。 1.5 著色 主要有電解著色和化學(xué)著色?；瘜W(xué)著色是將經(jīng)過陽極氧化的鋁合金浸漬在含有染料的溶液中，由于氧化膜多孔層的吸附作用，染料分子因此進(jìn)入孔隙而顯色，所以化學(xué)著色也稱化學(xué)染色。化學(xué)染色膜耐曬性、耐候性不如電解著色，一般只用于室內(nèi)裝飾鋁型材著色處理。因此，鋁型材主

7、要采用電解著色，其方法是在含有金屬離子的溶液中，通過電流的作用，金屬離子還原生成金屬（或金屬氧化物）沉積在氧化膜底部，由于沉積物對(duì)光的散射作用而呈現(xiàn)各種色彩。 1.5.1 錫鹽、錫-鎳鹽電解著香檳色、黑色 最初的電解著色為錫鹽、錫-鎳鹽電解著香檳色、黑色，其工藝見表1。一般情況下，同一錫鹽或錫鎳混合鹽電解著色槽中，通過改變電壓或著色時(shí)間，可以獲得包括香檳色青銅色咖啡色古銅色黑色等一系列由淺及深的顏色（通常稱為青銅色系）。其中錫鎳混合鹽體系較單錫鹽體系更易獲得真黑色。 表1 錫鹽、錫鎳混合鹽電解著色工藝規(guī)范 體系工藝條件錫鹽錫-鎳混合鹽snso4， g/lniso46h2o， g/lh2so4，

8、 g/l硼酸， g/l穩(wěn)定劑， g/l101515181520582535182020302025ph值溫度（）電壓 （v） 時(shí)間（min）1.00.125510162151.00.12551417215 1.5.2 單鎳鹽電解著仿不銹鋼色 單鎳鹽電解著色技術(shù)研究較早，但由于該體系對(duì)槽液雜質(zhì)敏感，其工業(yè)應(yīng)用一度受到限制。近年來通過采用特殊的電流和槽液提純回收系統(tǒng)，鎳鹽電解著色逐漸推廣。鎳鹽體系主要用來著仿不銹鋼色等淺色調(diào)。表2列出了鎳鹽著色的典型工藝。 表2 單鎳鹽電解著色典型工藝 著色方法成份及工藝淺田法9直交流法柱化法10unicol法11niso46h2o， g/l硼酸 ， g/l硫酸銨

9、 ， g/l酒石酸 ， g/l303015100（導(dǎo)電鹽） 150（穩(wěn)定劑） 10150540590401009ph值溫度 ， 電流 時(shí)間3.55.52228交流1018v0.525 min5.5255先直流16v2min后交流16v2min3.64.22228極性反轉(zhuǎn)直流2030直流脈沖27 min1.5.3 電解著金黃色和鈦金色 金黃色電解著色以kmno4體系為主，其工藝為：712g/lkmno4，2535g/lh2so4，添加劑1525g/l，溫度1540，交流電壓710v，時(shí)間24min。 鈦金色是一種類似黃金的色調(diào)，因而也稱“k金色”。其主要成份為亞硒酸,屬劇毒物，且價(jià)格昂貴，較少應(yīng)

10、用。 1.6 封閉 目前應(yīng)用最普遍的封閉方法為常溫封閉，該方法20世紀(jì)80年代興起。常用的封閉劑以氟鎳體系為主，其工藝為：ni2+0.81.2g/l，f0.40.6g/l，ph值5.56.5溫度282，時(shí)間815分鐘。為了保證封閉質(zhì)量，封閉槽液應(yīng)采用去離子水配制。 封閉可以提高氧化膜的耐蝕性、耐候性及抗污染能力。因此，封閉效果是衡量鋁型材產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。其質(zhì)量要求為失重率不超過30mg/dm212，13。 2 陽極氧化-電泳處理14 陽極氧化-電泳處理，即陽極氧化后進(jìn)行電泳涂漆，通常簡稱為電泳處理，最早于20世紀(jì)60年代在日本開始采。其保護(hù)層為陽極氧化膜和電泳涂層的復(fù)合膜（日本稱為“復(fù)

11、合氧化膜”），因此其耐候性優(yōu)于陽極氧化型材。電泳型材外觀華麗，但漆膜易劃傷，目前其應(yīng)用在亞洲尤其是日本較普遍。 2.1 電泳工藝流程 工藝流程：脫脂水洗堿蝕水洗水洗出光水洗水洗陽極氧化水洗純水洗電解著色水洗熱純水洗冷純水洗電泳ro1水洗ro2水洗瀝水烘烤（180，2530min） 2.2 電泳設(shè)備 電泳設(shè)備主要包括電泳槽、循環(huán)系統(tǒng)、精制回收系統(tǒng)、電源、烘烤系統(tǒng)等(見圖3)。2.3 電泳涂料及復(fù)合膜 鋁型材電泳涂料主要成分為丙烯酸樹脂，并以有機(jī)胺或無機(jī)堿為中和劑，固化劑為三聚氰胺甲醛樹脂，另外還包括顏料、溶劑、添加劑等成份。初期主要是透明清漆，后來又開發(fā)了亞光（消光）漆、白色漆和彩色漆。目前，仍

12、以透明清漆最為普遍，而亞光、彩色電泳則應(yīng)用較少。表3列出了市場上主要電泳型材及其復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)15。 表3 電泳涂漆型材及其復(fù)合膜結(jié)構(gòu)電泳型材工 藝復(fù)合膜斷面圖陽極氧化電解著色電泳涂漆清漆亞光白色彩色有光澤 銀白色亞光銀白色有光澤著色亞光著色白色彩色透明彩色透明3 粉末噴涂 鋁型材粉末涂料主要為熱固性飽和聚酯，其顏色種類較多，可以根據(jù)用戶需要更換粉末。粉末涂層其局部厚度應(yīng)控制在40m120m之間。粉末涂層堅(jiān)固耐用，耐化學(xué)介質(zhì)性能好，生產(chǎn)簡單，在鋁型材表面處理中占有較大比重（約35%），近年來在我國發(fā)展較快。3.1 噴涂前處理 鋁型材噴涂前要進(jìn)行化學(xué)前處理，使表面形成均勻的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，以提高涂層

13、的附著力和耐蝕性。常用工藝有： （1）脫脂水洗堿蝕水洗出光水洗化學(xué)轉(zhuǎn)化水洗水洗烘干（6085） （2）“三合一”清洗水洗水洗化學(xué)轉(zhuǎn)化水洗水洗烘干（6085） 化學(xué)轉(zhuǎn)化處理分為鉻化、磷鉻化16及無鉻化學(xué)處理17。由于鉻化膜的耐蝕性好，與漆層附著力強(qiáng)，工藝穩(wěn)定，應(yīng)用較廣。但六價(jià)鉻致癌，污染環(huán)境。無鉻化學(xué)氧化性能遠(yuǎn)不及鉻化、磷鉻化，其應(yīng)用受到一定限制。 3.2 粉末靜電噴涂 粉末靜電噴涂是將噴槍頭上的金屬導(dǎo)流環(huán)接上高壓負(fù)極，鋁型材接地形成正極，當(dāng)壓縮空氣將粉末從供粉桶經(jīng)輸送管送至噴槍導(dǎo)流環(huán)時(shí)，負(fù)極產(chǎn)生電場放電而使粉末帶上負(fù)電荷，在靜電力和壓縮空氣的共同作用下，粉末從槍口飛向鋁型材并均勻地吸附于表面，

14、經(jīng)過加熱，粉末熔解并流平固化成均勻的涂層，其工藝流程如圖4。4 氟碳漆噴涂 氟碳噴涂采用靜電液相噴涂法，為了得到性能優(yōu)良的涂層，一般采用二層、三層、四層工藝，其中以二層、三層工藝為主。具體工藝流程為：化學(xué)前處理底漆靜電噴涂流平面漆靜電噴涂流平罩光漆靜電噴涂流平烘烤固化。 氟碳涂料以聚偏二氟乙烯樹脂（pvdf）為基料，加以金屬粉合成，具有金屬光澤。氟碳涂層耐紫外線輻射，其耐蝕性能優(yōu)于粉末涂層，一般用于高檔鋁型材的表面處理。 5 木紋處理18，19 木紋處理90年代末開始引入我國，主要用于室內(nèi)裝飾型材的表面處理。木紋處理目前主要采用轉(zhuǎn)印法，它是在經(jīng)過粉末靜電噴涂合格的鋁型材表面貼上一層印有一定圖案

15、（木紋、大理石紋）的滲透膜，然后抽真空，使?jié)B透膜完全覆蓋在鋁型材表面，再經(jīng)過加熱，使?jié)B透膜上的油墨轉(zhuǎn)移，滲入粉末涂層，從而使鋁型材表面形成與滲透膜上圖案完全一樣的外觀。木紋處理是在粉末涂層上進(jìn)行的，因此，粉末涂層的準(zhǔn)備與粉末噴涂型材的生產(chǎn)工序完全相同，只是所用粉末必須與熱滲透膜匹配，否則可能不易上紋，其膜厚宜控制在6090m。 木紋處理工藝流程為： 前處理粉末噴涂烘烤檢驗(yàn)合格手工貼膜抽真空入爐加熱出爐解除真空冷卻撕膜檢驗(yàn)包裝 抽真空時(shí)應(yīng)合理控制真空度，過高或過低的真空度都會(huì)造成無圖紋或圖紋模糊。轉(zhuǎn)印溫度宜控制在175195。溫度高，會(huì)出現(xiàn)色差、印斑等缺陷，溫度太低，會(huì)造成圖紋模糊。 6 發(fā)展趨

16、勢(shì) 目前，鋁型材表面處理工藝相對(duì)成熟，其產(chǎn)品也豐富多彩。與發(fā)達(dá)國家相比，我國鋁型材表面處理仍有較大差距，主要表現(xiàn)生產(chǎn)裝備落后，環(huán)境污染嚴(yán)重，能耗高。因此，未來一定時(shí)期，鋁型材表面處理的發(fā)展趨勢(shì)是開發(fā)并推廣清潔環(huán)保、高效節(jié)能技術(shù)，其具體表現(xiàn)為： （1）噴涂前處理的無鉻化學(xué)氧化工藝。當(dāng)前的無鉻氧化槽液穩(wěn)定性和膜層性能仍很難滿足要求，需要進(jìn)一步提高和完善。 （2）環(huán)保型電解拋光技術(shù)。開發(fā)以有機(jī)醇為主要成分的電解拋光工藝不但有利環(huán)保，而且拋光效果比“傳統(tǒng)三酸”更好，發(fā)展前途被廣為看好。 （3）高速高效陽極氧化技術(shù)20。通過改變電流波形、槽液成份等，使成膜速度提高至1m/min，其生產(chǎn)效率可提高約3倍。 （4）電解著色向多色彩化方向發(fā)展。為了生產(chǎn)更多顏色的陽極氧化型材，歐洲開始采用多色化電解著色技術(shù)21，即在同一電解著色槽中可以得到紅、黃、藍(lán)、灰等多種顏色。該技術(shù)已有應(yīng)用，但大批量生產(chǎn)主要為藍(lán)色、灰色鋁型材，其應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究。 （5