铝合金型材表面处理技术及发展趋势

作者：张德忠

（武汉材料保护研究所，湖北 武汉 430030）

 阳极氧化专用冷却器

    [摘要]：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。 
    [关键词]：铝合金；建筑型材；表面处理；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：200～300g/LH2SO4,室温，时间3～5min。 
    1.3.2 酸性砂面 
    酸性砂面工艺：60～100g/LNH4HF，15～20g/L稳定剂，10g/L促进剂，pH值1～2，温度45～55℃，时间2～6min。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：30～100g/LNaOH，15～20g/L碱蚀剂，温度45～65℃，时间1～5min。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8～15min）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1～3min。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：H2SO4150～180g/L；Al3+≤20g/L；温度20±2℃；电流密度1.1～1.5A/dm2；交流电压16～18V；阳极极板纯铝板、铅板；时间25～35min（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。 

    表1 锡盐、锡镍混合盐电解着色工艺规范

体系工艺条件	锡盐	锡-镍混合盐
SnSO4， g/L NiSO4·6H2O， g/L H2SO4， g/L 硼酸， g/L 稳定剂， g/L	10～15   15～18   15～20	5～8 25～35 18～20 20～30 20～25
pH值 温度（℃） 电压 （V）  时间（min）	1.0±0.1 25±5 10～16 2～15	1.0±0.1 25±5 14～17 2～15

 

    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。 

    表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］	Unicol法［11］
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值 温度 ，  ℃ 电流   时间	3.5～5.5 22～28 交流10～18V  0.5～25 min	5.5 25±5 先直流16V　2min 后交流16V　2min	3.6～4.2 22～28 极性反转直流	20～30 直流脉冲 2～7 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：7～12g/LKMnO4，25～35g/LH2SO4，添加剂15～25g/L，温度15～40℃，交流电压7～10V，时间2～4min。 
    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/L，F－0.4~0.6g/L，pH值5.5~6.5温度28±2℃，时间8～15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/dm2［12，13］。 
    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℃，25～30min） 
    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]。 

    表3 电泳涂漆型材及其复合膜结构

电泳 型材	工  艺						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40µm～120µm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（60～85℃） 
    （2）“三合一”清洗→水洗→水洗→化学转化→水洗→水洗→烘干（60～85℃） 
    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［18，19］ 
    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60～90µm。 
    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175～195℃。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Al（OH）3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。
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资料来源：http://info.pf.hc360.com/2006/07/17084644946-3.shtml