铝型材电泳涂装技术及发展

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1、铝型材的电泳涂装工艺文章摘要: 摘要 针对我国铝型材电泳涂装的发展现状 , 着重介绍了用于铝型材的电泳涂装工艺 。 还介绍了阳极电泳涂装的原理 , 电泳涂料和涂装工艺及阳极电泳的设备 , 分析了影响电泳涂装的主要因素。此外还提出了发展铝型材关键字:电泳 涂装 涂料 树脂 摘要 针对我国铝型材电泳涂装的发展现状 , 着重介绍了用于铝型材的电泳涂装工艺 . 还介绍了阳极电泳涂装的原理 , 电泳和涂装工艺及阳极电泳的设备 , 分析了影响电泳涂装的主要因素。此外还提出了发展铝型材电泳涂装的一些建议。 关键词 电泳涂装 ; 铝型材 ; 工艺管理 0 引言 我国铝型材业经过 20 年的发展 , 已形成一个

2、完整的工业体系 , 成为国民经济的支柱产业之一。原铝产量已达到 250 万吨以上 , 占世界第三位 , 拥有铝加工 1000 多家 , 生产能力已达到 350 万吨 / 年 , 铝型材产量已达 100 万吨 / 年。目前已进入中高档发展时期 , 铝型材的表面处理发展迅速 , 由单一的古铜料发展到拥有粉末涂装、喷涂氟碳涂料、有机和无机染色、电泳涂装、机械和化学抛光等工艺手段 , 新一代的木纹化处理技术 , 三段电解多色着色以及微弧氧化着色技术也在试产中 , 铝型材的外观有钛金、金黄、香槟、仿不锈钢及各种色彩 , 还有显示镜面、沙石、亚光、珠光等特殊效果的 1 。在众多的表面处理技术中 , 电泳涂

3、装是最具发展方向的适用技术。铝型材经阳极化和电解着色后再进行电泳涂装 , 有双层保护。具有高透明 , 高度金属质感 , 高耐蚀及高耐候性 , 比喷漆、粉末喷涂更具装饰性 , 深受用户喜爱 , 已广泛进入家庭装修 , 潜在市场极大。其二 , 工艺容易实施 , 只要在原生产线上增加几个槽与铝氧化着色形成流水线生产 , 水溶性电泳涂装安全 , 可以实现闭路循环 , 有利于环保。其三 , 更重要的是电泳型材更具魅力 , 是高档、豪华型材的典范 . 拥有电泳涂装线成为铝型材厂综合技术水平的重要标志。 1 铝型材的电泳涂装 1. 1 电泳涂装的特点 自本世纪 30 年代电泳涂料在福特汽车车轮涂装线上使用以

4、来 , 其应用得到了飞速发展。透明的、具耐候性的丙烯酸类和聚氨酯类电泳涂料自 70 年代开始已成功用于金属表面的装饰和保护 , 如铜字招牌保护 , 不锈钢及电镀制品的装饰和保护 , 作为最终保护装饰层的最具代表性的就是建筑铝型材的电泳涂装。 铝材型材传统的表面处理工艺是氧化、着色及封闭处理 , 这种铝材的转化膜在户外长期使用时 , 特别是在酸雨或海洋环境中时 , 容易腐蚀 , 耐久性差 , 因此自 70 年代开始 , 人们尝试用涂料涂装的方法来提高建筑用铝型材的装饰性能及使用年限 , 目前 , 已工业化成功使用的有电泳涂漆、粉末涂装和氟碳喷涂。由于电泳涂料是水性涂料 , 铝材经前处理水洗后可直

5、接电泳 , 电泳涂层透明度高 , 既具有高装饰性又可突出铝型材本身的金属光泽 , 因此在建筑铝型材上已越来越多地使用电泳涂装。 电泳涂装法和其它涂装方法相比有以下优点 : (1) 易实现自动化生产由于电泳涂装在水性电泳槽中进行 , 与阳极氧化、电解着色工艺类似 , 处理时间短 , 容易实现整个工艺的流水线作业。 (2) 涂膜均匀致密 由于电泳涂料的高泳透力 , 可使复杂形状的型材亦获得均匀的涂膜 , 同时通过调整电量可控制膜厚。 (3) 涂料的利用率高 由于粘度低 , 工件带出较少 , 而且电泳工件可用水洗 , 回收装置的利用使电泳涂装的涂料利用率高达 95 % 以上。 (4) 安全性和环保性

6、 由于电泳涂料的水稀释 , 固体份低 , 含量少是环保型涂料 , 且免除了火灾的危险 , 工人健康也有保障。 (5) 涂膜质量好 丙烯酸树脂用氨基树脂固化 , 保证了涂膜的高装饰及高耐腐蚀性 , 同时由于树脂高度透明 , 有效地突出了金属质感 , 根据需要还可得到亚光、沙面、珠光等装饰效果。 (6) 和通常的电解着色封孔工艺相比 , 具有省时 , 节省人力的特点 , 电泳涂膜无需封孔 , 避免了由于封孔不好带来的裂纹等毛病。 (7) 可自由控制涂膜的厚度 , 国内外通常控制 7 m 和 12 m 两档。 (8) 由于电泳层透明光亮 , 因此要求铝铸锭质量高 , 挤压材表面平滑 , 机械缺陷少

7、, 对氧化着色工艺要求管理严格 , 因为任何微小的缺陷和沾污都会在透明漆下暴露无遗。 (9) 对电泳工艺管理要求高 , 以提高成品率。 1. 2 电泳涂装的原理 以阳极电泳为例 , 图 1 说明了阳极电泳的过程 , 此时工件为铝型材作阳极。 图 1 阳极电泳的原理图 涂料状态 ( 乳化状态 ): 含羧基的丙烯酸树脂 , 中和剂为氢氧化钾 , 或有机胺 , 固化剂为三聚氰胺甲醛树脂。 pH 值 : 7. 8 8. 5 之间 电沉积 : 在 pH 值下降时析出 电极反应 : 阳极 ( 铝型材 ) 从图 1 可知电泳时在工件表面涂膜沉积 , 阳极有氧气产生 , 可以促进成膜 , 但氧气产生过多会造成

8、涂膜外观光亮度差 , 因此电泳过程中要对电导率进行控制 , 另外要控制液的 pH 值 , 它与涂膜的沉积密切相关 , 阳极电泳时有金属离子溶出 , 它参与成膜 , 铝型材电泳时的金属离子溶出和钢铁件不同 , 对颜色的影响甚微。1. 3 铝型材用阳极电泳涂料的特性 1. 3. 1 阳极电泳涂料的品种 由于丙烯酸树脂具有优异的耐候性 , 耐磨性 ; 树脂无色透明 , 可通过调节涂料性能 , 具有优异的装饰性和性能可调性 , 且这类树脂主链由碳 - 碳键组成 , 抗化学性高 , 配成碱性的大量含水的电泳漆也不会分解 , 具有良好的稳定性 , 因此丙烯酸类型的阳极电泳涂料占据了铝型材电泳涂料的主流。

9、目前还有一类为有色的聚氨酯电泳漆 , 性能较好 , 工艺简单 , 因为采用有色聚氨酯电泳漆 , 则可取消阳极氧化、着色、封闭工艺 . 有利于节约成本 . 此外为满足各种的不同需求 , 功能性的抗菌、绝缘、自润滑电泳涂料 , 及装饰性的亚光、消光、珠光电泳涂料也已经得到应用。 1. 3. 2 电泳涂料的制造 阳极电泳涂料是指将铝型材工件作为阳极 , 故阳极电泳涂料是阴离子型树脂 , 最常用的是水可稀释的带羧基的丙烯酸树脂 , 用三聚氨胺甲醛树脂作为交联剂固化 , 引入丙烯酸单体越多 , 则树脂水溶性越好。如配方 : MMA :BA :HEMA :AA = 45 :38 :10 :7 其中 MMA

10、 为甲基丙烯酸甲酯是硬单体 , 聚合物的主体 ;BA 是丙烯酸丁酯 , 是软单体 , 用来调节玻璃化温度 , 提供链的柔性 ;HEMA 是甲基丙烯酸 - 羟乙酯 , 它提供自由的羟基 , 与氨基树脂起交联反应 , 同时还增强树脂的亲水性 ,AA 是丙烯酸提供羧基 , 其含量越高 , 亲水性愈好 , 一般电泳涂料中用 5 % 10 % , 聚合在共溶剂丁醚中进行 , 浓度为 70 % 左右 , 引发剂可用过 氧化苯甲酯 (BPO) , 但以偶氧二异丁腈为好。反应温度为 100 左右 , 聚合完成后 , 用二甲基乙醇胺中和 , 然后用水稀释 , 固体含量一般为 60 % 左右 ,p H 值为 7.

11、 5 8. 5 , 在水性涂料中要用到溶剂 , 有时称共溶剂 , 多为亲水性醇类 , 如丙醇、丁醇、乙二醇 ( 或丙二醇 ) 的单醚 , 主要依据挥发性能、毒性、价格来选择 , 中和剂作用在于中和丙烯酸树脂链上的羧基 , 保护树脂水溶性 , 多为有机胺或氢氧化钠 , 用有机胺 , 如三乙胺 , 二甲基乙醇胺 , 特别是三级胺有益于树脂稳定。 2 电泳的工艺及设备 2. 1 电泳的工艺过程以阳极电泳为例 , 通常按如下工艺进行脱脂水洗水洗中和水洗阳极氧化水 洗电解着色热水洗水洗电泳水洗干燥 2. 2 电泳的工艺条件 (1) 电泳槽液的条件 2 固体份 :7 % 9 % 温度 :20 25 p H

12、 : 8. 0 8. 8 电阻率 cm( 20 ) :1500 2500 (2) 电泳的工艺参数 电压 : 80 250V(DC) 电泳时间 :1 3min 电流密度 :15 50A / m 2 具体工艺规范依产品的要求进行。 涂膜厚度 :7 12 m 2. 3 铝型材电泳工艺所需设备 (1) 电泳槽 铝型材电泳槽多设计为长方形矩形槽 , 其内部大小取决于装挂吊的尺寸 , 槽体用 4 6mm 钢板 , 内衬用聚丙烯或环氧玻璃钢 , 需设置溢流槽。 (2) 电源直流要求 0 250A 任意可调 , 电流大小根据 50A / m 2 计算 , 约 2000A / 槽。电源的波纹因素一定要小于 6

13、% , 其值愈大 , 电泳涂膜产生孔隙的几率愈大。 (3) 电极 在阳极电泳时 , 铝型材作为阳极 , 阴极板采用不锈钢板或铝板 , 阴板面积为工件总面积的 1 倍。板隔膜采用聚丙烯纤维布。 (4) 热交换系统可保证槽液温度稳定。 (5) 预配槽及自动添加系统预配槽可完成电泳槽液的配制 , 以保证达到正常参数 ; 自动添加系统 , 可保证补充每槽铝型材所消耗的电泳漆的量 , 保证电泳槽液固体份在工艺范围之内 , 以确保膜厚的均一。(6) 离子交换处理 (IR) 系统阳极电泳时 , 阴极 p H 值会不断增加 , 采用离子交换树脂系统可去除槽液中的杂质 , 阴、阳离子使槽液 p H 值稳定 ,

14、若再加上反渗透装置 (RO) 则可实现 RO 闭路系统。 RO 闭路循环系统流程如图 2 所示。 图 2 RO 闭路循环系统 (7) 烘烤系统多采用辐射对流式 , 阳极电泳漆膜需经过 140 170 温度烘烤。 2. 4 电泳的工艺管理 铝型材阳极电泳的生产工艺管理是一个系统工程 , 要求严格 , 需要经常检查的项目如表 1 。此外溶剂量、电泳性能及涂膜性能也需经常检测。 表 1 阳极电泳常检项目表2. 4. 1 影响阳极电泳的几个主要因素及管理办法 在阳极电泳工艺中 , 电压、通电时间、固体份、电阻率的增加会促进膜厚的增长 , 而 p H 值的变化趋势却相反 ,p H 值增加 , 膜厚降低

15、, 为了有效地控制电泳工艺 , 应该对以上因素进行管理和控制。 (1) 固体份随着电泳处理量的增加 , 必须不断地进行补充。固体份的大小对膜厚有最直接的影响 , 因此为保证膜厚均匀 , 应将固体份控制在 0. 2 % 的范 围内。 (2) pH 值铝型材阳极电泳是通过碱或胺中和成盐呈弱碱性来达到稳定的水溶体系的 , 其 pH 值在 7. 5 9 之间 , 在电泳过程中 , 带负电荷的树脂沉积在工件上 , 同时在阴极上不断有胺产生 , 漆液的 pH 值会逐渐增加。另外 , 若电泳槽液放置时间太长 , 则由于胺的挥发 ,pH 值会有下降的趋势。 pH 值的变化会引起电沉积特性和漆膜的变化 ,pH

16、值太高 , 涂膜变薄 , 电泳后涂膜会再次溶解而造成膜厚不足 , 外观失光异常 ;pH 值太低 , 电泳槽液稳定性差。 因此 , 应严格控制 pH 值 , 保证在工艺参数之内。可通过离子交换树脂法有效地控制铝型材阳极电泳的 pH 值。 (3) 电阻率 电阻率随胺量、温度、固体份、氨基树脂量的变化而变化 , 应控制在 2000 500 cm 的范围内。胺量的变化对电阻率的影响比 pH 值的影响大。通过定期的离子交换处理 , 除去过剩的胺和杂质离子 , 可维持电阻率在正常范围。 (4) 胺值其值的高低表示电泳液中胺的量。胺值随电泳处理量的增加而增加。通过离子交换处理可使胺值降低。胺值的大小体现在 pH 值和电阻率上 , 通常是通过控制