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铝型材的电泳涂装工艺

发布时间:2011/03/02

  我国铝型材业经过20年的发展,已形成一个完整的工业体系,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,拥有铝加工企业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。目前已进入高档发展时期,铝型材的表面处理技术发展迅速,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。在众多的表面处理技术中,电泳涂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。

  2.4.2铝型材的电泳涂装

  2.4.2.1电泳涂装的特点

  自20世纪30年代电泳涂料在福特汽车公司车轮涂装线上使用以来,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:

  ⑴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。

  ⑵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。

  ⑶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。

  ⑷安全性和环保性。由于电泳涂料的水稀释,固体份低,溶剂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。

  ⑸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。

  ⑹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。

  ⑺可自由控制涂膜的厚度,国内外通常控制7μm和12μm两档。

  ⑻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,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。

  ⑼对电泳工艺管理要求高,以提高成品率。

  2.4.2.2电泳涂装的原理

  以阳极电泳为例,图2-4-1说明了阳极电泳的过程,此时工件为铝型材作阳极。

  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

  2H2O→4H++4e-+O2↑

  R-COO-+H+→R-COOH

  水溶性水不溶(涂膜)

  Me→Men++ne

  RCOO-+Men+→(R-COO)nMe(析出)

  阴极(极板)

  2H2O+2e→2OH-+H2↑

  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。

  2.4.2.3铝型材用阳极电泳涂料的特性

  2.4.2.3.1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,可通过配方调节涂料性能,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。

  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。此外为满足各种产品的不同需求,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。

  2.4.2.3.2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β-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,基含量越高,亲水性愈好,一般电泳涂料中用5%~10%,聚合在共溶剂丙二醇丁醚中进行,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,pH值为7.5~8.5,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。

  2.4.3电泳的工艺及设备

  2.4.3.1电泳的工艺流程

  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

  2.4.3.2电泳的工艺条件

  ⑴电泳槽液的条件

  固体份:7%~9%

  温度:20~25℃

  pH:8.0~8.8

  电阻率/Ω·cm(20℃):1500~2500

  ⑵电泳的工艺参数

  电压:80~250V(DC)

  电泳时间:1~3min

  电流密度:15~50A/㎡

  具体工艺规范依产品的要求进行。

  涂膜厚度:7~12μm

  2.4.3.3铝型材电泳工艺所需设备

  ⑴电泳槽。铝型材电泳槽多设计为长方形矩形槽,基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。

  ⑵电源。直流要求0~250A任意可调,电流大小根据50A/㎡计算,约2000A/槽。电源的波纹因素一定要小于6%,其值愈大,电泳涂膜产生孔隙的几率愈大。

  ⑶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,阴极面积为工件总面积的1倍。板隔膜采用聚丙烯纤维布。

  ⑷热交换系统。可保证槽液温度稳定。

  ⑸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,保证电泳槽固体份在工艺范围之内,以确保膜厚的均一。

  ⑹离子交换处理(IR)系统。阳极电泳时,阴极pH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pH值稳定,若再加上反渗透装置(RO)则可实现闭路系统。