淺談鋁型材的電泳涂裝工藝特點及其應用

     我國鋁型材業經過20年的發展，已形成一個完整的工業體系，成為國民經濟的支柱產業之一。原鋁產量已達到250萬噸以上，占世界第三位，擁有鋁加工企業1000多家，生產能力已達到350萬噸/年，鋁型材產量已達100萬噸/年。目前已進入高檔發展時期，鋁型材的表面處理技術發展迅速，由單一的古銅料發展到擁有粉末涂裝、噴涂氟碳涂料、有機和無機染色、電泳涂裝、機械和化學拋光等工藝手段，新一代的木紋化處理技術，三段電解多色著色以及微弧氧化著色技術也在試產中，鋁型材的外觀有鈦金、金黃、香檳、仿不銹鋼及各種色彩，還有顯示鏡面、沙石、亞光、珠光等特殊效果的。在眾多的表面處理技術中，電泳涂裝是最具發展方向的適用技術。鋁型材經陽極化和電解著色后再進行電泳涂裝，有雙層保護。具有高透明，高度金屬質感，高耐蝕及高耐候性，比噴漆、粉末噴涂更具裝飾性，深受用戶喜愛，已廣泛進入家庭裝修，潛在市場極大。其二，工藝容易實施，只要在原生產線上增加幾個槽與鋁氧化著色形成流水線生產，水溶性電泳涂裝安全，可以實現閉路循環，有利于環保。其三，更重要的是電泳型材更具魅力，是高檔、豪華型材的典范。擁有電泳涂裝線成為鋁型材廠綜合技術水平的重要標志。

    2.4.2鋁型材的電泳涂裝

    2.4.2.1電泳涂裝的特點

    自20世紀30年代電泳涂料在福特汽車公司車輪涂裝線上使用以來，其應用得到了飛速發展。透明的、具耐候性的丙烯酸類和聚氨酯類電泳涂料自70年代開始已成功用于金屬表面的裝飾和保護，如銅字招牌保護，不銹鋼及電鍍制品的裝飾和保護，作為最終保護裝飾層的最具代表性的就是建筑鋁型材的電泳涂裝。

    鋁材型材傳統的表面處理工藝是氧化、著色及封閉處理，這種鋁材的轉化膜在戶外長期使用時，特別是在酸雨或海洋環境中時，容易腐蝕，耐久性差，因此自70年代開始，人們嘗試用涂料涂裝的方法來提高建筑用鋁型材的裝飾性能及使用年限，目前，已工業化成功使用的有電泳涂漆、粉末涂裝和氟碳噴涂。由于電泳涂料是水性涂料，鋁材經前處理水洗后可直接電泳，電泳涂層透明度高，既具有高裝飾性又可突出鋁型材本身的金屬光澤，因此在建筑鋁型材上已越來越多地使用電泳涂裝。

    電泳涂裝法和其它涂裝方法相比有以下優點：

    ⑴易實現自動化生產。由于電泳涂裝在水性電泳槽中進行，與陽極氧化、電解著色工藝類似，處理時間短，容易實現整個工藝的流水線作業。

    ⑵涂膜均勻致密。由于電泳涂料的高泳透力，可使復雜形狀的型材亦獲得均勻的涂膜，同時通過調整電量可控制膜厚。

    ⑶涂料的利用率高。由于粘度低，工件帶出較少，而且電泳工件可用水洗，回收裝置的利用使電泳涂裝的涂料利用率高達95%以上。

    ⑷安全性和環保性。由于電泳涂料的水稀釋，固體份低，溶劑含量少是環保型涂料，且免除了火災的危險，工人健康也有保障。

⑸涂膜質量好。丙烯酸樹脂用氨基樹脂固化，保證了涂膜的高裝飾及高耐腐蝕性，同時由于樹脂高度透明，有效地突出了金屬質感，根據需要還可得到亞光、沙面、珠光等裝飾效果。

 ⑹和通常的電解著色封孔工藝相比，具有省時，節省人力的特點，電泳涂膜無需封孔，避免了由于封孔不好帶來的裂紋等毛病。

    ⑺可自由控制涂膜的厚度，國內外通常控制7μm和12μm兩檔。

    ⑻由于電泳層透明光亮，因此要求鋁鑄錠質量高，擠壓材表面平滑，機械缺陷少，對氧化著色工藝要求管理嚴格，因為任何微小的缺陷和沾污都會在透明漆下暴露無遺。

    ⑼對電泳工藝管理要求高，以提高成品率。

    2.4.2.2電泳涂裝的原理

    以陽極電泳為例，圖2-4-1說明了陽極電泳的過程，此時工件為鋁型材作陽極。

    涂料狀態（乳化狀態）：含羧基的丙烯酸樹脂，中和劑為氫氧化鉀，或有機胺，固化劑為三聚氰胺甲醛樹脂。

    pH值：7.8～8.5之間。

    電沉積：在pH值下降時析出

    電極反應：陽極（鋁型材）

    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)

    陰極(極板)

    2H2O+2e→2OH-+H2↑

    電泳時在工件表面涂膜沉積，陽極有氧氣產生，可以促進成膜，但氧氣產生過多會造成涂膜外觀光亮度差，因此電泳過程中要對電導率進行控制，另外要控制液的pH值，它與涂膜的沉積密切相關，陽極電泳時有金屬離子溶出，它參與成膜，鋁型材電泳時的金屬離子溶出和鋼鐵件不同，對顏色的影響甚微。

    2.4.2.3鋁型材用陽極電泳涂料的特性

    2.4.2.3.1陽極電泳涂料的品種

    由于丙烯酸樹脂具有優異的耐候性，耐磨性；樹脂無色透明，可通過配方調節涂料性能，具有優異的裝飾性和性能可調性，且這類樹脂主鏈由碳-碳鍵組成，抗化學性高，配成堿性的大量含水的電泳漆也不會分解，具有良好的穩定性，因此丙烯酸類型的陽極電泳涂料占據了鋁型材電泳涂料的主流。

    目前還有一類為有色的聚氨酯電泳漆，性能較好，工藝簡單，因為采用有色聚氨酯電泳漆，則可取消陽極氧化、著色、封閉工藝。有利于節約成本。此外為滿足各種產品的不同需求，功能性的抗菌、絕緣、自潤滑電泳涂料，及裝飾性的亞光、消光、珠光電泳涂料也已經得到應用。

    2.4.2.3.2電泳涂料的制造

    陽極電泳涂料是指將鋁型材工件作為陽極，故陽極電泳涂料是陰離子型樹脂，最常用的是水可稀釋的帶羧基的丙烯酸樹脂，用三聚氨胺甲醛樹脂作為交聯劑固化，引入丙烯酸單體越多，則樹脂水溶性越好。如配方：

其中MMA為甲基丙烯酸甲酯是硬單體，聚合物的主體；BA是丙烯酸丁酯，是軟單體，用來調節玻璃化溫度，提供鏈的柔性；HEMA是甲基丙烯酸β-羥乙酯，它提供自由的羥基，與氨基樹脂起交聯反應，同時還增強樹脂的親水性，AA是丙烯酸提供羧基，基含量越高，親水性愈好，一般電泳涂料中用5%～10%，聚合在共溶劑丙二醇丁醚中進行，濃度為70%左右，引發劑可用過氧化苯甲酯（BPO），但以偶氧二異丁腈為好。反應溫度為100℃左右，聚合完成后，用二甲基乙醇胺中和，然后用水稀釋，固體含量一般為60%左右，pH值為7.5～8.5，在水性涂料中要用到溶劑，有時稱共溶劑，多為親水性醇類，如丙醇、丁醇、乙二醇(或丙二醇)的單醚，主要依據揮發性能、毒性、價格來選擇，中和劑作用在于中和丙烯酸樹脂鏈上的羧基，保護樹脂水溶性，多為有機胺或氫氧化鈉，用有機胺，如三乙胺，二甲基乙醇胺，特別是三級胺有益于樹脂穩定。

    2.4.3電泳的工藝及設備

    2.4.3.1電泳的工藝流程

    以陽極電泳為例，通常按如下工藝進行

    脫脂→水洗→水洗→中和→水洗→陽極氧化→水洗→電解著色→熱水洗→水洗→電泳→水洗→干燥

    2.4.3.2電泳的工藝條件

    ⑴電泳槽液的條件

    固體份：7%～9%

    溫度：20～25℃

    pH：8.0～8.8

    電阻率/Ω·cm(20℃)：1500～2500

    ⑵電泳的工藝參數

    電壓：80～250V(DC)

    電泳時間：1～3min

    電流密度：15～50A/㎡

    具體工藝規范依產品的要求進行。

    涂膜厚度：7～12μm

    2.4.3.3鋁型材電泳工藝所需設備

    ⑴電泳槽。鋁型材電泳槽多設計為長方形矩形槽，基內部大小取決于裝掛吊的尺寸，槽體用4～6mm，鋼板內襯用聚丙烯或環氧玻璃鋼，需設置溢流槽。

    ⑵電源。直流要求0～250A任意可調，電流大小根據50A/㎡計算，約2000A/槽。電源的波紋因素一定要小于6%，其值愈大，電泳涂膜產生孔隙的幾率愈大。

    ⑶電極。在陽極電泳時，鋁型材作為陽極，陰極板采用不銹鋼板或鋁板，陰極面積為工件總面積的1倍。板隔膜采用聚丙烯纖維布。

    ⑷熱交換系統。可保證槽液溫度穩定。

⑸預配槽及自動添加系統。預配槽可完成電泳槽液的配制，以保證達到正常參數；自動添加系統，可保證補充每槽鋁型材所消耗的電泳漆的量，保證電泳槽固體份在工藝范圍之內，以確保膜厚的均一。

    ⑹離子交換處理（IR）系統。陽極電泳時，陰極pH值會不斷增加，采用離子交換樹脂系統可去除槽液中的雜質，陰、陽離子使槽液pH值穩定，若再加上反滲透裝置（RO）則可實現閉路系統。

    表2-4-2RO透過液的組成

    由于經過RO后的水幾近純水，可以直接用來清洗，故可實現閉路水洗系統，有利于環境保護。

    2.4.4小結

     我國目前已有多家鋁型材廠擁有電泳生產線，為了更好地發展電泳涂裝技術，占有更多地市場份額，我們認為應從幾方面努力：⑴開發新的應用領域，如機械、航空、汽車構件、家電、浴室、廚具等；⑵提高鋁型材加工技術，提高電泳型材的合格率；⑶提高電泳涂料品質，擴大電泳涂料品種，提高國產化率；⑷提高電泳涂裝的管理水平。

綜上所述，我國的鋁型材電泳涂裝技術正進入一個新的發展時期，由于電泳型材的高品質，必將在我國有一個更加迅速的發展。