摘要：以傳統(tǒng)酸性前處理工藝、新型堿性前處理工藝兩種粉末噴涂前處理工藝作為研究對(duì)象，對(duì)其在實(shí)際生產(chǎn)中的綜合可行性進(jìn)行研究討論并對(duì)比。兩種前處理工藝都能夠獲得平整均一的前處理表面，且經(jīng)粉末噴涂后的成品在膜層的附著性及耐蝕性等方面完全滿足生產(chǎn)要求及性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。在此前提下，堿性前處理工藝在環(huán)保和耗水量方面相較于酸性前處理工藝具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，環(huán)保方面，堿性前處理使用過(guò)程中無(wú)有毒氣體氫氟酸的揮發(fā)，槽液基本無(wú)磷無(wú)氨氮無(wú)重金屬離子，后續(xù)廢水只需調(diào)整PH就能符合直接排放標(biāo)準(zhǔn)。耗水方面，堿性前處理工藝相較于酸性前處理對(duì)水洗水的純度要求較低，水洗水具有較大的擴(kuò)容量，需要純水的溢流量較小。由此可見(jiàn)，堿性前處理工藝在綜合性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)酸性前處理工藝，具有產(chǎn)品性能優(yōu)異、高環(huán)保、低消耗、低投資等特點(diǎn)，是今后粉末噴涂前處理發(fā)展的必然方向。

關(guān)鍵詞：前處理工藝；綜合性能；高環(huán)保；低投資

0前言

鋁材作為有色金屬中使用量最大、應(yīng)用面最廣的金屬材料，可滿足從家居產(chǎn)品到高端科技、從建筑裝潢行業(yè)到航空航天等各類行業(yè)對(duì)鋁合金材料提出的各不相同的使用要求[1-3]。隨著鋁合金應(yīng)用的不斷推廣，這就要求其不但要具有較高的力學(xué)性能，還要具有良好的裝飾性能和優(yōu)異的耐蝕性能，為滿足這種需求，諸多鋁合金表面處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4,5]。靜電粉末噴涂作為一種新型表面處理方式，具有綠色環(huán)保、節(jié)能、安全等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類鋁合金的表面處理，其中靜電粉末噴涂前處理過(guò)程能否使鋁合金表面形成平滑光潔，均勻裸露的活性表面成為決定其涂層質(zhì)量的關(guān)鍵所在[6-8]。目前工業(yè)上使用最多的前處理方式仍是傳統(tǒng)的先酸性除油再鈍化成膜的工藝，雖然該工藝能形成穩(wěn)定且均一的鋁合金前處理表面，但因其工藝具有大量氟離子及重金屬離子而飽受人們?cè)嵅?，所以新型環(huán)保型前處理工藝的使用愈加成為呼應(yīng)現(xiàn)階段環(huán)保要求的不二之選。對(duì)此，本文引進(jìn)了一種新型環(huán)保前處理工藝，用低氟低重金屬的堿性除油取代了傳統(tǒng)的酸性除油，并配以新型的鈍化工藝。對(duì)比探究?jī)山M工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的生產(chǎn)效果以及粉末噴涂后成品的綜合性能。

1表面前處理工藝

1.1表面前處理

表面前處理目的主要是通過(guò)脫脂和表面調(diào)質(zhì)除去型材表面油污、臟物、手印痕、輕微擠壓缺陷以及自然形成的氧化膜，實(shí)現(xiàn)型材表面干凈平整，然后再通過(guò)化學(xué)氧化法獲得一層薄薄的鈍化膜，為后續(xù)的靜電粉末噴涂提供附著性劑耐蝕性優(yōu)異的前處理表面，表1分別為酸性前處理和堿性前處理的具體工藝流程及工藝參數(shù)，所使用的藥水都由國(guó)內(nèi)專門(mén)的前處理藥水廠家提供并已開(kāi)槽使用。

1.2酸、堿性前處理基本原理

1.2.1脫脂基本原理

脫脂的基本目的是除去鋁合金表面氧化膜及油脂，使其露出平整光潔的基材表面，不論是酸性脫脂還是堿性脫脂，其脫脂方式基本包括以下四個(gè)方面：

（1）水解作用：油脂在酸或堿性條件下容易發(fā)生水解反應(yīng)生成甘油和相應(yīng)的高級(jí)脂肪酸。

（2）乳化作用：脫脂槽液中的表面活性劑對(duì)油脂潤(rùn)濕、滲透、分散及剝離。

（3）刻蝕機(jī)械力：鋁合金基材與酸或堿反應(yīng)生成氫氣對(duì)其表面的油脂具有沖刷剝離作用。

（4）溶解作用：鋁及其氧化物不論在酸或堿性條件下都會(huì)發(fā)生溶解反應(yīng)，達(dá)到刻蝕效果。

酸性脫脂與堿性脫脂的差異基本上都體現(xiàn)在兩者對(duì)于鋁及其氧化膜的溶解反應(yīng)機(jī)理上。酸性脫脂主要以氫氟酸為主要刻蝕物質(zhì)，氟是一種體積小、電負(fù)性較強(qiáng)，且是唯一能與鋁離子形成配位鍵的化學(xué)元素，對(duì)鋁具有極強(qiáng)的氧化作用，同時(shí)還能夠有效絡(luò)合吸附在鋁合金表面上的鋁離子及其他金屬離子，由此可見(jiàn)氟化氫確實(shí)在鋁合金脫脂上具有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。酸性脫脂的主要反應(yīng)包括：

Al₂O₃+6HF→2AlF₃+3H₂O

2Al+6H⁺→2Al³⁺+H₂↑

Al³⁺+3F^-→AlF₃

6F^-+Al³⁺→AlF₆^3-

而對(duì)于鋁這種兩性金屬而言，它不耐堿遠(yuǎn)甚于不耐酸。只要稍微強(qiáng)一些的堿，就能夠達(dá)到更加優(yōu)異的刻蝕效果，然而單純用堿去刻蝕會(huì)使得反應(yīng)生成的鋁離子及偏鋁酸鈉吸附于鋁合金表面從而影響之后的鈍化及噴涂工藝，導(dǎo)致整個(gè)前處理工藝不合格，堿性脫脂的主要反應(yīng)包括：

Al₂O₃+2NaOH→2NaAlO₂+H₂O

2Al+2NaOH+2H₂O→2NaAlO₂+3H₂↑

1.2.1表調(diào)的基本原理

表調(diào)步驟又可稱為中和出光，是堿性脫脂后獨(dú)有的工藝步驟，它的作用是中和鋁合金表面的堿，同時(shí)對(duì)鋁合金表面產(chǎn)生的偏鋁酸鈉進(jìn)行溶解，單純?nèi)芙獾羝X酸鈉其實(shí)不難，絡(luò)合掉鋁合金表面的鋁離子才是表調(diào)處理的核心所在，表調(diào)步驟不需要?dú)浞岬膬?yōu)秀的刻蝕效果，所以在表調(diào)中一般只會(huì)加入少許氟化物，達(dá)到絡(luò)合鋁離子的目的，所以整個(gè)堿性前處理并不會(huì)出現(xiàn)氫氟酸揮發(fā)危害身體、腐蝕設(shè)備等問(wèn)題，大大提高了前處理的環(huán)保性能。

1.2.2鈍化的基本原理

通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化法在鋁基材表面形成一層鈍化膜，以提高其耐蝕性及后續(xù)粉末噴涂的附著性，兩種前處理工藝采用的都是氟鋯酸體系鈍化，鈍化包括的主要反應(yīng)為：

2Al+6H⁺+3ZrF₆^2-+5H₂O→2AlO·3ZrOF₂+10HF+3H₂↑

2 綜合性能測(cè)試

2.1溶液離子檢測(cè)

2.1.1各槽液離子檢測(cè)

對(duì)實(shí)驗(yàn)所用槽液進(jìn)行離子檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示，由表可知，酸性前處理工藝中不論是脫脂槽還是鈍化槽都含有較高的氟離子，且在酸性脫脂槽中還含有大量的磷化物。新型堿性前處理工藝中脫脂槽和鈍化槽基本不含氟鎳鉻磷等有害物質(zhì)及重金屬離子，僅其表調(diào)槽含有較高濃度的氟離子。新型堿性前處理工藝用高效環(huán)保的堿性脫脂體系取代了傳統(tǒng)的利用氫氟酸對(duì)鋁合金進(jìn)行脫脂刻蝕的酸性前處理工藝，生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)有劇毒氫氟酸的揮發(fā)，極大改善了車間的生產(chǎn)環(huán)境，減少了酸霧對(duì)身體的侵害和對(duì)設(shè)備的腐蝕。

2.1.1綜合廢水離子檢測(cè)

表3為兩種前處理方式的綜合廢水離子檢測(cè)結(jié)果，堿性前處理后的綜合廢水基本達(dá)到了直接排放的標(biāo)準(zhǔn)，其廢水氟離子含量極低，屬于普通固廢，無(wú)需添加石灰處理廢水，處理池會(huì)自動(dòng)中和，只需簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)PH沉淀壓渣，就能達(dá)到國(guó)家工業(yè)二類水的排放標(biāo)準(zhǔn)，大量減少?gòu)U渣的產(chǎn)生。而酸性前處理工藝后的廢水中仍具有較高含量的氟離子，需要添加大量氫氧化鈉中和、石灰沉淀處理廢水，后續(xù)產(chǎn)生的廢渣也會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成非常大的影響。顯而易見(jiàn)，新型堿性前處理工藝在廢水的環(huán)保方面及廢水處理耗資方面相較于傳統(tǒng)酸性前處理工藝來(lái)說(shuō)都具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，堿性前處理工藝廢水處理排放簡(jiǎn)化，能大量節(jié)省廢水處理設(shè)備及人員的投資，大大降低維護(hù)成本，達(dá)到節(jié)能減排的效果，同時(shí)廢水回收利用對(duì)設(shè)備腐蝕較小。

2.2微觀形貌分析

圖1為傳統(tǒng)酸性前處理工藝下每道工序后的5000X掃描電鏡圖，其中可以看出未經(jīng)前處理的基材表面非常光潔細(xì)膩，這是由于鋁合金基材在自然環(huán)境下發(fā)生氧化，從而形成一層非常致密的氧化膜。分別觀察兩種不同工藝對(duì)前處理表面狀態(tài)的影響，可以看出通過(guò)傳統(tǒng)酸性前處理工藝除油后鋁合金表面狀態(tài)依然非常平整，僅有少量白色點(diǎn)條狀物在基材表面凸起，這里可能是在酸性脫脂刻蝕過(guò)程后殘留下來(lái)的鋁的氧化膜，之后經(jīng)過(guò)鈍化處理的鋁合金表面相較于脫脂后更加平整光潔，基本未見(jiàn)凸起氧化膜，可能在其表面還存在一層致密的鈍化膜層。

為驗(yàn)證其表面狀態(tài)的變化，通過(guò)能譜對(duì)鋁合金表面元素進(jìn)行測(cè)試，圖3（a）為鋁合金未處理基體面掃能譜圖，可以看到基體表面主要由鋁元素和氧元素組成，氧的質(zhì)量百分比在0.73%左右。圖（b）為酸性脫脂后鋁合金表面面掃能譜圖，可知脫脂后鋁合金表面氧元素質(zhì)量百分比下降至0.41%，說(shuō)明酸性脫脂對(duì)鋁氧化膜較優(yōu)異的刻蝕能力。圖（c）為酸性脫脂后鋁合金表面白色點(diǎn)條狀物的點(diǎn)掃能譜圖，可以看出脫脂后鋁合金表面出現(xiàn)的白色點(diǎn)條狀物含有非常高的氧元素，質(zhì)量占比達(dá)到了1.17%，這也正印證了脫脂后表面白色點(diǎn)條狀物為鋁的氧化膜這一想法。圖（d）為無(wú)鉻鈍化后鋁合金表面面掃能譜圖，氧元素質(zhì)量百分比為0.14%，可以看到鋁合金表面氧元素含量在此過(guò)程中還有消耗，并且在能譜中并未發(fā)現(xiàn)組成鈍化膜的其他元素，可能是鈍化膜中元素含量較低且并未達(dá)到儀器檢測(cè)精度。

對(duì)圖2新型堿性前處理工藝下的表面形貌觀察分析，由堿性前處理工藝脫脂后的電鏡圖可以看出，鋁合金表面仍存在些許片狀氧化膜，且刻蝕過(guò)程并不均一，難以形成平整光潔致密均一的表面。由此可見(jiàn)，氫氟酸在對(duì)鋁及鋁氧化膜的刻蝕能力與刻蝕均勻性等方面相較于堿性脫脂確實(shí)具有較大優(yōu)勢(shì)。堿性前處理工藝在摒棄氫氟酸情況下，表調(diào)工序就成為了堿性前處理中非常重要的一道工序，由微觀形貌圖可以看出，表調(diào)后的基材表面只有少量氧化膜，且露出了較為平整光潔的基材表面，非常好地調(diào)整了鋁合金的表面狀態(tài)，可以看到后續(xù)鈍化后的表面形貌也非常平整光潔。微觀形貌對(duì)比可以看出，兩種前處理方式雖然在反應(yīng)過(guò)程中具有一些差異，但是最終的前處理后的表面基本未見(jiàn)明顯區(qū)別，新型堿性前處理工藝在形成平整光潔，性能優(yōu)異的鋁合金表面這一方面上也同樣具有較為突出的能力，基本能夠媲美酸性前處理后的表面狀態(tài)。

2.3刻蝕量計(jì)算

工業(yè)生產(chǎn)中一般會(huì)通過(guò)前處理刻蝕量的計(jì)算來(lái)評(píng)判前處理脫脂的刻蝕能力以及根據(jù)刻蝕量來(lái)對(duì)脫脂槽液進(jìn)行調(diào)整或者補(bǔ)加，所以前處理工藝的刻蝕量在工業(yè)生產(chǎn)中是一個(gè)非常重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，一般以刻蝕量超過(guò)0.3g/m2作為合格標(biāo)準(zhǔn)，0.6~0.8g/m2表示比較優(yōu)秀，表4表示多組試樣經(jīng)兩種前處理后的平均刻蝕量大小，由表可知通過(guò)酸性前處理方式處理后的鋁合金相較于堿性前處理處理后的鋁合金刻蝕能力較大，但刻蝕量基本相差不大，刻蝕量都非常復(fù)合刻蝕量要求。由此可得，堿性前處理工藝同樣具有非常優(yōu)異的刻蝕能力及穩(wěn)定的刻蝕速率。

2.4用水量計(jì)算

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，分別統(tǒng)計(jì)兩種前處理工藝每處理一噸鋁型材所需要消耗的水量，用水量結(jié)果如表5所示，酸性前處理每生產(chǎn)1噸料需要消耗1.23立方米的水，而堿性前處理只需要消耗1.01立方米的水。也就是說(shuō)，堿性前處理工藝對(duì)純水的溢流較小，這也就說(shuō)明堿性前處理對(duì)純水的擴(kuò)容量較大，對(duì)純水電導(dǎo)率的要求更低，同時(shí)槽液氟離子較少也決定了堿性前處理在綜合廢水排放的這方面并不需要大量的純水去對(duì)廢水進(jìn)行稀釋。

2.5性能檢測(cè)

將兩種前處理后的鋁合金進(jìn)行相同條件下的粉末噴涂，對(duì)噴涂后的材料進(jìn)行涂層附著力及耐蝕性的測(cè)試，通過(guò)檢測(cè)粉末噴涂后膜層性能評(píng)判前處理過(guò)程的合格性，針對(duì)噴涂后鋁合金的測(cè)試主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

( 1）附著力：在涂層進(jìn)行劃格實(shí)驗(yàn)后，要求附著力的等級(jí)應(yīng)達(dá)到0級(jí)。

( 2）抗沖擊性：在對(duì)涂層進(jìn)行沖擊試驗(yàn)后，應(yīng)注意觀察涂層有無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，有開(kāi)裂現(xiàn)象則屬于不合格產(chǎn)品，但是在沖擊試驗(yàn)后，是允許四周有小皺紋出現(xiàn)的。

( 3）抗彎曲性：對(duì)涂層進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，要求涂層不能出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

( 4）耐沸水性：將涂層持續(xù)煮沸2小時(shí)后，涂層不能出現(xiàn)裂痕、氣泡和脫落等現(xiàn)象，但允許顏色出現(xiàn)輕微變化。

( 5）杯突試驗(yàn)：對(duì)涂層施加一定的壓力，當(dāng)壓陷深度達(dá)到6毫米厚時(shí)，要求涂層沒(méi)有開(kāi)裂。

( 6）CASS：使用120h銅進(jìn)行老化試驗(yàn)，要求試驗(yàn)完成后的缺陷面積在規(guī)定數(shù)據(jù)內(nèi)。

兩組平行試樣經(jīng)兩種不同前處理后噴涂膜層性能測(cè)試結(jié)果如表6、7所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)新型堿性前處理工藝后的噴涂試樣無(wú)論是在膜層附著性還是在耐蝕性上都達(dá)到了非常高的性能水平，完全符合生產(chǎn)要求及性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，基本不遜色于經(jīng)傳統(tǒng)酸性前處理生產(chǎn)出的粉末噴涂料。

3、結(jié)論

不論是酸性前處理還是堿性前處理工藝，其脫脂及刻蝕性能都非常優(yōu)異且鈍化成膜后表面細(xì)致均一，后續(xù)粉末噴涂膜層的附著性及耐蝕性都能達(dá)到較高的要求標(biāo)準(zhǔn)。

在產(chǎn)品合格、性能達(dá)標(biāo)的前提下，堿性前處理相較于傳統(tǒng)酸性前處理具有以下較為明顯的優(yōu)勢(shì)。（1）具有非常環(huán)保的前處理工藝：堿性前處理工藝在生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有氫氟酸揮發(fā)，能有效改善車間生產(chǎn)環(huán)境，減少了酸霧對(duì)身體的侵害和對(duì)設(shè)備的腐蝕。且堿性前處理工藝產(chǎn)生的綜合廢水只需調(diào)整PH就能達(dá)到直接排放標(biāo)準(zhǔn)，大量節(jié)省廢水處理設(shè)備及人員的投資，降低維護(hù)成本。（2）堿性前處理具有較小的耗水量：堿性前處理工序水洗水可以循環(huán)利用，純水槽僅需要較小溢流量就能滿足正常生產(chǎn)要求。

堿性前處理工藝相較于酸性前處理工藝在綜合性能上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品性能優(yōu)異、高環(huán)保、低消耗、低投資等特點(diǎn)必將讓其成為粉末噴涂前處理工藝的未來(lái)發(fā)展方向。

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