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象，對其在實際生產中的綜合可行性進行研究討論并對比。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要求及性能檢測標準。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，環(huán)保方面，堿性前處理使用過程中無有毒氣體氫氟酸的揮發(fā)，槽液基本無磷無氨氮無重金屬離子，后續(xù)廢水只需調整PH就能符合直接排放標準。耗水方面，堿性前處理工藝相較于酸性前處理對水洗水的純度要求較低，水洗水具有較大的擴容量，需要純水的溢流量較小。由此可見，堿性前處理工藝在綜合性能方面遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)酸性前處理工藝，具有產品性能優(yōu)異、高環(huán)保、低消耗、低投資等特點，是今后粉末噴涂前處理發(fā)展的必然方向。

關鍵詞：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、應用面最廣的金屬材料，可滿足從家居產品到高端科技、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]。隨著鋁合金應用的不斷推廣，這就要求其不但要具有較高的力學性能，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應運而生[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，已經(jīng)廣泛應用于各類鋁合金的表面處理，其中靜電粉末噴涂前處理過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量的關鍵所在[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詬病，所以新型環(huán)保型前處理工藝的使用愈加成為呼應現(xiàn)階段環(huán)保要求的不二之選。對此，本文引進了一種新型環(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。對比探究兩組工藝在實際生產中的生產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脫脂和表面調質除去型材表面油污、臟物、手印痕、輕微擠壓缺陷以及自然形成的氧化膜，實現(xiàn)型材表面干凈平整，然后再通過化學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內專門的前處理藥水廠家提供并已開槽使用。

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)生水解反應生成甘油和相應的高級脂肪酸。

（2）乳化作用：脫脂槽液中的表面活性劑對油脂潤濕、滲透、分散及剝離。

（3）刻蝕機械力：鋁合金基材與酸或堿反應生成氫氣對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發(fā)生溶解反應，達到刻蝕效果。

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

Al₂O₃+6HF→2AlF₃+3H₂O

2Al+6H⁺→2Al³⁺+H₂↑

Al³⁺+3F^-→AlF₃

6F^-+Al³⁺→AlF₆^3-

而對于鋁這種兩性金屬而言，它不耐堿遠甚于不耐酸。只要稍微強一些的堿，就能夠達到更加優(yōu)異的刻蝕效果，然而單純用堿去刻蝕會使得反應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，導致整個前處理工藝不合格，堿性脫脂的主要反應包括：

Al₂O₃+2NaOH→2NaAlO₂+H₂O

2Al+2NaOH+2H₂O→2NaAlO₂+3H₂↑

1.2.1表調的基本原理

表調步驟又可稱為中和出光，是堿性脫脂后獨有的工藝步驟，它的作用是中和鋁合金表面的堿，同時對鋁合金表面產生的偏鋁酸鈉進行溶解，單純溶解掉偏鋁酸鈉其實不難，絡合掉鋁合金表面的鋁離子才是表調處理的核心所在，表調步驟不需要氫氟酸的優(yōu)秀的刻蝕效果，所以在表調中一般只會加入少許氟化物，達到絡合鋁離子的目的，所以整個堿性前處理并不會出現(xiàn)氫氟酸揮發(fā)危害身體、腐蝕設備等問題，大大提高了前處理的環(huán)保性能。

1.2.2鈍化的基本原理

通過化學轉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為：

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

2 綜合性能測試

2.1溶液離子檢測

2.1.1各槽液離子檢測

對實驗所用槽液進行離子檢測，檢測結果如表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及重金屬離子，僅其表調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)的利用氫氟酸對鋁合金進行脫脂刻蝕的酸性前處理工藝，生產過程中不會有劇毒氫氟酸的揮發(fā)，極大改善了車間的生產環(huán)境，減少了酸霧對身體的侵害和對設備的腐蝕。

2.1.1綜合廢水離子檢測

表3為兩種前處理方式的綜合廢水離子檢測結果，堿性前處理后的綜合廢水基本達到了直接排放的標準，其廢水氟離子含量極低，屬于普通固廢，無需添加石灰處理廢水，處理池會自動中和，只需簡單的調節(jié)PH沉淀壓渣，就能達到國家工業(yè)二類水的排放標準，大量減少廢渣的產生。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)產生的廢渣也會對生產造成非常大的影響。顯而易見，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)酸性前處理工藝來說都具有較為明顯的優(yōu)勢，堿性前處理工藝廢水處理排放簡化，能大量節(jié)省廢水處理設備及人員的投資，大大降低維護成本，達到節(jié)能減排的效果，同時廢水回收利用對設備腐蝕較小。

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前處理表面狀態(tài)的影響，可以看出通過傳統(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，僅有少量白色點條狀物在基材表面凸起，這里可能是在酸性脫脂刻蝕過程后殘留下來的鋁的氧化膜，之后經(jīng)過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。

為驗證其表面狀態(tài)的變化，通過能譜對鋁合金表面元素進行測試，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量百分比下降至0.41%，說明酸性脫脂對鋁氧化膜較優(yōu)異的刻蝕能力。圖（c）為酸性脫脂后鋁合金表面白色點條狀物的點掃能譜圖，可以看出脫脂后鋁合金表面出現(xiàn)的白色點條狀物含有非常高的氧元素，質量占比達到了1.17%，這也正印證了脫脂后表面白色點條狀物為鋁的氧化膜這一想法。圖（d）為無鉻鈍化后鋁合金表面面掃能譜圖，氧元素質量百分比為0.14%，可以看到鋁合金表面氧元素含量在此過程中還有消耗，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到儀器檢測精度。

對圖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，且刻蝕過程并不均一，難以形成平整光潔致密均一的表面。由此可見，氫氟酸在對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具有較大優(yōu)勢。堿性前處理工藝在摒棄氫氟酸情況下，表調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。微觀形貌對比可以看出，兩種前處理方式雖然在反應過程中具有一些差異，但是最終的前處理后的表面基本未見明顯區(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刻蝕量計算

工業(yè)生產中一般會通過前處理刻蝕量的計算來評判前處理脫脂的刻蝕能力以及根據(jù)刻蝕量來對脫脂槽液進行調整或者補加，所以前處理工藝的刻蝕量在工業(yè)生產中是一個非常重要的評判標準，一般以刻蝕量超過0.3g/m2作為合格標準，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用水量計算

根據(jù)實際生產情況，分別統(tǒng)計兩種前處理工藝每處理一噸鋁型材所需要消耗的水量，用水量結果如表5所示，酸性前處理每生產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，堿性前處理工藝對純水的溢流較小，這也就說明堿性前處理對純水的擴容量較大，對純水電導率的要求更低，同時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廢水進行稀釋。

2.5性能檢測

將兩種前處理后的鋁合金進行相同條件下的粉末噴涂，對噴涂后的材料進行涂層附著力及耐蝕性的測試，通過檢測粉末噴涂后膜層性能評判前處理過程的合格性，針對噴涂后鋁合金的測試主要內容包括以下幾個方面：

( 1）附著力：在涂層進行劃格實驗后，要求附著力的等級應達到0級。

( 2）抗沖擊性：在對涂層進行沖擊試驗后，應注意觀察涂層有無開裂現(xiàn)象，有開裂現(xiàn)象則屬于不合格產品，但是在沖擊試驗后，是允許四周有小皺紋出現(xiàn)的。

( 3）抗彎曲性：對涂層進行彎曲試驗，要求涂層不能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

( 4）耐沸水性：將涂層持續(xù)煮沸2小時后，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：對涂層施加一定的壓力，當壓陷深度達到6毫米厚時，要求涂層沒有開裂。

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

兩組平行試樣經(jīng)兩種不同前處理后噴涂膜層性能測試結果如表6、7所示，實驗結果表明經(jīng)新型堿性前處理工藝后的噴涂試樣無論是在膜層附著性還是在耐蝕性上都達到了非常高的性能水平，完全符合生產要求及性能檢測標準，基本不遜色于經(jīng)傳統(tǒng)酸性前處理生產出的粉末噴涂料。

3、結論

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致均一，后續(xù)粉末噴涂膜層的附著性及耐蝕性都能達到較高的要求標準。

在產品合格、性能達標的前提下，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。（1）具有非常環(huán)保的前處理工藝：堿性前處理工藝在生產過程中沒有氫氟酸揮發(fā)，能有效改善車間生產環(huán)境，減少了酸霧對身體的侵害和對設備的腐蝕。且堿性前處理工藝產生的綜合廢水只需調整PH就能達到直接排放標準，大量節(jié)省廢水處理設備及人員的投資，降低維護成本。（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，產品性能優(yōu)異、高環(huán)保、低消耗、低投資等特點必將讓其成為粉末噴涂前處理工藝的未來發(fā)展方向。

參考文獻

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