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课堂 | 建筑铝型材研究进展
来源:厦门比艾尔自动化设备有限公司 | 作者:比艾尔 | 发布时间: 2020-04-08 | 310 次浏览 | 分享到:
比较了建筑铝型材3种表面处理的特点，分析了粉末涂装的相对优势。介绍了户外粉末涂料在耐候改进和低温固化2个方面的研究进展。‍
 引言
铝型材具有密度小、质量轻、加工性和可塑性强的特点，广泛应用在建筑家居领域。
在建筑金属型材中，铝型材占比在80%以上，早在2010年我国建筑铝型材年产量就超过了500万t，是世界建筑铝型材第 一生产大国。
铝型材在大气中能自然氧化生成一层致密的Al2O3氧化膜，但是通常情况下这层氧化膜的厚度很薄，很容易受损失去保护作用。
此外，未经表面处理的铝型材外观单一，容易审美疲劳。铝型材的表面处理有两大作用，一是防止腐蚀的发生，有效延长使用寿命;二是可以掩盖铝型材在加工过程中导致的少量表面瑕疵，并带来各种丰富多彩的表面效果，装饰性大大提高。
本文从涂层性能和应用性能两个方面对建筑铝型材3种不同的表面处理方式进行了对比，并且结合粉末涂装的特点，总结分析了作为粉末涂料重要发展方向的耐候性以及低温固化的研究进展情况。
指出粉末涂料的耐候性能还需要进一步提高以扩大应用，同时在烘烤固化环节的能耗需要进一步降低。‍

1.粉末喷涂在建筑铝型材表面处理中的优势
目前铝型材的表面处理主要包括阳极氧化、电泳涂装和粉末喷涂3种。通常完整的阳极氧化工艺流程需要经过机械预处理、化学前处理、阳极氧化、着色和封闭5道工序。
电泳涂装工艺与阳极氧化工艺大体一致，区别在于电泳涂装在阳极氧化着色工序之后用电泳涂装工序取代了封闭工序。
所以经过电泳涂装的铝型材表面其实是阳极氧化膜和电泳涂层的复合膜，又称阳极氧化复合膜。粉末喷涂也需要化学前处理，之后进行静电喷涂粉末涂料。
铝型材的3种表面处理得到的涂膜性能上各有特点。阳极氧化在早期是我国建筑铝型材表面处理的*主要方式，阳极氧化膜具有高的耐磨性、良好的绝热绝缘性能和抗蚀性能，现在仍是铝型材表面处理的主要方式之一。
电泳涂装成熟于日本，日本是个海洋气候国家，四面环海，海盐微粒或者混有海沙的灰泥引起的铝型材腐蚀问题比较突出，阳极氧化处理工艺难以实现这种高腐蚀环境下的有效保护。
电泳涂装具有优异的耐候性和抗腐蚀性，同时外观亮丽，易于清扫，因此得到了迅速发展。美国佛罗里达暴晒试验数据显示，电泳涂装得到的阳极氧化复合膜(5a的保光率)与氟碳涂层相当，色差还小于氟碳涂层。
然而电泳涂装也存在漆膜易划伤的缺陷，此外作为基层的阳极氧化膜韧性差，在机械应力或热应力下容易发生开裂，有报道显示冷封孔的阳极氧化膜只能承受66℃烘烤，在82℃下烘烤只有一半的试样合格。
20世纪90年代初，粉末喷涂开始在我国铝型材的表面处理中规模化应用，近10a来发展迅速。粉末喷涂的性能优势并不明显。
如在外观平整度和涂膜均匀性上不如阳极氧化和电泳涂装、耐候性能介于阳极氧化和电泳涂装之间，但耐磨性、耐酸性和柔韧性明显优于阳极氧化和电泳涂装。
建筑铝型材作为一种半永 久性结构，耐久性至关重要，因而抵抗机械作用与抗老化保持涂膜的完整性和功能性尤为重要。
通常使用的电泳漆是丙烯酸涂料，具有非常优异的耐候性，GB 5237―2008加速耐候性*低级别也要求1000h氙灯老化保光率>80%，*高级别甚至要求4000h氙灯老化保光率>80%;建筑铝型材通用型粉末涂料主体结构是聚酯树脂，其耐候性比丙烯酸略差，GB 5237―2008加速耐候性*高级别也仅要求1000h氙灯老化保光率>90%。
这表明电泳涂装耐候性平均值明显高于粉末喷涂，建筑铝型材的粉末涂装耐候性已经落后于实际需求。
在应用上粉末喷涂优势较大。粉末喷涂可以实现多达几千种色彩和各式各样的纹理装饰效果，这是阳极氧化和电泳涂装所难以达到的。
另外，粉末喷涂环保优势明显。阳极氧化和电泳涂装工艺中，水和电的消耗是相当大的，在氧化工序中，整流机的输出电流可达到8~11kA，电压在15~17.5V(硫酸直流阳极氧化工艺氧化电压一般为12~18V)，吨电耗可达1000度左右。
此外，阳极氧化、着色和封闭工序需使用大量的酸、碱和镍盐等，废水和废气后处理压力大。粉末喷涂前处理工序比阳极氧化前处理工序简便，主要为脱脂与铬化，无需阳极氧化和电泳工序，能耗较低。
粉末涂料不含溶剂，VOC排放几乎为0，环保压力小。铝型材粉末涂装相比阳极氧化和电泳涂装耗电量要少很多。
但是目前主流粉末涂料的固化温度高达180~200℃，其能源消耗仍然不可忽视，降低粉末涂料固化条件是长期发展的趋势。

2.建筑铝型材粉末涂料研究进展
近几年来，国家和社会对环保的要求越来越高，政策导向逐渐限制和减少高能耗高污染的生产工艺使用的趋势十分明显，粉末涂装迎来了发展的良机。
然而，要扩大粉末涂装在建筑铝型材表面处理中的应用，粉末涂装在保持自身应用优势的基础上，提高耐候性弥补性能上的不足同时降低粉末涂料固化温度减少能耗是必经的过程。‍
2.1粉末涂料的耐候性改进
国内外对粉末涂料耐候性有较多研究。在粉末涂料用聚酯树脂合成中，适当加大间苯二甲酸的比例减少对苯二甲酸的用量，以及尽量使用新戊二醇、减少使用或不用乙二醇以保证耐候性，已经得到了行业内的广泛认同。
然而常规的间苯二甲酸替代法存在机械性能变差的问题，目前国内商品化的超耐候聚酯树脂绝大部分采用全间苯二甲酸方案。
而这一类型的超耐候聚酯树脂制备得到的粉末涂层，通常其反冲只能达到20cm，机械性能差是这些超耐候树脂面临的共同问题。
在各种类型的粉末涂料中，氟碳粉末涂料的耐候性能*佳，可达到超耐候的要求。巩永忠等对氟碳粉末涂料及其关键原材料氟碳树脂进行了长期研究。
目前PEVE氟碳粉末的加工性能已经大大改善，使用与常规粉末涂料相同的设备和工艺制备得到的FEVE氟碳粉末涂料通过了QUALICOAT―2009Ⅲ和AAMA2605―2005认证。
固化温度也降低到了180~200℃，机械性能和附着力都不存在应用问题。然而FEVE氟碳树脂加工工艺复杂，价格昂贵限制了其的应用。
为降低成本，国内粉末涂料厂家在常规粉末涂料中引入部分氟碳树脂，通过拼用或层分离的技术制得耐候性优异的粉末涂料，在降低成本的同时提高了氟碳树脂的润湿性能和机械性能。
魏育福等在TGIC固化粉末涂料中引入6%~17%的FEVE氟碳树脂，制备得到的粉末涂料仍具有非常优异的耐候性，其1000h氙灯老化保光率在90%以上。
张云伟通过环氧粉末涂料与氟碳粉末涂料干混，通过环氧树脂与氟碳树脂表面能差异实现1次涂装之后的分层，实现了重防腐和超耐候，制备的涂层2000h氙灯加速老化后保光率仍有90%以上。
高庆福等将TGIC固化聚酯树脂与异氰酸酯固化氟碳树脂拼用制得复合型超耐候粉末涂料。
研究表明当聚酯树脂与氟碳树脂的质量比为1∶1时其QUV-B 1000h人工加速老化保光率还有60%以上，可很好地实现耐候性和成本的均衡，而同等试验条件下聚酯树脂粉末涂料的保光率只有19.1%。
通过引入新的耐候性单体，改善聚酯树脂主体结构的耐候性也是可行的方案。
Chang等发现，使用不含苯环的单体1,2-环己烷二甲酸或1,3-环己烷二甲酸、1,4-环己烷二甲酸和2,2,4,4-四甲基-1,3-环丁烷二醇为主体合成的聚酯树脂，与羟烷基酰胺在约177℃/20min下固化制得的涂膜具有非常优异的耐候性。
其50%保光率的QUV-B老化时间均在1500h以上;二元酸采用1,2-环己烷二甲酸的50%保光率的QUV-B老化时间甚至达到了5000h，而常规聚酯树脂制备的涂膜50%保光率的QUV-B老化时间在300h以下。

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