節(jié)能環(huán)保型建筑鋁型材粉末涂裝技術(shù)與應(yīng)用*

朱世安，吳斯忱，徐連軍，王志藝，項勝前

廣東豪美新材股份有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511540

鋁型材具有密度小、質(zhì)量輕、加工性和可塑性強的特點，廣泛應(yīng)用于建筑、家居、裝飾等領(lǐng)域[1-3].我國自2006年起超越美國成為世界上鋁型材產(chǎn)銷量最大的國家[4]，據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會官網(wǎng)統(tǒng)計：2017年世界電解鋁產(chǎn)量約6300萬t，而中國鋁型材產(chǎn)量達(dá)到1950萬t，其中建筑鋁型材約占70%.雖然鋁型材在空氣中能形成一層致密的Al2O3氧化膜且具有良好的自修復(fù)性能，但該氧化膜很薄，對鋁型材的保護(hù)有限，影響型材的使用壽命及美觀[5-7].因此，鋁型材需經(jīng)過一定的表面防護(hù)處理：一方面提高型材的耐磨、耐蝕性能，延長其使用壽命；另一方面改善鋁型材在加工過程中導(dǎo)致的少量表面瑕疵[8]，并提供各種豐富多彩的表面裝飾效果，提高型材的美觀性.

目前，鋁型材的表面處理方法主要有陽極氧化、電泳涂裝和粉末涂裝.這三種處理方法各有優(yōu)勢、各具特色，在市場上均占有相當(dāng)大的市場份額.陽極氧化是利用電解氧化原理，在鋁型材表面形成一層氧化膜的方法.用此法制備的氧化膜具有較高的耐磨性、良好的絕熱絕緣性和抗蝕性能，能滿足大陸氣候環(huán)境中的服役要求[9].典型的硫酸陽極氧化工藝流程包括：機械預(yù)處理、化學(xué)前處理、陽極氧化、著色和封閉等工序.電泳涂裝工藝流程與陽極氧化工藝流程基本一致，區(qū)別在于電泳涂裝在陽極氧化著色工序之后用電泳涂裝工序取代了封閉工序，進(jìn)一步提高了膜層的耐候性和抗腐蝕性，能滿足沿海或海上等苛刻氣候環(huán)境下的使用要求.粉末涂裝是利用電暈放電原理使霧化涂料在高壓直流電場作用下荷負(fù)電，并吸附于荷正電基底表面放電的涂裝方法[10-13].為了提高涂層的結(jié)合力和耐蝕性能，涂裝前通常要對鋁型材進(jìn)行前處理，如鉻酸鹽轉(zhuǎn)化或無鉻酸鹽轉(zhuǎn)化.與陽極氧化和電泳相比，用粉末涂裝工藝制備的涂層的性能如外觀均勻性、耐候性等無明顯的優(yōu)勢，但其耐磨性、耐酸性、柔韌性和裝飾性等明顯優(yōu)于用陽極氧化和電泳涂裝制備的膜層.此外，由于粉末涂裝工藝簡單，在節(jié)能環(huán)保方面具有明顯的優(yōu)勢.陽極氧化的噸電耗可達(dá)1000度左右，陽極氧化、著色和封閉、電泳等工序需使用大量的酸、堿和鎳鹽等，廢水和廢氣后處理壓力大.而粉末涂裝的前處理主要是脫脂與鈍化，能耗主要體現(xiàn)在涂層固化，能耗大幅降低；且粉末涂料不含溶劑，VOC 排放幾乎為0，環(huán)保壓力小，成為具有廣泛應(yīng)用前景的鋁型材涂裝技術(shù)之一.

隨著節(jié)能環(huán)保要求日漸嚴(yán)格，粉末噴涂逐漸向更為節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展.主要表現(xiàn)在以下三方面：首先，不斷涌現(xiàn)出新型涂裝粉末，如環(huán)保型低毒性固化劑、高反射率節(jié)能粉末和自清潔功能性粉末等；其次，綠色環(huán)保無鉻前處理技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用；最后，涂裝過程中余熱利用技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用.本文主要從以上三方面分別闡述粉末涂裝工藝中的節(jié)能環(huán)保技術(shù)及其應(yīng)用.

1 新型粉末涂料

1.1 環(huán)保型低毒性固化劑

目前，常用于鋁型材的粉末涂料為耐候型聚酯粉末涂料，該聚酯粉末涂料大多數(shù)為飽和型的，按其端基的結(jié)構(gòu)可分為端羧基和端羥基兩大類[14-15].常用的粉末涂料固化劑是異氰尿酸三縮水甘油酯，即 TGIC(Tri-glycidyl iso-cyanurate).由于其良好的耐熱(黃變)和耐候性能，固化后產(chǎn)品的光澤度及紋理細(xì)膩，體系均一、穩(wěn)定及可調(diào)，使TGIC成為耐候性聚酯粉末涂料最主要的固化劑.但隨著人們對其毒性，尤其對環(huán)境污染的了解，如口服將產(chǎn)生中等的急性毒性，直接接觸眼睛和皮膚后產(chǎn)生嚴(yán)重的眼刺激和過敏性皮膚反應(yīng)，另外，還存在可能影響男性生育能力，嚴(yán)重危害操作工人，尤其是涂裝一線工人的身心健康，為此，各國相繼開發(fā)了眾多的TGIC替代品.用于鋁合金型材粉末噴涂的固化劑主要是羥烷基酰胺體系(HAA，Hydroxyl alky amide).固化劑TGIC與HAA的工藝特性對比列于表1.二者在節(jié)能方面，HAA固化劑具有低溫固化特性(在130℃即開始固化)，較TGIC固化劑節(jié)能約20%；在毒性方面，HAA系列固化劑基本上對白兔LD50值較大，對白兔皮膚和眼睛的刺激性均屬于正常水平；在工藝性方面，HAA具有優(yōu)異的摩擦帶電性，上粉率高.通過比較兩類固化劑的工藝性和成本，發(fā)現(xiàn)HAA具有明顯的優(yōu)勢.但HAA固化劑也存在明顯的劣勢：首先，涂膜消光相對困難，低于20%光澤度情況下難以保證涂層的力學(xué)性能.其次，涂膜容易產(chǎn)生針孔，尤其在厚涂時，這是由于小分子逸出造成的.第三，過烘烤涂膜易黃變.第四，耐水解性比TGIC略差，但可用與之相匹配的聚酯來解決這一問題.

表1 固化劑TGIC和HAA參數(shù)的對比

HAA粉末固化劑在國內(nèi)的推廣較為緩慢.查閱粉末涂料關(guān)于固化劑的網(wǎng)絡(luò)報道，對于國內(nèi)市場，TGIC固化劑粉末占70%，HAA固化劑粉末占30%；對于全球戶外市場，TGIC固化劑粉末占44%，HAA固化劑粉末占46%，其他份額主要是氨基甲酸酯、丙烯酸和丙三酸.HAA固化劑主要用于進(jìn)口大品牌粉末，如阿克蘇、老虎、杜邦和佐敦，國產(chǎn)品牌如時力、華江及金高麗均很少采用，HAA固化劑粉末的生產(chǎn)商及其用量列于表2.

綜上所述，HAA固化劑的環(huán)保粉具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，但其耐候性、光澤度、耐黃性、耐水解性及膜厚易出針孔等仍需改善.

表2 HAA粉末生產(chǎn)商primid系列粉末及其用量

1.2 高反射率節(jié)能粉末

可使被涂物在太陽光照射下產(chǎn)生溫度調(diào)節(jié)效果的涂料稱為反射涂料.高反射率節(jié)能粉末具有優(yōu)異的耐候性能以及良好的近紅外反射特性，適合戶外建筑應(yīng)用[16]，尤其是需要加強對太陽光或近紅外反射的場合，如建筑物的外墻、屋頂、門窗及大型幕墻單板等.它可以有效地降低建筑物內(nèi)的溫度，減少空調(diào)制冷的能量消耗，同時低的表面溫度將減少涂膜熱膨脹和收縮引起的涂膜彎曲、變形和部分損壞，因此該涂料可延緩?fù)磕ゎ伾?、光澤、彈性及其它一些物理性能的熱老?此外，該涂層還具有節(jié)能降耗作用，特別是在冬天較寒冷的地區(qū)，這種涂層可進(jìn)一步阻礙窗戶內(nèi)外熱量的快速交換.另外，配合斷橋隔熱可使門墻系統(tǒng)達(dá)到很好的隔熱效果.圖1和圖2分別為廣東豪美新材股份有限公司自主研發(fā)的隔熱窗和隔熱幕墻的系列產(chǎn)品.

圖1 隔熱窗 Fig.1 Heat insulation window

圖2 隔熱幕墻Fig.2 Heat insulation wall

1.3 自清潔功能性粉末

自清潔粉末具有良好的耐候性、耐粘污性及自清潔性.自清潔性是指粉塵及水與粉末表面的結(jié)合力低，滾動的水珠可以把一些灰塵污泥顆粒帶走，達(dá)到自我潔凈的效果，實現(xiàn)一塵不染的效果[17]，如圖3所示.粉末的自清潔功能是應(yīng)用了荷葉表面的超疏水性和自清潔效應(yīng)原理，如圖4所示.在涂層結(jié)構(gòu)中引入大分子全氟聚醚和活性納米Al2O3微粒，全氟聚醚的F-C鍵具有很低的表面能與活性納米粒子的小尺寸效應(yīng)，在涂層表面呈現(xiàn)超常的雙疏性.空氣中的無機灰塵一般具有一定極性，在超疏水表面不能形成強烈吸附，極易被雨水沖刷掉.即使涂層表面被有機物吸附，也可以利用納米粒子超強的光催化活性，最終將有機物分解成 CO2，H2O，H2SO4，HNO3等易沖刷物質(zhì).因此，這種粉末能保證涂層表面清潔如新.該粉末涂料一般應(yīng)用于幕墻產(chǎn)品，與自清潔玻璃結(jié)合后可實現(xiàn)整體免清洗功能.

圖3 荷葉自清潔效果 Fig.3 Self-cleaning effect of lotus leaf

圖4 荷葉自清潔結(jié)構(gòu)原理圖Fig.4 Schematic diagram of self-cleaning structure of lotus leaf

2 無鉻前處理

噴涂行業(yè)常用鉻化(六價鉻)前處理生成鈍化膜，來提高產(chǎn)品的耐鹽霧性及基材與涂層的結(jié)合力[18].但六價鉻很容易被人體吸收，它可通過消化道、呼吸道、皮膚及粘膜侵入人體，長期或短期接觸或吸入時有致癌危險.該行業(yè)現(xiàn)正逐步淘汰鉻化前處理工序，用無鉻鈍化技術(shù)替代鉻化處理.目前，無鉻鈍化工藝較多，有鈦鋯鈍化、稀土鹽鈍化、高錳酸鹽鈍化、鉬酸鹽鈍化、鋰酸鹽鈍化、單寧酸鈍化、磷酸鹽鈍化和有機物鈍化等.

經(jīng)試驗，廣東豪美新材股份有限公司最終選用鋯鈦系工藝(鋯鈦系是目前唯一獲得歐洲Qualicoat認(rèn)證的體系)對鋁型材進(jìn)行前處理.該工藝的處理液主要由含鈦、鋯金屬鹽、氟化物、硝酸鹽和有機添加劑組成，通過浸漬、噴淋的方式形成轉(zhuǎn)化膜.膜層主要由鋯鈦鹽、鋁的氧化物、鋁的氟化物及鋯鈦的配合物等組成，與有機聚合物的結(jié)合力強.有鉻鈍化與無鉻鈍化在操作上有些區(qū)別：首先，無鉻鈍化工藝對水質(zhì)要求高，特別是鈍化前水洗和鈍化后純水洗.若鈍化前水洗帶入的除油劑量過高，容易導(dǎo)致無鉻鈍化不穩(wěn)定；另外，鈍化后純水洗若混有鉻離子，附著力也會不穩(wěn)定.其次，鋁型材經(jīng)前處理后應(yīng)保持清潔，避免裸手觸摸，特別不能接觸強氧化性的物質(zhì)或帶有鉻離子的物品，這均會對其附著性造成影響.再次，無鉻前處理膜的耐熱性好，烘干時可適當(dāng)提高溫度，提高生產(chǎn)效率.

目前，無鉻前處理技術(shù)走向大規(guī)模推廣應(yīng)用階段，仍存在一些問題.首先在附著力方面，由于無鉻鈍化產(chǎn)品體系較多，技術(shù)特性參差不齊，部分體系本身存在附著力差的缺陷，也存在因工藝條件苛刻、操作不當(dāng)而導(dǎo)致膜重超標(biāo)后附著力嚴(yán)重下降的情況.其次，產(chǎn)品顏色變化不明顯，現(xiàn)場操作人員在此工藝中難以用顏色變化去判別最終產(chǎn)品質(zhì)量.最后，無鉻前處理的產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)膠不相容比較明顯.美國某結(jié)構(gòu)膠知名品牌測試結(jié)果表明，多個無鉻鈍化產(chǎn)品在抗剝落粘結(jié)性測試中，均出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，因此這兩者間的相容性成為幕墻料推廣無鉻前處理技術(shù)的瓶頸，是現(xiàn)階段本項工藝需突破的關(guān)鍵之一.

3 余熱利用技術(shù)

粉末噴涂過程中的加熱設(shè)備有前處理后烘干爐、預(yù)固化爐及固化爐，前處理液也配有恒溫加熱設(shè)備.前處理后烘干爐的溫度一般為95℃，固化爐的溫度一般為180℃，這兩道工序存在較大的溫差，廣東豪美新材股份有限公司建立了余熱回收系統(tǒng)，即在控制固化爐溫度的前提下，使固化爐的煙氣余熱通入前處理烘干爐，實現(xiàn)固化爐的余熱回收和節(jié)能降耗目的，效果較為明顯.圖5為廣東豪美新材股份有限公司采用立式噴涂生產(chǎn)線的余熱回收利用工藝流程簡圖，該公司利用余熱前后天然氣的噸耗數(shù)據(jù)列于表3.表3顯示，利用余熱后，天然氣噸耗下降26.82%.

1-手動閥 2-過濾器 3-壓力表 4-減壓閥 5-燃?xì)怆姶砰y 6-空/燃比例閥 7-燒嘴 8-膨脹節(jié) 9-手動風(fēng)閥 10-空氣電動執(zhí)行器+蝶閥 11-循環(huán)風(fēng)機 12-換熱器 13-助燃風(fēng)機 14-引風(fēng)機 15-干燥爐 16-固化爐圖5 立式噴涂余熱回收利用簡圖Fig.5 Vertical spraying waste heat recovery and utilization diagram

表3 余熱利用前后天然氣噸耗數(shù)據(jù)

在鋁型材的生產(chǎn)過程中，很多余熱可被利用，如熔鑄爐、均質(zhì)爐及鑄棒加熱爐.余熱利用的范圍也十分廣，如果對煙氣要求不高的可直接用來加熱煙氣，如前處理后烘干爐，還可使用熱交換的方式對陽極氧化熱水槽或宿舍用熱水進(jìn)行加熱等[19].另外，現(xiàn)在大型鋁材廠均使用天然氣，煙氣質(zhì)量好，可更方便地實現(xiàn)余熱利用.總體來說，合理地利用余熱，可使企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗.

4 結(jié) 語

節(jié)能環(huán)保型粉末涂料，如HAA固化劑、高反射率節(jié)能粉末及自清潔功能性粉末，這些產(chǎn)品均對環(huán)境友好，且能大幅降低能源消耗，是今后粉末涂料發(fā)展趨勢之一.無鉻前處理替代鉻酸鹽處理是鋁型材前處理發(fā)展的必然要求，但無鉻轉(zhuǎn)化膜存在附著力不足、工藝條件苛刻、與結(jié)構(gòu)膠相容性差等問題，有待于進(jìn)一步研究.在鋁型材加工行業(yè)，可通過余熱利用實現(xiàn)節(jié)能降耗.