节能环保型建筑铝型材粉末涂装技术与应用*

朱世安，吴斯忱，徐连军，王志艺，项胜前

广东豪美新材股份有限公司，广东 清远 511540

铝型材具有密度小、质量轻、加工性和可塑性强的特点，广泛应用于建筑、家居、装饰等领域[1-3].我国自2006年起超越美国成为世界上铝型材产销量最大的国家[4]，据中国有色金属工业协会官网统计：2017年世界电解铝产量约6300万t，而中国铝型材产量达到1950万t，其中建筑铝型材约占70%.虽然铝型材在空气中能形成一层致密的Al2O3氧化膜且具有良好的自修复性能，但该氧化膜很薄，对铝型材的保护有限，影响型材的使用寿命及美观[5-7].因此，铝型材需经过一定的表面防护处理：一方面提高型材的耐磨、耐蚀性能，延长其使用寿命；另一方面改善铝型材在加工过程中导致的少量表面瑕疵[8]，并提供各种丰富多彩的表面装饰效果，提高型材的美观性.

目前，铝型材的表面处理方法主要有阳极氧化、电泳涂装和粉末涂装.这三种处理方法各有优势、各具特色，在市场上均占有相当大的市场份额.阳极氧化是利用电解氧化原理，在铝型材表面形成一层氧化膜的方法.用此法制备的氧化膜具有较高的耐磨性、良好的绝热绝缘性和抗蚀性能，能满足大陆气候环境中的服役要求[9].典型的硫酸阳极氧化工艺流程包括：机械预处理、化学前处理、阳极氧化、着色和封闭等工序.电泳涂装工艺流程与阳极氧化工艺流程基本一致，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，进一步提高了膜层的耐候性和抗腐蚀性，能满足沿海或海上等苛刻气候环境下的使用要求.粉末涂装是利用电晕放电原理使雾化涂料在高压直流电场作用下荷负电，并吸附于荷正电基底表面放电的涂装方法[10-13].为了提高涂层的结合力和耐蚀性能，涂装前通常要对铝型材进行前处理，如铬酸盐转化或无铬酸盐转化.与阳极氧化和电泳相比，用粉末涂装工艺制备的涂层的性能如外观均匀性、耐候性等无明显的优势，但其耐磨性、耐酸性、柔韧性和装饰性等明显优于用阳极氧化和电泳涂装制备的膜层.此外，由于粉末涂装工艺简单，在节能环保方面具有明显的优势.阳极氧化的吨电耗可达1000度左右，阳极氧化、着色和封闭、电泳等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.而粉末涂装的前处理主要是脱脂与钝化，能耗主要体现在涂层固化，能耗大幅降低；且粉末涂料不含溶剂，VOC 排放几乎为0，环保压力小，成为具有广泛应用前景的铝型材涂装技术之一.

随着节能环保要求日渐严格，粉末喷涂逐渐向更为节能环保的方向发展.主要表现在以下三方面：首先，不断涌现出新型涂装粉末，如环保型低毒性固化剂、高反射率节能粉末和自清洁功能性粉末等；其次，绿色环保无铬前处理技术的研发与应用；最后，涂装过程中余热利用技术的研发与应用.本文主要从以上三方面分别阐述粉末涂装工艺中的节能环保技术及其应用.

1 新型粉末涂料

1.1 环保型低毒性固化剂

目前，常用于铝型材的粉末涂料为耐候型聚酯粉末涂料，该聚酯粉末涂料大多数为饱和型的，按其端基的结构可分为端羧基和端羟基两大类[14-15].常用的粉末涂料固化剂是异氰尿酸三缩水甘油酯，即 TGIC(Tri-glycidyl iso-cyanurate).由于其良好的耐热(黄变)和耐候性能，固化后产品的光泽度及纹理细腻，体系均一、稳定及可调，使TGIC成为耐候性聚酯粉末涂料最主要的固化剂.但随着人们对其毒性，尤其对环境污染的了解，如口服将产生中等的急性毒性，直接接触眼睛和皮肤后产生严重的眼刺激和过敏性皮肤反应，另外，还存在可能影响男性生育能力，严重危害操作工人，尤其是涂装一线工人的身心健康，为此，各国相继开发了众多的TGIC替代品.用于铝合金型材粉末喷涂的固化剂主要是羟烷基酰胺体系(HAA，Hydroxyl alky amide).固化剂TGIC与HAA的工艺特性对比列于表1.二者在节能方面，HAA固化剂具有低温固化特性(在130℃即开始固化)，较TGIC固化剂节能约20%；在毒性方面，HAA系列固化剂基本上对白兔LD50值较大，对白兔皮肤和眼睛的刺激性均属于正常水平；在工艺性方面，HAA具有优异的摩擦带电性，上粉率高.通过比较两类固化剂的工艺性和成本，发现HAA具有明显的优势.但HAA固化剂也存在明显的劣势：首先，涂膜消光相对困难，低于20%光泽度情况下难以保证涂层的力学性能.其次，涂膜容易产生针孔，尤其在厚涂时，这是由于小分子逸出造成的.第三，过烘烤涂膜易黄变.第四，耐水解性比TGIC略差，但可用与之相匹配的聚酯来解决这一问题.

表1 固化剂TGIC和HAA参数的对比

HAA粉末固化剂在国内的推广较为缓慢.查阅粉末涂料关于固化剂的网络报道，对于国内市场，TGIC固化剂粉末占70%，HAA固化剂粉末占30%；对于全球户外市场，TGIC固化剂粉末占44%，HAA固化剂粉末占46%，其他份额主要是氨基甲酸酯、丙烯酸和丙三酸.HAA固化剂主要用于进口大品牌粉末，如阿克苏、老虎、杜邦和佐敦，国产品牌如时力、华江及金高丽均很少采用，HAA固化剂粉末的生产商及其用量列于表2.

综上所述，HAA固化剂的环保粉具有节能环保的优点，但其耐候性、光泽度、耐黄性、耐水解性及膜厚易出针孔等仍需改善.

表2 HAA粉末生产商primid系列粉末及其用量

1.2 高反射率节能粉末

可使被涂物在太阳光照射下产生温度调节效果的涂料称为反射涂料.高反射率节能粉末具有优异的耐候性能以及良好的近红外反射特性，适合户外建筑应用[16]，尤其是需要加强对太阳光或近红外反射的场合，如建筑物的外墙、屋顶、门窗及大型幕墙单板等.它可以有效地降低建筑物内的温度，减少空调制冷的能量消耗，同时低的表面温度将减少涂膜热膨胀和收缩引起的涂膜弯曲、变形和部分损坏，因此该涂料可延缓涂膜颜色、光泽、弹性及其它一些物理性能的热老化.此外，该涂层还具有节能降耗作用，特别是在冬天较寒冷的地区，这种涂层可进一步阻碍窗户内外热量的快速交换.另外，配合断桥隔热可使门墙系统达到很好的隔热效果.图1和图2分别为广东豪美新材股份有限公司自主研发的隔热窗和隔热幕墙的系列产品.

图1 隔热窗 Fig.1 Heat insulation window

图2 隔热幕墙Fig.2 Heat insulation wall

1.3 自清洁功能性粉末

自清洁粉末具有良好的耐候性、耐粘污性及自清洁性.自清洁性是指粉尘及水与粉末表面的结合力低，滚动的水珠可以把一些灰尘污泥颗粒带走，达到自我洁净的效果，实现一尘不染的效果[17]，如图3所示.粉末的自清洁功能是应用了荷叶表面的超疏水性和自清洁效应原理，如图4所示.在涂层结构中引入大分子全氟聚醚和活性纳米Al2O3微粒，全氟聚醚的F-C键具有很低的表面能与活性纳米粒子的小尺寸效应，在涂层表面呈现超常的双疏性.空气中的无机灰尘一般具有一定极性，在超疏水表面不能形成强烈吸附，极易被雨水冲刷掉.即使涂层表面被有机物吸附，也可以利用纳米粒子超强的光催化活性，最终将有机物分解成 CO2，H2O，H2SO4，HNO3等易冲刷物质.因此，这种粉末能保证涂层表面清洁如新.该粉末涂料一般应用于幕墙产品，与自清洁玻璃结合后可实现整体免清洗功能.

图3 荷叶自清洁效果 Fig.3 Self-cleaning effect of lotus leaf

图4 荷叶自清洁结构原理图Fig.4 Schematic diagram of self-cleaning structure of lotus leaf

2 无铬前处理

喷涂行业常用铬化(六价铬)前处理生成钝化膜，来提高产品的耐盐雾性及基材与涂层的结合力[18].但六价铬很容易被人体吸收，它可通过消化道、呼吸道、皮肤及粘膜侵入人体，长期或短期接触或吸入时有致癌危险.该行业现正逐步淘汰铬化前处理工序，用无铬钝化技术替代铬化处理.目前，无铬钝化工艺较多，有钛锆钝化、稀土盐钝化、高锰酸盐钝化、钼酸盐钝化、锂酸盐钝化、单宁酸钝化、磷酸盐钝化和有机物钝化等.

经试验，广东豪美新材股份有限公司最终选用锆钛系工艺(锆钛系是目前唯一获得欧洲Qualicoat认证的体系)对铝型材进行前处理.该工艺的处理液主要由含钛、锆金属盐、氟化物、硝酸盐和有机添加剂组成，通过浸渍、喷淋的方式形成转化膜.膜层主要由锆钛盐、铝的氧化物、铝的氟化物及锆钛的配合物等组成，与有机聚合物的结合力强.有铬钝化与无铬钝化在操作上有些区别：首先，无铬钝化工艺对水质要求高，特别是钝化前水洗和钝化后纯水洗.若钝化前水洗带入的除油剂量过高，容易导致无铬钝化不稳定；另外，钝化后纯水洗若混有铬离子，附着力也会不稳定.其次，铝型材经前处理后应保持清洁，避免裸手触摸，特别不能接触强氧化性的物质或带有铬离子的物品，这均会对其附着性造成影响.再次，无铬前处理膜的耐热性好，烘干时可适当提高温度，提高生产效率.

目前，无铬前处理技术走向大规模推广应用阶段，仍存在一些问题.首先在附着力方面，由于无铬钝化产品体系较多，技术特性参差不齐，部分体系本身存在附着力差的缺陷，也存在因工艺条件苛刻、操作不当而导致膜重超标后附着力严重下降的情况.其次，产品颜色变化不明显，现场操作人员在此工艺中难以用颜色变化去判别最终产品质量.最后，无铬前处理的产品与结构胶不相容比较明显.美国某结构胶知名品牌测试结果表明，多个无铬钝化产品在抗剥落粘结性测试中，均出现剥离现象，因此这两者间的相容性成为幕墙料推广无铬前处理技术的瓶颈，是现阶段本项工艺需突破的关键之一.

3 余热利用技术

粉末喷涂过程中的加热设备有前处理后烘干炉、预固化炉及固化炉，前处理液也配有恒温加热设备.前处理后烘干炉的温度一般为95℃，固化炉的温度一般为180℃，这两道工序存在较大的温差，广东豪美新材股份有限公司建立了余热回收系统，即在控制固化炉温度的前提下，使固化炉的烟气余热通入前处理烘干炉，实现固化炉的余热回收和节能降耗目的，效果较为明显.图5为广东豪美新材股份有限公司采用立式喷涂生产线的余热回收利用工艺流程简图，该公司利用余热前后天然气的吨耗数据列于表3.表3显示，利用余热后，天然气吨耗下降26.82%.

1-手动阀 2-过滤器 3-压力表 4-减压阀 5-燃气电磁阀 6-空/燃比例阀 7-烧嘴 8-膨胀节 9-手动风阀 10-空气电动执行器+蝶阀 11-循环风机 12-换热器 13-助燃风机 14-引风机 15-干燥炉 16-固化炉图5 立式喷涂余热回收利用简图Fig.5 Vertical spraying waste heat recovery and utilization diagram

表3 余热利用前后天然气吨耗数据

在铝型材的生产过程中，很多余热可被利用，如熔铸炉、均质炉及铸棒加热炉.余热利用的范围也十分广，如果对烟气要求不高的可直接用来加热烟气，如前处理后烘干炉，还可使用热交换的方式对阳极氧化热水槽或宿舍用热水进行加热等[19].另外，现在大型铝材厂均使用天然气，烟气质量好，可更方便地实现余热利用.总体来说，合理地利用余热，可使企业实现节能降耗.

4 结 语

节能环保型粉末涂料，如HAA固化剂、高反射率节能粉末及自清洁功能性粉末，这些产品均对环境友好，且能大幅降低能源消耗，是今后粉末涂料发展趋势之一.无铬前处理替代铬酸盐处理是铝型材前处理发展的必然要求，但无铬转化膜存在附着力不足、工艺条件苛刻、与结构胶相容性差等问题，有待于进一步研究.在铝型材加工行业，可通过余热利用实现节能降耗.