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铝材涂漆基础知识漫谈 |
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作者：国典型故障分析协会 Ron Joseph |
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无论是飞机仪表盘还是普通外部用途，预处理对于涂料的成功附着都是至关重要的。
因其极佳的抗腐蚀性，铝是最受欢迎的工业与建筑基材。同时，它也是最难于成功涂漆的基材。自然形成的肉眼看不见、在显微镜下可见的氧化铝薄层覆盖在表面上，提供了对大气腐蚀的惰性。然而，因为这种惰性，油漆与涂料往往不能粘附牢靠。获得良好附着性的窍门是把氧化物清除掉，并马上涂上钝化层，防止氧化物再次形成。这是说起来比做起来容易呀。
铝材的工业化涂漆
建筑上的铝质栏杆、窗户、壁板、车轮和暴露于户外的其它产品必须应用由一系列化学品组成的复杂工艺进行预处理（图1）。 
图1.铝材的转化涂装
脱脂 水清洗 脱氧 水清洗 铬转化 涂层
在这个5步至7步工艺的第一步中，碱溶液对表面进行脱脂，清除掉油脂。接着的第二步至少用一个水龙头进行冲洗，清除掉携带的污染物。第三步含有强酸性溶液（还原剂），将顽固性氧化物去除。接着又是用水冲洗的冲洗步骤（第四步）。在第五步中，在铝材上涂上转化涂料。最为普通的商品名是Alodine (Henkel汉高公司出品)和Iridite (McDermid公司出品)，也应用了化学膜。此工艺常常以化学镀膜而被提及。
在涂敷上转化涂料之后，铝材表面在一个或更多的有水步骤中被冲洗和封闭。在需要有高品质的地方，最后的冲洗步骤包含了脱离子水或反渗透水。
最后，清洁的预处理过的铝材进入一个烤炉中，水被蒸发而使表面干燥。铝材现在为涂漆而准备好了。因为涂料易于分解，所以炉温不应上升到60°C以上。幸运地是，进入烤炉之前的工艺用化学品常被加热，从而当产品离开最后的冲洗步骤时，金属热水槽促进了快速的蒸发。在裂缝、通道等位置，应当用干燥、不含油的压缩空气将停滞水分吹走。
在末道漆常常为装饰性的电镀工业中，转化涂装工艺经常由达到10个的步骤所组成。
抗腐蚀性很重要的军事用和高档商业场合应用的转化涂料必须符合MIL-C-5541 1A标准或“铝材与铝合金的化学转化涂料”3级标准。1A级标准要求转化涂料含有六价铬；但是，因为这种化学品是一种致癌物质，所以在过去几年里行业已大力推行不含铬涂料来预处理铝材。
市场上有几种新产品，一些基于硅氧烷技术。应用它们的清洗步骤可能较少，许多在合适地方被干燥。换句话说，它们不需要在进入烤炉之前作清洗。
许多不同种的有机油漆可以被涂刷在已预处理过的铝材上。在需要长期暴露在外部环境中的建筑业，在铝板与型材和上涂上聚偏氟乙烯(PVDF)层是常见的。美国建筑制造商协会（AAMA）2605-05规定“铝型材与铝板上高性能有机涂料的自主规范、性能要求和测试步骤”，与AAMA 620-02“被涂装建筑铝卷材上高性能有机涂料的自主规范”是两个例子。针对不算苛刻的应用，例如室内，涂装上环氧或聚酯涂料就是常见的。
军队在飞机、坦克和其它由铝材构成的材料上涂漆。例如，在美国空军，经常涂刷一层铬酸锶环氧底漆，再是一层聚氨脂面漆。
军队有着不同的要求。在外表面上它应用环氧底漆，再用抗化学药剂的涂料。
在商用领域，环氧树脂底漆经常与双组分的聚氨脂面漆一起使用。多数油漆制造商为这些市场供应产品。
也有可能在预处理过的铝材上涂烤瓷漆。一些涂料被直接涂到被钝化过的表面上，而另一些则在涂上底漆这后再涂上色漆层。烤瓷漆通过在120℃的温度下固化，但它们具有极佳的耐久性和不褪色性。
25年以来，粉末涂料已经被应用于预处理过的铝材上。在多数情况下，常为环氧树脂、聚酯、TGIC或聚氨脂的粉末涂料被直接涂敷到预处理过的表面上，开始时没有涂底漆。
当铝板或挤出铝型材要用于户外场合，特别是暴露在海洋附近时，建议首先涂上抗腐蚀的底漆。多数用于扶手、长椅、告示牌等的铝板材和型材是以这种方式进行粉末涂装的。令人遗憾的是，在我的经历当中，专业涂装人士并不会总是告诉粉末涂装承包人做出的产品会暴露在户外，特别是靠近海洋。在铝板材和型材被安装好不久，腐蚀就开始了，大片的粉末涂料脱落（见图2）.暴露的金属接着就被腐蚀了。 
图2. 铝材扶手的腐蚀
铝质船舶的涂漆与自助涂漆
存在争论的是，房屋业主和现场刷漆承包人最常问起的问题跟铝材表面的上漆有关。因为没有简单的方法可把铝材上的天然氧化物清除掉，所以这真的是有问题的。自助（DIY）狂热分子和现场刷漆者不能应用刺激性且经常有害的化学品，而这在工业情形下是可以得到控制与应用的。
在水龙头清洗之后，可以用含有肥皂液的强力清洗液对铝材进行脱脂。对于量小的工作来讲，可以通过不含油的抹布和海绵涂敷上化学脱脂剂。水清洗也是相对容易的。尽管表面现在不含油脂了，但顽固又看不见的氧化物仍然存在，工业中应用的化学转化涂料附着不上。
用非金属磨砂纸来磨擦表面也是可能的。对于厚铝板和型材，可以用非金属研磨剂例如粗砂和石榴石，对表面进行喷砂，但这是费时和费钱的。而且，必须尽可能快地涂上底漆，以防止天然氧化物再次形成。用砂纸手工或喷砂对表面进行研磨，为表面带来如图3和图4所示的形状。现在主要是通过机械附着而不是化学粘接来附着上底漆层。在两种附着原理中，化学粘接通常被认为是更好的，但最好的附着来自于两种方法的结合。
如果你需要对铝材作喷砂，就不要应用钢丸；一些研磨剂会在铝材内部残留下来，并会在生锈变色之后形成锈迹。这可能不会导致任何明显的油漆问题，但它至少会损害表面质量。
符合DOD-P-15328 “底漆 (耐洗), 预处理(金属用第117号配方)”规范的乙烯基耐洗底漆是最早于二战期间或之后确定下来的，今天仍然在使用。这种双组分底漆含水少，而所含异丙基醇的量大，以至于美国多数州的空气污染控制机构不再允许其被使用。例如，这种高挥发性有机化合物产品在加利福尼亚被禁止；但从历史来说，它对于为了上漆而预处理铝基材是非常有用的。在上世纪80年代初，当电脑用轻质金属生产在加州硅谷蓬勃兴起时，成千上万加仑的耐洗底漆被用在转化涂料不易于处理的基材中。到80年代中期，该产品被禁止，油漆供应商努力调配水基的同类产品。尽管我从未试过它们，但我相信一些产品确实是满足了DOD-P-15328规范的性能要求的。
要认识到在现有转化涂料之上，都不可以涂上溶剂型或水基耐洗底漆。耐洗底漆必须与铝基材直接接触，否则它们会脱落。而且，涂漆数据单提醒你，干膜厚度必须在8–13微米的范围内。在厚度较薄处，耐洗底漆不会提供腐蚀保护，但在13微米以上处，漆膜有裂开的趋势，使它上方的所有涂料分层。而且，在浓稠的环氧底漆之后，把耐洗底漆涂到已被预处理表面之上，这是令我感到遗憾的经历；当涂料系统在盐喷箱中被测试时，耐洗底漆和环氧树脂之间发生了大面积的起泡。当对没有应用耐洗底漆的涂料系统进行同样测试时，就没有起泡。
明显地，一些新型透明硅氧烷能被应用在现场，据报告它们可产生极佳的抗腐蚀性。一个例子是PreKote X-it,实验室测试结果于2007年4月被分布，而Carpenter化学公司于2006年发表了关于Plaforization涂装的论文。
令人遗憾的是，在现在时候我不知道是否这些产品已经被销售至消费者市场。最近我在已经严重腐蚀的建筑物扶手上用了PreKote X-it，但要公布结果还为时尚早。在初期的实验室测试中，它们通过了1000小时的盐喷实验（ASTM B-117,“盐喷（雾）仪器的操作标准”）。
典型的油漆问题
根据我的经验，扶手和窗户上最为常见的问题归因于型材切断端和锐边（90度弯曲）处漆层不够厚。不可否认的是，因为漆易脱离，所以要沿锐边充分上漆是困难的。例如，如果一个规范要求有366微米的膜厚，那么很可能被测膜厚沿锐边会薄于305微米。当水分沿锐边渗透到漆层中时，就经常开始了腐蚀。氧化铝（白色腐蚀物）在漆层下开始形成，并从基层把漆层抬起。在一段时间之后，常常是几个月而不是几年，腐蚀就在漆膜下蔓延，不断地破坏更多的漆层。最终，问题如此的广泛，以至于所有或多数的油漆分层。
挤出型材通常有着复杂的形状，特别是在铝窗这样的产品上。易受腐蚀初期进攻的区域是内角、裂缝、90度弯曲，甚至更尖的角。当液体油漆和粉末涂料被静电式地涂覆上时，这些裂缝或叫做法拉第骨架的电屏蔽区域，以及漆层就通常不存在了。很明显的，如果这些区域将暴露于腐蚀性环境中，你能预计到腐蚀相当迅速地开始。一旦开始，腐蚀就能在邻近的涂刷良好的漆膜下逐渐起作用，造成腐蚀与脱皮。
油漆问题的另一个常见原因是不合适或不充分的表面预处理。如前面所指，要在铝材上完全沉积上转化涂料可能是困难的。靠金色、琥珀色或含有褐色铬酸盐的转化涂料，可以轻松看到在漆膜上有孔眼，但用新型不含铬酸盐的透明涂料，不可能用肉眼确定漆料涂在了什么地方。
在一些制造工厂里，在涂漆之前没有持续的质量控制（OC），所以当部件到了上漆车间时，油漆工对产品是否已被处理过没有概念。未做处理的部件易于出问题，特别是如果它们暴露于海滨或潮湿的工业环境下时。所以，特别针对透明的预处理涂料，在部件进入喷漆房之前进行质控是至关重要的。透明转化涂料的供应商必须提供令人满意的QC方法。
因为有色和透明预处理涂料薄得要到显微镜下才看得到（一些情况下1-3微米），所以供应商推荐了由基层剥离涂料并测量单位面积下的残余物重量的方法。许多内部质控实验室能执行这些测试，因为它们依靠了腐蚀性化学品、烟罩、四位小数的电子秤和烤炉。训练良好的技师能完成这些测试。
如我已经解释过的，转化涂料工艺由许多步骤组成。除非化学浴槽之间的清洗是彻底的，否则污染物将被从一个槽转移到另一个槽，最后的涂装将是不可信的。当来自最后一步的清洗水被蒸发掉时，来自一个或更多个以前步骤的污染物将保留在表面上。它们经常是可溶性盐，例如氯化物和硫化物。事实上，一些盐可吸湿，从空气吸收水分。如果你在受污染表面涂上油漆系统，即便表面已经被预处理过，盐分也能吸收漆膜下的水分，就可能发生腐蚀。现在你又回到漆膜下逐渐腐蚀的问题了。
涂料时间长了会变脆，可能引起微裂纹。当卷绕涂料被拉伸时，这是尤其可能的。类似地，暴露于强烈紫外光（阳光）的涂料因为光致氧化作用而分解，这在汽车光亮面漆中是特别明显的。这两种情况中的任一种使得水分更易于渗透到涂料中，并迁移至铝质基材中，引起可能的腐蚀。
确定铝材上漆问题的根本原因可能让人感到灰心，因为要确定出精微级预处理薄层的存在是困难的。除非实验室分析知道了要寻找什么，否则这个任务就可能是令人畏缩的。至少，如果你知道涂料含有铬，分析师可对它进行测试，但一些新涂料仍然有专利权的，供应商不会告诉你要去找什么。
复杂的分析技术，例如扫描电子显微镜和能量分散分光镜有时是可用的。原子能显微镜是另一种确定预处理涂料存在的技术，但如果它不起作用，也可以尝试更为复杂的方法。进行这些试验的成本常常随着仪器的复杂度而提升，除非你准备好了要在实验室工作上花费一笔巨款，否则你不可能肯定地确定是否应用了预处理涂料。
总结
在铝材上成功涂刷油漆没有在钢铁上涂刷油漆那么困难。但是，关键一步是预处理。传统含有六价铬酸盐的预处理工艺已被应用三十多年，因为它们的黄色、琥珀色或褐色等颜色而易于识别。随着新型不含铬的透明涂料出现，要完全确定是否涂覆了漆层，或者在正确处理过的表面上是否有孔眼，基本上是不可能的。倘若预处理涂料完全覆盖住了铝基材，很有可能涂漆系统会表现良好。
在铝质扶手和铝窗等产品靠近海洋的地方，例如房屋、度假村和酒店，漆膜厚度必须足够，特别是沿切断端和90度尖角的地方，以防止湿气的进入。油漆供应商应当在产品数据单上提供可接受的干膜最小厚度。图5显示出在90度弯曲处，膜厚明显要薄于远离锐边的位置。当厚度不够时，腐蚀会在水分渗入薄漆膜的地方开始。随后，漆膜下开始腐蚀，甚至把较厚的漆膜也与基层分开。图6显示了在外部90度弯曲处腐蚀的发生，并在漆膜下蔓延。在内部弯曲处，很少有或没有涂料，腐蚀再次开始并蔓延。图7是一个靠近海洋的粉末涂装扶手的显微图，腐蚀在漆膜下蔓延。注意底漆和面漆是如何从表面隆起的。 
图7.粉末涂料从铝扶手脱开时的显微图
英文翻译：面漆 底漆 脱层 铝
斜角联接和切断端也是腐蚀之源。在图8中，注意腐蚀在切割端开始，并接着蔓延开来。
图8
(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(10/11/2008) |
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