铝卷材辊涂及其生产工艺

余泉和

(福建南平铝业有限公司，福建南平 353000)

铝卷材辊涂及其生产工艺

余泉和

(福建南平铝业有限公司，福建南平 353000)

介绍了铝卷材辊涂涂装的生产工艺。对铝卷材涂装生产线机列运行速度、二辊涂装和三辊涂装、涂层的厚度控制及烘烤固化和冷却方式等进行了介绍和比较;并对铝卷材辊涂技术提出采用喷淋、快干水溶性涂料、低温脱脂、无漂洗的方法及自动控制生产线是今后涂装工艺发展方向。

辊涂;生产;铝卷材;厚度

引 言

铝卷材涂装产品具有装饰性强、耐候、耐蚀、抗污及加工成型性好等优点，广泛应用于建筑幕墙、铝塑复合板、高档建筑屋面、屋顶、门窗、天花板、各类灯具、车船壳体、容器(包括罐头盒)及食品包装等方面［1］。随着铝卷材涂装产品应用范围的不断扩大，市场对铝卷材涂装产品需求也不断增加，彩色涂层铝板生产线的数量日益增加，产量稳步上升，生产技术水平也不断提高，花色品种日新月异。

铝卷材涂装的目的是通过涂装施工，使涂料在铝卷材表面形成牢固的连续涂层而发挥其装饰、防护和特殊功能等作用。铝卷材经涂装处理后，涂料覆盖在其表面，形成一层具有耐腐蚀作用的牢固附着的连续涂层，使铝卷材基体与腐蚀介质隔离，从而防止或减缓因腐蚀而引起的损坏。

经过涂装处理的铝卷材，可直接加工成型，做成各种部件，组装或安装后便是成品，而不需要再进行涂装处理。使由传统的铝薄板制品先加工成型，然后再进行涂装处理的工艺，改变成铝卷材先涂装处理，然后加工成型的工艺。大大简化了金属薄板制成成品总的生产工艺过程，最后成品的成本可降低3% ～15%［2］。

卷材涂装从20世纪中期起发展到目前，都以辊涂为主。铝卷材彩色涂层的生产，由精密涂装机在经过前处理的铝卷材表面均匀涂布相同厚度的涂料，匀速进入带有排气装置的烘箱，采用红外线或热风循环式烘烤工艺进行固化，在特定温度下，交联成膜，得到具有一定厚度的完整涂膜。

辊涂涂装是以涂装辊作为涂料的载体，涂料在涂装辊表面形成一定厚度的湿膜，借助涂装辊在转动过程中与被涂物接触，将涂料涂覆在被涂物的表面。辊涂适宜于平面状金属板的涂布，尤其适合于金属卷材的高速涂装。辊涂具有涂装速度快，生产效率高，可正、反面同时涂布、涂料利用率接近100%等特点［1-2］。但辊涂只适应平面涂装，不适应其他形状的被涂物，由于辊涂机采用统一的涂料循环输送、回收系统，涂料的投入量大，不适宜多品种、小批量生产;涂料是在涂装辊表面以湿膜形式转移至被涂物表面，溶剂挥发快，辊涂过程中涂料黏度容易产生变化，若工艺条件控制不当，涂膜容易产生辊痕。

1 铝卷材辊涂工艺

1.1 工艺流程

铝卷材经过清洗、化学转化处理和涂装，在卷材上形成各种颜色和性能的涂层。铝卷材采用先进的辊涂工艺进行涂装处理，采用红外线或热风循环式烘烤工艺进行烘烤。其工艺流程为:开卷→前处理→辊涂→后处理→收卷。

1.2 生产程序

1.2.1 开 卷

铝卷材辊涂生产线的开卷是通过开卷机实现的。涂层机组开卷机为悬臂式，作用是张紧和支承带卷，通过旋转运行将卷材打开或卷成卷，在机列运行过程中建立带材张力和进行对中。

铝卷材开卷之后，通过喂料板传递给夹送辊，由夹送辊送料到切头剪，切去料头后，铝卷材进入粘合机或缝合机进行接带(薄带粘合，厚带进行缝合)。接缝须通过碾平辊平展后，将带材送入预处理段。涂层机列通常有两台活套塔，由于涂层工艺段生产必须连续进行，而入口、出口有上卷、下卷时的停顿，故此时带材运行由入口、出口活套塔来进行调节。为了保证生产线的正常稳定运行，开卷机的张力必须根据卷材的宽度和厚度，调整其张力系数，使卷材张紧。

1.2.2 缝 合

卷材缝合主要是通过机械冲压方法在垂直带材的方向对前后两带材的头尾进行缝合，使生产连续化。铝卷材缝合的方式一般分为焊接、粘接或机械缝合。常见的缝合方式是机械缝合。缝合必须迅速，以保证工艺段正常运行。如果缝合时间太长，将造成生产线停车，停车后带材在烘烤炉停留的时间较长，涂层表面会产生漏涂、过烘烤或擦划伤等缺陷。

缝合好的卷材通过牵引带把要涂敷的坯料引入涂层生产线。其长度必须大于整个生产线的长度，这样才能穿过生产线。牵引带不能有明显的折痕、裙边、裂边或波浪等明显缺陷，以防止划伤或断带，造成停车漏涂。

1.2.3 机列运行速度选择

机列运行速度是根据铝卷材的规格和涂料品种确定的。选择机列运行速度应遵循以下基本原则:

1)根据基材的厚度。铝卷材δ在0.2 mm以下的薄料易产生折伤;δ在1.0 mm以上的铝卷材易出现断带，宜采用低速生产。

2)根据烘烤炉的长度。炉温一定时，烘烤炉越长，生产速度就越快;反之就越慢。

3)根据涂料的品种。聚酯和环氧树脂在涂料盘内流动性较好，表面不易产生桔皮、条纹或亮条等缺陷，可选择较快的生产速度。氟碳涂料在涂料盘内流动性相对较差，表面易产生桔皮、条纹、亮条等缺陷，宜采用较慢的生产速度。

4)根据基材的宽度。一般情况下，铝卷材宽度大于涂辊宽度的90%时，卷材两侧易出现漏涂，应采用较慢的生产速度;带材宽度小于涂辊宽度的90%，则可采用较快的生产速度。

1.3 铝卷材涂装前处理

通过化学清洗剂和化学转化溶液，将铝卷材表面的油污、杂质清除干净，使铝卷材表面形成一层化学转化膜，有效地保证涂层的附着质量。

铝卷材脱脂常用的是酸性清洗剂。酸性清洗剂由混酸与铝酸复配而成。脱脂后需对铝卷材进行中和、出光处理，以进一步清理表面细小金属杂质，使表面光亮、洁净。

铬酸盐处理液在铝卷材表面转化成以铬酸盐为主要组成的化学转化膜。这种转化膜通过内在分子的引力与金属铝结合在一起，不仅有良好的耐蚀性能，而且给涂料提供了良好的附着基础，是有机涂层的良好底层。

铝卷材辊涂前处理主要方式有单独分机成线处理和连续一体成线处理两种。前者是前处理与涂料涂装、固化工序单独分机的，后者是前处理与涂料涂装、涂料固化工序连续一体。按转化膜处理工序则可分为喷淋式、浸渍式和无漂洗式三种［3］。

喷淋式前处理是将药剂加压后通过喷嘴喷向铝卷材表面，它除了在药液与铝表面发生化学作用外，还有机械冲击作用，处理效率高，处理时间相对较短，可通过调整喷淋压力来调整作用程度。一般来说，喷淋式前处理的效率是浸渍式前处理的3倍。高速辊涂生产线的前处理均采用喷淋的方式进行。但喷淋式前处理的缺点是喷嘴容易堵塞，造成喷淋不均，影响处理质量。

浸渍式前处理是将铝卷材直接浸渍在药剂中，和处理液发生接触反应，接触面完全，但反应时间相对较长，一般应用在低速涂装或低速单独分机处理的生产线中。

无漂洗式前处理是处理后无需用水漂洗的一种工艺，其优点是能够使用同种药剂处理多种卷材，且无废水排放的问题［4］，它代表着卷材前处理工艺的主流。目前国内已有多条新建或正在筹建的铝卷材涂装生产线选用了无漂洗前处理工艺。

无漂洗前处理工艺的关键是将处理药剂均匀地涂覆到铝表面上，烘干成膜。要达到这一要求，可以使用辊涂机或喷淋-挤干法进行处理。这两种方法各有优缺点。

目前国内外上规模的铝卷材辊涂生产线的前处理工序均与涂料涂装、涂料固化等连续一体成生产线，这样的生产线生产连续、速度快效率高，质量容易控制。但设备投资大，自动化程度要求高。一般连续铝卷材涂装生产线均采用喷淋或无漂洗辊涂，或者喷淋和无漂洗辊涂二者兼备的工艺。

1.4 辊 涂

辊涂是铝卷材涂装生产的核心部分，其设备包括辊涂机、烘烤炉和冷却系统。通常采用正、反两面同时涂装的二涂二烤工艺，即涂底漆(初涂)→烘烤→冷却→涂面漆→烘烤→冷却。根据产品要求不同，还可以是一涂一烤或只涂单面。

辊涂机是利用涂辊将涂料涂布在铝卷材上，常用的有二辊涂装工艺和三辊涂装工艺。

1.4.1 二辊涂装工艺

二辊涂装常见的有顺涂和逆涂两种方式，主要区别是涂料的传递比不同。顺涂在等速转动的情况下，涂辊上只有50%的涂料传递到卷材表面，因而漆膜较薄;逆涂在同等条件下，涂辊上的涂料可接近100%地进行传递，漆膜相对较厚。二辊顺涂适用于底漆及膜较厚的涂层。比较而言，顺涂不易伤辊;涂装时涂辊易带出涂料，但涂层表面质量不如逆涂方式，涂膜厚度也小于逆涂方式，一般应用于印刷、亲水箔等对漆膜要求很薄的产品上［1］。二辊逆涂适用于底漆、背漆及面漆膜厚度较薄的涂层。相对顺涂而言，逆涂较易伤涂辊，换辊频率较高，涂层表面质量优于顺涂方式，涂膜厚度大于顺涂方式。逆涂方式则主要用于工业、民用建材等领域，这里主要介绍二辊逆涂的工艺要求。

1)辊间间隙的调整。二辊涂装的辊间间隙是指挂料辊与涂辊、涂辊与卷材之间的间隙，当辊子转速、涂料黏度一定时，铝卷材表面漆膜厚度与表面质量受辊间间隙的影响。

辊间间隙主要是通过调整辊间压力来实现。一般情况下，在铝卷材表面漆膜厚度与表面质量发生变化时，要对辊间间隙作调整。漆膜厚度偏低时，可适当加大辊间间隙，减少辊间压力，但调整量应适当，否则间隙过大会使漆膜表面产生流平纹或厚度不均。反之，则应适当减少辊间间隙，加大辊间压力，但调整过大，会使漆膜厚度过薄，并使涂辊受力加大而影响涂辊的使用寿命，所以调整辊间间隙时，要根据漆膜的厚度要求、涂辊及铝卷材上漆膜表面的流平情况进行适当调整。

2)辊速比的调整。在其它工艺操作条件不变时，辊速比决定辊间传递涂料量的多少，可有效控制湿膜厚度，涂辊与挂料辊相对于铝卷材运行速度加快，单位时间涂覆量就增加，漆膜增厚，降低辊速，漆膜变薄。二辊逆涂时，涂辊转速高于铝卷材运行速度，挂料辊转速低于铝卷材运行速度，铝卷材漆膜厚度主要通过调节涂辊转速进行控制，涂辊与挂料辊的转速比要匹配，如转速比过高，在漆膜上易产生横条纹，转速比过低则易产生竖条纹。

1.4.2 三辊涂装工艺

主要用于漆膜较厚的面漆涂装，适用于要求漆膜δ大于20 μm的氟碳涂料及部分高光聚酯涂料。

三辊涂装增加了计量辊，涂料分散更均匀，涂料传递比例更大，适用于氟碳涂料和溶胶等高黏度的涂层。辊间剪切力大，对辊子损伤较大，辊子安装、清洗及换辊较为复杂，涂膜可涂厚度范围宽。三辊方式配置中，由于增加了计量辊，涂料的传递比较二辊涂装大，使漆膜易于满足涂厚膜的要求。漆膜厚度主要由上料辊控制，计量辊与涂覆辊、上料辊的转速差较大，使上料辊、涂覆辊上的涂料分布更均匀、致密，漆膜表面优于二辊涂装。

三辊配置中，三辊涂覆通过调节计量辊与上料辊、上料辊与涂覆辊间的压力，使上料辊表面涂料高度均匀。辊间压力过大，会造成漆膜厚度不够，表面不均，易发花，涂辊受压力过大易发热，磨损变形;辊间压力过小，会造成漆膜不够，易形成条纹或流痕。在实际生产中，在确保上料辊上涂料均匀的前提下，辊间压力越小越好。采用三辊涂装，由于转速比及辊间压力较大，使涂料受到的剪切力较大，故在涂装时，涂料易产生温度升高引起黏度降低的现象。此时，可适当加快涂料在涂料盘中的流动速度，并使回流的涂料另装桶，待温度正常后再使用。

操作中需根据涂料的特点，选择不同的涂覆方式。同时，根据漆膜的质量状况进行辊间间隙、压力及辊速比的调整，最终以获得质量合格的漆膜。

1.4.3 辊涂中涂膜厚度的控制

1)涂覆辊硬度与涂膜厚度的关系。涂覆辊硬度高，适用于涂薄膜，涂厚膜时容易产生竖向条纹。硬度稍低的涂覆辊适用于厚、薄两种涂膜层。用在底涂、背面涂等膜层较薄且换色较少的涂装时，一般选择不易受损伤的高硬度辊子。涂覆辊硬度高，对涂膜厚度控制进行微调困难，硬度低，则微调容易进行。

2)涂覆辊的直径与涂膜厚度的关系。使用同一涂料进行作业，涂覆辊直径不同，可相应调整涂料的黏度。当涂覆辊直径小时，需将涂料黏度设定得高些。因为即使表面硬度相同，由于胶辊胶层的厚度，表面的弹性也会受到影响。

3)上料辊的影响。涂装作业时，通过上料辊从涂料托盘把涂料均匀地转移到涂覆辊上。为了改善上料性，采用一些特殊的辊子作为上料辊，这些辊子的表面进行了钝化加工或陶瓷喷镀，表面经过研磨的辊子通常使用在对外观质量要求严格的产品生产上［1］。

1.5 烘烤固化和冷却

1)铝卷材辊涂的固化原理和方式。涂膜的固化是将涂覆在铝卷材表面的液体涂料经烘烤完成固化的物理或化学过程，使之转化成符合要求的干膜。涂料主要是靠溶剂挥发、树脂熔融、缩合及聚合等物理或化学作用而成膜。由于对铝卷材表面涂层综合性能要求相对较高，一般都采用高温烘烤对涂料进行固化，俗称烤漆。成膜方式一是靠挥发溶剂，然后涂料树脂熔融的物理过程成膜，如PVDF氟碳涂料，此类涂料均是热塑性的;二是靠缩合、聚合的化学反应变化过程成膜，如聚酯涂料等，此类涂料的成膜物质分子中的官能团受热或在固化剂催化作用下发生交联固化反应，形成网状结构的高分子化合物，此类涂料是热固性的［4-5］。

铝卷材涂辊固化方式有空气浴对流加热和辐射加热固化两种。

空气浴对流加热是通过热空气对流，对涂有涂层的铝卷材进行加热固化。热风循环固化是利用热空气作为载热体通过对流的方式将热量传递给铝卷材涂层，使涂层得到固化。其特点是加热均匀，温度控制精度高，对溶剂的挥发和涂料树脂熔融或聚合反应成膜的固化速率比较适宜，是涂层质量要求高的理想固化方式，也是目前铝卷材烘烤的主要方式。辐射加热固化存在溶剂挥发不均匀等缺点，在铝卷材涂装上较少应用。

涂膜的烘烤固化通常使用悬浮式烘烤型固化箱，采用气垫或活动吊环，使铝卷材在贯穿整个炉子的过程中不接触任何东西。固化炉中的热量足够使溶剂挥发而又不使有机涂料碳化。为了分别固化底漆和面漆，一条生产线上至少有两个固化炉，其结构完全一致。

2)烘烤温度。一般每个固化炉分三个区，每个区的温度可单独控制。涂膜在固化炉内的固化过程中，铝卷材的温度随着时间而变化，通常分为升温、保温和冷却三个阶段。

在升温段，涂覆后的涂料溶剂95%在此时段迅速挥发，容易达到浓度爆炸极限，因此特别需要在此段加强通风。升温时间根据涂料溶剂沸点进行选择，溶剂沸点高，升温时间宜短以加速溶剂挥发，但需预防溶剂挥发不均匀，涂层表面产生气泡等缺陷。

涂层达到所要求的烘干温度后，持续的过程称为保温段。在这一阶段，主要是使涂层起化学作用而成膜，但也有少量溶剂蒸发，需要热量和通风，并补充新鲜空气。

涂层温度从烘干温度下降，这段时间称为固化冷却时间，一般指铝卷材通过固化炉出口段区域的时间。在这一阶段，带材温度开始下降，基本无溶剂挥发，不需要抽排气。

3)烘烤温度的检测与控制。铝卷材辊涂烘烤温度的测量通常使用炉温跟踪仪、红外线测温仪和测温纸等［4］。炉温跟踪仪可以准确测量铝卷材和炉内气体的温度变化情况，得出炉温跟踪曲线。红外线测温仪随时可以测量铝卷材的温度。测温纸在生产中比较常用，它既可以测量铝卷材在炉内的峰值温度，也可以选择性地测量铝卷材横断面不同位置的温度。

固化炉温度经常出现初、精涂炉各区炉气不平衡，温度不匹配，造成某区超温而另一区低温的现象。为了保证固化炉安全和涂膜性能，可通过调整固化炉各区风门，使炉内气流达到平衡状态，从而保证各区温度的稳定性。

1.6 收 卷

收卷是通过卷取机完成的。在辊涂生产线上常用的是带张力卷筒的卷取机。这种卷取机通常是在冷状态、带有张力的情况下卷取辊涂后的铝卷材。其卷筒能够使铝卷材在卷取过程中保持张力，确保铝卷材在收卷过程中板面平直，方向稳定，不抖动。

在开始卷取时，为了使片头易于绕在卷取机的卷筒上，常采用专用的辅助装置，习惯上称为助卷器。新式辊涂生产线的卷取机都装有助卷器。当铝卷材的料头通过卷取机的卷筒时，液压油缸先将助卷器推向卷取机的卷取轴，并用助卷片带将卷取轴紧紧包住。铝卷材的料头从助卷片带和卷取轴之间的缝隙中通过，借助卷取机的旋转将铝卷材料头紧紧缠绕在卷取轴上，铝卷材在卷取轴上缠绕数圈后，料头就牢固地缠绕在卷取轴上，并建立起卷取所必须的前张力。

2 铝卷材辊涂的发展方向

目前铝卷材辊涂涂层质量主要按照YS/T 431-2000铝及铝合金彩色涂层板、带材标准进行验收［6］。随着经济建设的发展，对铝卷材涂装产品的市场需求量将会继续增加，对花色品种的需求会越来越多，对质量特别是使用寿命的要求也会进一步提高，这将促使铝卷材涂装产品向多样化、高级化发展。另外，随着世界能源与资源紧张情况的加剧，以及工业污染的日趋严重，对铝卷材涂装工艺在能源与资源的节约上也提出了新的要求，铝卷材涂装，尤其是预处理的污染问题也愈来愈引起人们的关注。面临这种情况，铝卷材辊涂技术今后将在以下几个方面进一步开展工作，以取得更大的发展。

在预处理上，对常规喷淋预处理系统，要力求多采用自动控制装置，通过对处理溶液的监控来提高效率、节约药剂。为了节约能源将进一步研究低温脱脂方法、低温脱脂剂及低温磷化方法。为了消除公害，将继续开展预处理密封系统的研究，使预处理及废水处理在一封闭系统中完成。另一方面探索并推广无铬化学转化处理方法。

在涂料方面，将加强快干水溶性涂料的研究，以减少稀释溶剂的使用，适应高速机组的要求。同时研制高涂层质量、高效能以及功能性的涂料，改进涂膜的致密性、加工性、耐腐蚀性和某些特殊的性能要求。

在工艺路线上面临着对传统转化处理方法与就地干燥无漂洗方法的选择与组合。对于廉价的预处理自动监控装置的研究也在进行中。

我国铝卷材涂装工业发展迅速，已经从不同国家引进了涂装生产线。同时，在引进的基础上依靠自己的力量研发出了具有相当水平的设备。今后应当加强企业、行业之间的协作、交流引进工作中的经验，研究解决存在的问题，尽快消化吸收引进技术，共同提高。应系统深入地研究国外铝卷材涂装技术，结合我国国情，确定发展方向和开发领域，促使我国铝卷材涂装技术迅速赶上世界先进水平。

［1］肖佑国，祝福君.预涂金属卷材及涂料［M］.北京:化学工业出版社，2003:1-29

［2］张中.铝塑复合板［M］.北京:化学工业出版社，2005:17-77.

［3］朱祖芳.铝合金阳极氧化与表面处理技术［M］.北京:化学工业出版社，2010:317-337.

［4］王强松.铝带涂层生产工艺［J］.有色金属加工，2005，34(1):22-24.

［5］夏范武.热固性氟碳树脂在卷材涂料及铝单板涂料中的应用［J］.涂料工业，2006:(2):34-41.

［6］YS/T 431-2000，铝及铝合金彩色涂层板、带材［S］.

Production Technology of Roller Painting for Aluminum Coil

YU Quan-he

TQ639.2

B

1001-3849(2011)09-0031-05

2010-03-25

2011-05-05