穿条式铝合金隔热型材不同表面处理方式对横向拉伸性能的影响

供稿|牟雪萍，江源，李勇 / MOU Xue-ping, JIANG Yuan, LI Yong

内容导读

对穿条式铝合金隔热型材的基材以及经过阳极氧化、电泳涂漆、喷粉和喷漆等不同表面处理方式的隔热型材分别进行室温横向拉伸实验，研究了不同的表面处理方式对穿条式隔热型材的横向抗拉特征值的影响。实验结果表明，经表面处理的穿条式隔热型材的横向抗拉特征值均高于基材。

铝合金型材是指用铝合金材料通过一定的压力加工方法和热处理制度制得的具有一定形状和力学性能的型材，若这种铝合金型材专为建筑行业应用，称为铝合金建筑型材。铝合金型材具有强度高、重量轻、耐磨性和装饰性较好等特点，是用于制作铝合金门、窗和幕墙等的重要材料，在现代建筑中得到广泛应用[1]。铝合金隔热型材是以隔热材料连接铝合金型材而制成的具有隔热功能的复合型材[2]。采用铝合金隔热型材制作的门窗，可以显著降低空调和暖气供给过程产生的废气对环境的污染，起到隔热节能的环保效果。按复合方式的不同，隔热型材分为注胶式和穿条式。其中，穿条式通过开齿、穿条、滚压，将聚酰胺型材穿入铝合金型材穿条槽口内，并使之被铝合金型材咬合的复合方式。为克服铝合金表面性能方面的缺点，延长使用寿命并符合不同的设计和防护要求，通常将铝合金建筑型材进行表面处理[3]。

隔热型材作为一种复合材料，其复合性能是影响产品质量的重要因素。复合性能评价的指标主要包括纵向抗剪特征值、横向抗拉特征值、高温持久载荷横向拉伸实验及热循环实验等[2]。目前国内外对隔热型材的研究主要集中在隔热条的材质、含水率、型材截面类型和隔热材料的保温效果等[4-5]。笔者从铝合金隔热型材的表面处理方式的不同为出发点，以横向拉伸实验为分析手段，研究不同的表面处理方式对穿条式铝合金隔热型材横向拉伸性能的影响。

试样制备

试样选用牌号为6063、状态为T5的铝合金建筑型材，型材截面形状如图1所示。在复合成隔热型材之前，将铝合金型材分成若干批，按不同的生产工艺分别进行一系列表面处理，获得阳极氧化型材、电泳涂漆型材、喷粉型材和喷漆型材；将这些铝合金型材采用同种隔热胶、同一工艺进行复合，加工成穿条式隔热型材。经固化处理后，从型材的两段和中间分别取样，中间部分的数量不少于三段，切割成为长度为(100±2) mm的试样，每组10个试样，用于室温横向拉伸实验。

为保证样品的均匀性，所取样品均来源于同批原料。型材所对应的化学成分如表1所示。

表1 铝合金建筑型材化学成分表(质量分数，%)

实验

状态调节

在实验前应先将试样进行状态调节，调节条件为室温(23±2)℃、相对湿度为50%±10%的环境条件下放置48 h。

室温横向拉伸实验

实验夹具按GB/T 28289—2012“铝合金隔热型材复合性能实验方法”标准中规定的实验装置进行设计[6]，如图2所示。隔热型材的室温横向实验在(23±2)℃温度下进行，按照GB/T 28289—2012标准要求将试样夹好，首先以5 mm/min的速度，加至200 N的预载荷，然后再以5 mm/min的速度进行横向拉伸实验，直至出现最大荷载。每组实验10个试样，实验后计算横向抗拉特征值。

结果与讨论

结果

对不同表面处理的穿条式隔热型材进行了室温横向拉伸实验，不同表面处理的隔热材的10个试样其实验结果及横向抗拉特征值如表2所示。

表2 不同表面处理的穿条式隔热型材横向拉伸实验结果(单位：N/mm)

从表2可以看出，穿条式隔热型材的基材在室温横向抗拉特征值为87 N/mm，而经过表面处理方式为阳极氧化、电泳涂漆、喷粉和喷漆的隔热型材，其横向抗拉特征值分别为95、96、104和92 N/mm，均高于基材的特征值。

讨论

由实验结果可以得出，基材的室温横向抗拉特征值低于经过阳极氧化、电泳喷涂、喷粉和喷漆等四种不同种类表面处理的穿条式隔热型材，均符合标准要求(不低于24 N/mm)。从表面处理方式来看，铝合金建筑型材表面处理方式有阳极氧化、电泳涂漆、喷粉和喷漆四种，这四种处理方式得到阳极氧化膜、阳极氧化电泳涂漆复合膜和静电喷涂层三种类型的表面处理膜。将铝合金表面处理膜分为阳极氧化膜和有机聚合物膜[6]来进行分析。

◆ 阳极氧化膜的影响

阳极氧化膜是以铝合金为阳极并置于电解液中，利用电解作用在铝合金表面形成保护性阳极氧化膜。在阳极氧化工艺过程中，阳极氧化膜自金属铝基体共格生长形成，并均匀附着在铝合金建筑型材上，与铝合金界面及隔热条界面产生一定的化学吸附力、附着力和表面张力，对隔热型材的横向抗拉性能起到一定的影响。

◆ 有机聚合物膜的影响

高聚物涂层是金属通过表面化学预处理，在进行电泳、喷涂或涂辊等工序处理使铝合金表面涂覆一层具有保护性的有机高分子聚合物材料膜。高聚物涂层包括阳极氧化电泳涂漆复合膜、静电粉末喷涂聚酯、氟碳漆喷涂膜。

铝合金阳极氧化膜上的电泳涂漆及铝合金化学转化处理后的静电喷涂都是目前形成表面有机聚合物的工艺技术。铝合金的电泳涂漆一般是在铝阳极氧化膜的表面进行的，作为底层的阳极氧化膜，其阳极氧化工艺与常规阳极氧化相同，因此可以将电泳涂漆处理看作阳极氧化膜的一种有机聚合物封孔工艺过程。铝阳极氧化膜的电泳涂漆一般采用聚丙烯酸树酯的阳极电泳涂料，带负电荷粒子在直流电的作用下向异性电极(阳极氧化的铝合金)泳动，带负电荷的水溶性树脂在铝合金阳极上析出，从而沉积在铝合金阳极的阳极氧化膜表面。再由于电渗透作用使得电泳沉积层的含水量显著减少，最后漆膜的水含量减少到大约5%~15%左右，然后可以直接烘烤使树脂固化得到电泳漆膜层。

电泳涂漆是一种非常复杂的电化学反应，包括电泳、电沉积、电渗和电解四个同时进行的经典过程。电泳涂漆成膜过程的核心是电沉积反应，以水溶性羟酸盐为例，强酸铵盐离解为羧酸根和铵离子，在大约150 V外加电压下，由于电沉积过程中阳极氧化膜的微孔中产生的氢离子，与电泳涂漆溶液中的羧酸根在阳极表面，即铝合金阳极氧化膜的表面发生中和反应生成羧酸的有机高聚物沉积膜。

建筑用铝合金的喷粉或液相喷漆通常采用静电喷涂技术，包括粉末静电喷涂和液相静电喷涂。静电喷涂典型的工艺流程为型材上架后，经过脱脂、水洗、酸洗等化学转化处理后，再经过水洗、干燥后，进行静电喷涂，最后进行固化和包装等工艺。目前，对于涂层中颗粒与基体表面之间的结合通常认为有三种，即机械结合、冶金-化学结合和物理结合。建筑铝型材喷粉的涂料基本成分为饱和型聚酯树脂、固化剂、各种溶剂、颜料和填料等。在一定温度和固化剂的作用下，树脂本身的活性官能团发生交联作用，生产相对分子量较大的交联结构，从而形成三维网状结构的有机聚合物喷涂膜。

液相静电喷涂俗称静电喷漆，其特点是喷涂效率高、涂膜均匀、表面平滑，作为铝型材四种表面处理技术之一的喷漆是典型的液相静电喷涂工艺，液相喷涂的涂料是一种液相物质，将其涂布在金属基材的表面上，经过烘烤固化处理后，形成具有强附着力的固态漆膜，且氟碳基料的化学结构中以氟-碳化学键相结合，这种具有短键性质的结构与氢离子结合形式是至今为止认为最稳定、最牢固的结合，因此具有较好的耐腐蚀性、耐候性、耐磨损型、耐渗透性、较高的强度及柔韧度。

综上所述，高聚物涂层形成所使用的涂料皆为高分子材料，电泳涂料采用丙烯酸阳极电泳涂料，喷粉涂料由热固性树脂或热塑性树脂组成，氟碳涂料由氟碳树脂、丙烯酸树脂和有机溶剂组成[7]；隔热胶条的材料为聚酰胺隔热条，即玻璃纤维增强的尼龙66，因此在高聚物涂层形成的工序中，会导致部分涂料与同为高分子材料的聚酰胺的胶条发生化学键的交联，使其结合牢固，在进行横向拉伸实验时，会因结合力的增大而导致横向抗拉特征值的增大。因此，通过实验结果来看，一定程度的表面处理可以适当提高穿条式隔热型材的横向拉伸性能。

结束语

对基材和经阳极氧化、电泳涂漆、喷粉和喷漆表面处理的穿条式铝合金隔热型材进行了室温横向拉伸实验。通过研究发现表面处理方式对穿条式隔热型材横向拉伸性能有比较大的影响，在生产前应对表面处理膜与隔热胶条的相容性情况进行充分了解；经阳极氧化、电泳涂漆、喷粉和喷漆等表面工艺处理的穿条式隔热型材其横向抗拉特征值均高于基材的；对基材进行适当方式的表面处理可以提高穿条式铝合金型材的横向抗拉特征值。