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科研成果

環境友好型金屬表面涂裝前處理轉化膜—產品工藝

作者 :    來源 :    發表時間 : 2020-09-04    瀏覽次數 :

    一、研究背景

    金屬腐蝕所造成的年損失量遠遠超過水災、火災、風災和地震(平均值)等損失的總和。中國工程院重大咨詢項目“我國腐蝕狀況及控制戰略研究”報告顯示,2014年我國的腐蝕造成的直接損失達21000億,占當年國民生產總值的3.34%。在眾多的腐蝕防護技術中,金屬工件的噴漆涂裝是目前最廣泛使用和最有效的防腐蝕技術之一,其中涂裝前的表面預處理則是涂裝工藝中不可或缺的一道工序,預處理層(又稱化學轉化膜或涂裝底膜)的主要作用是:(1)抑制金屬工件表面微電池的形成,減緩腐蝕反應的速率;(2)提高金屬基體與涂裝層之間的附著力,使涂裝層與金屬工件構成一個結合緊密的整體結構,從而達到在苛刻的腐蝕環境中延長涂層使用壽命的目的。

目前鋼鐵制件(涉及汽車、家電、機械制造等多個行業)在電泳涂漆、靜電噴塑之前,工業界普遍采用磷化處理工藝在其表面形成磷酸鹽轉化膜(簡稱磷化膜),用以提高整個涂裝系統的耐腐蝕性能。磷化膜業已成為涂層不可或缺的良好底層,不經磷化或者磷化效果不好均無法保證涂裝質量。根據國家統計局和產業信息網提供的統計數字,2014年金屬表面處理行業實現的銷售收入達2348.63億元,其中與磷化有關的企業占據半壁以上的江山。然而,磷化工藝也存在諸多問題,除能耗高、維護成本高(易在管壁及管道內結渣,須定期檢修處理)之外,廢液、廢渣的大量排放造成了嚴重的重金屬污染、富磷污染、廢渣污染、廢水污染。目前全國范圍內多個省市正在重拳整治“小亂散污”企業,其中與磷化相關的金屬前處理企業名列其中,長三角和長江流域地區甚至明確提出“限磷”和“無磷”的目標和具體措施。

但須注意到,傳統的工程金屬或合金的涂裝防護技術是建立在磷化膜處理技術基礎上的,磷化膜與高檔涂層之間的配搭已經成為這些行業固有的思維模式,在性能更好、價格更合理、操作更方便的環保型新產品和新工藝出現之前,僅僅依靠集中整治和行政命令實難以實現徹底取締污染性磷化企業的目標,特別是對那些高產值、支撐性的大企業而言。隨著科技的不斷進步和公眾環保意識的日益提高,只有在成膜理論和成膜工藝上實現新突破,研發出能真正能替代磷化膜的產品及相關工藝,才能徹底根治磷化工藝帶來的污染。我們課題組研制新型環境友好化學轉化膜產品及發展綠色成膜工藝的目的就是為了徹底取代污染性的磷化膜產品,實現金屬涂裝界的新舊動能轉換。

    二、項目方案

本產品是以金屬螯合化反應原理在金屬表面形成螯合物為主的無機-有機雜化膜。新型雜化膜產品選取含有多個官能團的天然無毒的植物提取物(如植酸、單寧酸等)作為主成膜劑,利用它們對金屬離子(如鈣、鋁、鋅、鈦離子)超強的螯合作用,實現了在水溶液中直接在金屬基體表面以自組裝的方式成膜,成膜物質利用率高,從成膜的源頭解決了沉渣產生的技術難題,而且膜的厚度可在亞微米到微米范圍內進行調制。雜化膜產品在成膜理念和成膜工藝上均具有原創性,科學意義重大。該產品不僅綠色環保,而且膜層的耐腐蝕能力明顯優于傳統磷化膜,其附著力性能也與磷化膜相當,因此雜化膜的應用更具經濟效益和社會價值。值得一提的是,新一代無磷、無氮的雜化膜產品已經在山東青島和煙臺、浙江嘉善等地試用成功,2020年將會有更多的企業使用該產品。

(一)技術優勢

首先以列表的形式(參見表1)比較了雜化膜產品在環保、性能和成本三方面的技術優勢。需特別說明的是,雜化膜裸膜的防腐性能明顯優于磷化膜、硅烷轉化膜和鋯化轉化膜,非常適用于在苛刻條件下的金屬表面防腐預處理。


1、雜化膜產品的技術優勢


磷化液

硅烷鋯化

雜化膜

環保

方面

廢液沉渣多,引起污染環境

有少量沉渣,須定期更換槽液,有廢液排放

以吸附方式成膜,無廢液沉渣的排放,是環保型產品

性能

方面

防腐性能:良

附著力:優

防腐性能:差

附著力:優

防腐性能:優

附著力:優

成本

方面

處理成本:

0.25-0.35/2

但環保成本日益攀升

使用成本:

0.18-0.25/2


使用成本:

0.1-0.15 /2



金屬工件的表面處理工藝如圖2所示:

2:處理工藝


1)雜化膜產品同時適用于噴淋、浸泡與涂抹的作業方式,由于裸膜耐蝕性強,積水處不會返銹,故停線時間長。

2)雜化膜產品的成膜工藝流程與磷化工藝流程基本一致,因此現有磷化企業的生產設備不需要進行大的改動,從而節約了生產設備的一次性投資。同時由于減少了磷化工藝所必須的表調工序,使用起來更加方便、更加節能。

3)與硅烷鋯化工藝相比,使用雜化膜產品可以處理帶銹需酸洗的工件,適用范圍更廣。

4)不含鉻、不含亞硝酸鹽、不含一類重金屬,無沉渣和廢液排放,環保性好。

5)成膜溶液穩定,在室溫下操作即可,不易受外界溫度和氣候變化的影響。

6)當成膜溶液pH高于4時,需補充濃縮液,將pH調節到3.6即可。

(二)項目成熟度

2012年起,山東大學研究團隊就開始從事水相中自組裝成膜的研究。研究伊始,研究團隊就確定了以解決金屬表面處理過程中磷酸鹽污染和鉻酸鹽污染問題為宗旨的研究目標,到目前為止,已經申請并獲批10余項國家發明專利,產品的推廣從最初的嘗試性試用與技術服務逐漸發展到目前的廠家正式使用,迄今已經被全國10余家企業認可,在國內了逐漸形成了以分子自組裝成膜為特色的成膜新技術、新工藝。其中,鋼鐵表面處理劑產品的主要性能指標接近國外名牌產品(漢高、凱密特爾、帕卡公司)的技術指標,值得一提的是對需要酸洗的鋼件制件的表面處理優于國外同類產品。

    (三)合作方式

技術轉讓、許可、技術服務等

    三、市場前景

現有的雜化膜產品非常適合于冷軋板、熱軋板和各種碳鋼涂裝前的表面預處理。通過調整成膜添加劑也可用于鍍鋅鋼和鋁合金工件的表面預處理。

適用的行業包括:

    (1)汽車及零部件行業(包括農用車、摩托車、自行車、農機等);

2)普通工業(包括機械、冰箱、冰柜、空調、各類電器等)

3)建材行業(包括各類門業、炊具、健身器材)

4)鋁合金(包括鑄鋁、型材、鋁板等)。

在汽車、家電、機械制造、建材等關系國計民生的眾多行業中,化學轉化膜是金屬制件在涂裝之前一道必不可少的處理工序。目前,國家倡導綠色發展與磷化企業涉污排放之間的尖銳矛盾使得傳統磷化產品與工藝面臨巨大困境。相比之下,雜化膜產品因其在環保理念、成膜工藝、成本和質量方面的優勢,已經顯現出非常廣闊的市場前景和發展空間。一旦該產品占據金屬表面預處理的主流市場,將在很大程度上緩解汽車、家電、機械制造等行業在金屬表面防腐處理方面面臨的環保壓力,促進行業的綠色發展,這樣無形中將會帶來更大的社會價值。

如果一個企業有良好的銷售團隊和技術服務團隊,很容易達到超過億元的銷售額。

四、聯系人

趙老師 13031720570(同微信)

鄭老師 15768149143



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