工业涂料可持续预处理的新方式
作者 John D. Watkins，高级科学家；Crystal G. Morrison，企业发展；David R. Luebke，CEO， LumiShield科技有限公司，宾夕法尼亚州，匹兹堡
虽然涂料和底漆技术发展迅速，但近几十年来，预处理技术的发展在很大程度上是递增的。众所周知，传统的磷酸盐预处理很难维护，而且会产生危险废品和废水，处理起来成本高昂。而物理预处理方法（如喷砂处理）则依赖于表面轮廓来实现涂层的附着力，但结果较难保持一致，且处理后的表面会迅速退化。由于表面处理步骤对于任何涂层体系的成功都至关重要，因此新的、创新的预处理是实现性能最大化的重要环节。随着新合金和多金属成分变得越来越普遍，现有预处理技术已不再能满足这类新基材的需求，预处理技术未能随之更迭的缺点也被放大了。应用商一直在寻找成本效益高、性能好的简单的解决方案，一种能够符合法规要求并应用于多种金属的预处理技术将代表着发展的巨大进步。
LumiShield的新型铝基氧化表面处理Lumidize?产品，代表了一种新的预处理技术类型，它对环境负责，同时以低成本最大限度地提高了油漆和粉末涂料的性能。Lumidize是电泳沉积的，使涂层可以高度附着于多种金属表面，是一种理想的涂装表面，涂层将得以以强烈的化学键附着在金属上。与其他预处理方式不同，该工艺适用于多种金属成分和多种涂料类型，一种解决方案可适用于多种情况。一旦应用，氧化铝会为金属表面提供腐蚀保护，使检查和涂料涂覆拥有了充裕的时间。
多金属预处理工艺
通常，表面预处理是金属特有的，它通过化学反应在基材上形成一个薄层。表面反应依赖于非常特定的溶液条件，很难控制和改变。但LumiShield的电泳沉积氧化铝涂层平台可应用于任何金属。由于化学反应是由电流驱动的，因此可以在室温条件下进行，并且断电的溶液中也不含反应性物质。LumiShield工艺采用标准电镀生产线，包括常见的表面清洁和活化步骤以及多次冲洗。对于低碳钢，清洗步骤通常是喷水清洗和电清洗，具体取决于初始表面的清洁度。活化步骤采用普通的酸浸活化，在电镀前去除表面氧化皮。Lumidize工艺本身采用标准电镀槽，在环境操作条件下使用液体循环，并使用不溶性阳极。一旦完成，Lumidize层会被冲洗和干燥以形成最终涂层。这一工艺主要用于低碳钢，在其表面形成一层蓝色的连贯薄膜。放大后，表面呈现“碎玻璃”状。
一旦涂上氧化铝涂层，即使在酸性环境中，钢表面也能提供至少96小时的中等耐腐蚀性能（图1）。与物理制备方法（如抛光或打磨）不同，这意味着涂布有足够的时间来评估表面，必要时进行修复并施涂涂料层，而无需担心点蚀或退化可能导致的完全重涂。
干燥后的氧化铝层形成了理想的表面，具有很强的油漆附着力。天然的表面结构和薄膜，与涂料形成一种化学键合，从而牢固地锚定在金属表面。初始划线附着力测试表明，使用氧化铝对磷酸铁的附着力略有改善。然而，一旦表面暴露在加速腐蚀试验条件下，附着力的差异是巨大的。对于磷酸铁，腐蚀很容易利用涂层中的任何损伤部位或缺陷，仅500小时后，涂层下就会出现广泛的分层、起泡和腐蚀现象。由于Lumidize并不依赖涂料来保持一个完整的阻隔层，即使底钢上有强烈的划痕损伤，腐蚀也无法削弱涂料层，并且在1500小时的中性盐雾暴露下，也几乎看不到划痕蠕变（图2）。
除低碳钢外，氧化铝涂层也已成功应用于不锈钢、铝合金、镀镍钢和镀锌钢等基材上。每种金属在应用条件上都需要有细微的变化，但都是使用相同的溶液和电镀槽进行涂覆的。在每种情况下，都通过电沉积的方式涂覆了一层完整的氧化铝附着层。以铝合金为例，该涂层已应用于2024、7075和6061合金上，并长达2000小时的划线盐雾暴露下（图3），显示出了与电镀三价铬处理方法相同的性能。
它甚至被证明可以将涂层应用到多材料组合上，该组合主要由低碳钢和焊接不锈钢构成。在这种情况下，包括焊缝在内的所有表面都同时进行了完全的涂覆处理，从而消除了每种金属所需预处理的遮盖和变化的麻烦。图4显示了不锈钢的遮罩部分，以说明同时在不锈钢和低碳钢上涂覆的涂层，遮罩线清晰可见。
这种多材料成分测试是LumiShield公司与EpiphanyWater Solutions公司合作进行的工业规模初步演示的一部分。在这次演示中，LumiShield将其工艺成功地从一个控制实验室环境移到了一个100加仑的小型工业试验厂。通过使用定制设计的阳极，LumiShield的涂层成功地应用于低碳钢和低碳钢与不锈钢结合的试验零件上，这些零件在涂漆前静置三天后，未产生退化。它们随后被涂覆上环氧树脂涂层，目前正在进行现场评估测试。在电镀工艺之前，清洁过程采用了工业标准浸泡清洗和酸活化。
DTM涂料预处理的完美未来
直接对金属（DTM）应用对新一代处理方式的需求正在增长。由于单一的有机涂层减少了应用时间和成本，并且在轻量化方面具有巨大的潜在优势，DTM涂料被许多人视为耐腐蚀涂料的未来。近年来，具有增强的物理和防腐蚀性能的新型功能性单涂层涂料得到了长足的发展，而有效的预处理是充分发挥这些涂料潜力的关键之一。作为DTM涂层的一部分，LumiShield的氧化铝预处理工艺可以成为理想的合作伙伴，为工业用功能性涂料提供强大的附着力。
通过在商品聚氨酯面漆上直接应用Lumidize，LumiShield公司已经开始在这一领域显示出光明的前景。传统的聚氨酯涂层被认为对金属的附着力较差，需要一种或多种环氧底漆才能达到最佳性能。有了这种新型的氧化铝预处理工艺，表面可以直接与聚氨酯进行化学键合，来增强附着力，从而能够优于经磷酸盐预处理的传统环氧、聚氨酯涂层。
图中所示的聚氨酯，是一种标准的聚氨酯家具粉末涂料，不具备防腐蚀性能，但根据ASTM D1654标准，在划线面板上进行了500小时的盐雾暴露后，聚氨酯显示出的漆膜剥落情况要少得多。这表明，即使使用未经优化的涂料，也可以在氧化铝上使用单一的DTM聚氨酯涂层来实现优异的耐腐蚀性能。通过在Lumidize和化学密封处理后，白色聚氨酯DTM的附着力进一步得到提高，在1500小时的盐雾暴露后，漆膜也未显示出明显的划痕蠕变（图5）。这表明，随着新一代单涂层涂料的发展，可以对氧化铝层进行化学优化，以获得更好漆膜性能。
总结
总的来说，LumiShield提供了一种新的预处理技术，通过电沉积氧化铝层，该涂层可提高性能，符合当前和未来的法规监管要求，且成本也较低。使用现有的电镀设备和技术，这种涂层可以轻松应用，并且是一种零HAP和零VOC的工艺。镀层的电镀特性大大地提高了附着力，对任何金属表面（包括新合金和多金属组合）的涂施都不产生任何技术障碍。一旦应用，Lumidize会形成一个理想的化学涂料附着力表面，创建一个强大的适合各种涂料施涂到金属面的粘结效果。这种氧化铝层的理想潜在用途是作为新一代DTM涂料的补充。目前，标准的聚氨酯面漆已被证明可直接用于含Lumidize的底漆上，并使其具有更好的附着力，这很可能代表了未来涂料制造商的巨大市场机会。
LumiShield总部位于匹兹堡，正在寻找合作伙伴，他们希望使用新型预处理技术来创造差异化、高性能的产品。我们有兴趣与那些希望为客户提供可持续解决方案的金属表面处理业务和涂料涂装商合作。我们对环境负责任的理念确保了未来的监管合规性，即使法规仍会继续缩紧。当与可持续性涂料和粉末涂料相结合时，LumiShield的预处理技术将有助于各行业的未来防护涂料体系。
了解更多细节，请通过info@lumishieldtech.com联系LumiShield公司。
本文收录在《PCI中文版》杂志2021年2/3月刊中
