铝型材碱蚀添加剂的研制和应用

铝型材碱蚀添加剂的研制和应用
施瑞祥
（广东南海光华铜铝型材厂）

       建筑铝型材大多必须经过阳极氧化或电解着色处理，面前处理中的碱蚀工序是获得良好表面的关键步骤。经碱蚀处理后，可将表面一层自然氧化膜溶解掉，露出基体金属，活化铝材表面；碱蚀溶液在一定浓度和温度下具有很强的腐蚀性，能将表面的挤压纹等缺陷减少或除去，获得平整光滑的表面；碱性溶液都具有一定的除油能力，除油后的铝材再经碱蚀，可进一步除去油污，净化表面。另外，一些要求表面暗光的铝型材经添加某些碱蚀添加剂后，可获得不同粗细的均匀砂面，经氧化着色后色泽均匀、柔和、美观。因此，重视碱蚀操作，加强对于碱蚀添加剂的应用研究，仍然是铝型材表面处理工作者面临的一大任务。
l碱蚀机理
    铝型村进入碱槽后，主要发生如下反应：
    A12O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O         (1)
    2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑    (2)
    2NaAlO2+4H2O=2Al(OH)3+2NaOH      (3)
    2Al(OH)3=Al2O3?3H2O(结成硬块)      (4)

反应(1)可除去铝型材表面的天然氧化膜。该膜层较薄，此反应较快，当槽中有剧烈气泡产生时，可以认为此时氧化膜已除去完全。第(2)步反应虽是碱蚀所必需的，但对于那些挤压纹不太明显，表面已够光洁的铝型材，基体金属溶解得少些为佳。一方面减少金属损耗，避免过量金属溶解，甚至产生过腐蚀，影响最终外观。另一方面大量氢气泡逸出形成碱雾，散布在生产现场空间，污染环境，尤其是一般碱槽均离挤压品堆放处较近，碱雾常常吹落在铝材表面，很快形成粗糙腐蚀斑，直接影响氧化膜的外观质量。
随着溶液中NaAlO₂浓度的升高，逐渐水解产生Al(OH)₃沉淀。在无添加剂的碱液中，当Al⁺³含量超过30g/L时，反应（3）会很快进行而生成大量沉淀，在槽底和加热管上沉积结块，清除十分困难。
2碱蚀的主要方法
铝型材碱蚀处理，目前主要有以下三种方法：
 (1)槽内只加氢氧化钠，不加任何添加剂。此法的缺点是当溶液中Al³⁺含量超过30g/L时会迅速水解聚结；优点是成本低，碱蚀后保持原始型材的清亮表面，而且结块的Al(OH)₃沉淀可卖给化工厂处理，以生产Al₂（SO₄)₃、AlCl3、明矾、冰晶石等化工产品其综合利用的价值高过生产过程中碱的消耗量，如工厂自身组织转化加工，可大大降低生产成本。
 (2)不加任何添加剂，但当槽液中Al³⁺含量偏高时，将碱液抽入备用糟，加入晶种搅拌，以促使溶液中的NaAlO₂水解沉积。
(3)加碱蚀添加剂。该法一方面可使铝型材达到所要求的外观，另一方面出于碱蚀添加剂与Al³⁺形成络合物，往往使Al³⁺达到较高浓度时（如100g/L以上）亦不会从溶液中析出，一旦析出也不会聚结成块，而且呈疏松泥浆状，容另清槽除去。
3碱蚀槽液的配方设计

3.1  NaOH浓度的控制
从反应(1)、(2)、(3)可知，碱蚀槽中必须保持足够高浓度的NaOH，一方面可保证反应(1)、(2)快速进行，另一方面有利于NaAlO₂的稳定。但浓度过高容易产生过腐蚀，使表面状态变坏，同时增加基体金属的溶解损失，一般控制在50～60g/L为好。
3.2  温度的影响
当温度升高时，碱蚀反应加快进行。但温度过高容易产生过腐蚀，如超过70℃，易使氧化着色后颜色变深变暗。另一方面温度太高，工件出槽后容易干涸，在铝材表面形成印痕。但温度太低碱蚀效果差，NaAlO₂也不稳定，提早析出沉淀，一般以50～60℃为好。
3.3粘度的影响
    对添加碱蚀添加剂工艺的一个要求就是必须保证表面的均匀腐蚀，即碱液应该具有很好的整平能力。根据粘膜理论，在金属表面凸峰处，腐蚀产物容易移去，腐蚀速度快；而在凹谷处，腐蚀产物Al³⁺等不易迁移，粘度增大，腐蚀速度降低。由于这种凸凹处腐蚀速率不平衡，才使得最终达到整平的目的。在新配制的碱蚀液中由于Al3+浓度低，溶液粘度低，整平能力差，故碱蚀添加剂中，最好含有一些能增加粘度的物质，如糊精、阿拉伯树胶等。但当生产一段时间后，Al³⁺越来越多，溶液呈增稠趋势，此时加入的碱蚀剂应该减少粘稠剂成分，少加或者不加。如继续按原样添加，溶液越来越稠，虽然在生产过程中最后可以达到平衡点。即带出的Al³⁺与溶入的Al³⁺达到平衡，但此时腐蚀进度明显减慢。另一方面带出量太多，增加物耗，而且太稠的碱液如清洗不好，容易在表面产生花纹。因此应该根据工厂实际生产情况的需要，调整添加剂配方。
3.4  抑垢剂的加入
    抑垢剂大多是些络合剂，诸如葡萄糖酸钠、庚糖酸钠、酒石酸盐、柠檬酸盐、甘油、山梨醇等。由于抑制剂亦与溶液中的Al³⁺络合，降低了NaAlO₂含量，使其不易产生水解而析出，即使析出，由于改变了分子结构形态，亦不至于聚结成硬块。

       目前，国内碱蚀添加剂厂商或工厂生产者片面强调提高抑垢效能，要求Al³⁺含量维持在140g/L以上都不产生沉淀，而且往往以这—指标作为判定碱蚀添加剂优劣的标准。笔者以为，要维持NaAlO₂高含量而不产生沉淀并不困难，但过多地加入抑垢剂，大大增加了碱蚀成本。国产和国外引进的碱蚀剂均要求以NaHO耗量的1/5添加，添加剂的卖价大约是NaOH卖价的5倍以上，所以添加剂的耗用成本与碱耗成本相当，影响其推广使用。事实上，当Al³⁺含量超过100g/L以后，溶液粘度很大，碱蚀效果下降，同时带出损失亦太大，得不偿失。按笔者的经验，认为Al³⁺含量最高达到800～100g/L，不产生大量沉淀结块就可以了。这样可减少添加剂中抑垢剂的份量，降低生产成本，同时又不影响实际使用效果。   
那种将碱蚀添加剂视为就是抑垢剂的观点则更是不可取的。在实际生产过程中，槽底难免有脏污积聚，在生产量大时，往往要求一个月左右清槽一次，所以Al³⁺含量往往不易升到100g/L。以上。
3.5提高腐蚀速度
国内消费者一般要求铝型材表面光亮，越光亮越受欢迎。但国外消费者倾向偏于柔和的色彩，要求碱蚀后表面起砂呈缎面状。为了达到此种效果，添加剂中往往加一些氟化物，为了加快腐蚀速度，也常加入硝酸钠或亚硝酸钠之类物质。
3.6缓蚀作用
前面提到，固然一方面要求通过碱蚀，溶解一层表面金属，减少挤压纹；但另一方面又希望金属损失小些。对于那些手感十分明显的粗糙挤压纹，一般需要较长的碱蚀时间。为了降低金属耗损，避免过腐蚀，在新配槽液中，如果添加剂中含有部分缓蚀剂，会起到一定的作用。但当溶液中Al³⁺逐渐增加，随添加剂的逐步加入溶液越来越稠，此时腐蚀速度自然下降，起到了自缓蚀作用。所以 笔者认为，为了降低成本，碱蚀剂中可不加缓蚀剂。只要合理掌握碱蚀操作，很少会产生过腐蚀现象。

3.7提高清洗性能
在生产过程中，往往会出现型材表面呈舌形花纹，碱蚀出槽后清洗不干净是造成该疵病的原因之一。碱蚀槽中碱浓度太高、碱蚀出槽后停留时间太长或者由于清洗槽中碱量过多，容易造成腐蚀流痕。如在添加剂中加进某些磷酸盐、多聚磷酸盐、少量表面活性剂，可以降低溶液表面张力，增加清洗性能。
3.8加入沉淀剂消除杂质影响
在碱蚀槽中，影响最大的金属离子是Zn²⁺,当Zn²⁺积累到一定量时，铝材表面容易形成白斑或黑点，所以有些碱蚀剂中加入一些硫化物、多硫化物之类的沉淀剂，将杂质离子沉淀掉。
3.9碱雾抑制剂
碱蚀时有大量碱雾逸出，碱蚀槽长且宽，很难用机械抽风的方式消除碱雾，所以常常加入碱雾抑制剂，这对降低能耗、改善操作条件大有裨益，许多厂家正纷纷仿效。
4 结论
1.不要过于强调碱蚀剂的抑垢性能，阻聚抑垢只是碱蚀添加剂的一个目的。
2.碱蚀添加剂的重要作用还表现在整平能力、影响表面碱蚀状态缓蚀降低铝耗以及节约碱耗等几个方面。
3.为了降低成本，合理发挥碱蚀剂的效用，应根据工厂实际生产条件、质量要求、操作情况，设汁和调整配方。碱蚀剂不必千篇一律，力求多品种、多规格，不断开发新的产品以适应铝型材行业发展的需要。