铝阳极氧化_电泳的水洗技术.pdf

67经验交流铝阳极氧化、电泳的水洗技术姚宏辉1,张昭强1,神取享司2(1.湖南经阁铝业科技股份有限公司,湖南 长沙 410126;2.爱铝美克斯株式会社,日本 东京)摘 要 水洗对于铝阳极氧化(含电泳)车间而言是一个十分重要的过程,水洗过程的好坏对化学溶液的抗污染、加工件的品质稳定、资源节约与环境保护等具有直接的影响。水洗的好坏与水质、水处理、水洗方式和水洗设备等具有密切的关系,也与干燥等辅助手段有关系。介绍了国内外阳极氧化(电泳)车间的水洗技术情况。关键词 铝阳极氧化;电泳;水洗中图分类号 TQ153.6文献标识码 B文章编号 1001-1560(2007)09-0067-04收稿日期200704090 前 言在铝阳极氧化(含电泳)等表面处理车间,各种(电)化学反应都是在(电)化学反应槽中进行,而水洗过程从原理上讲并非十分复杂,因此现场管理往往十分注意各反应槽的管理与维护工作,而忽略了水洗的重要性。查看国内外文献1,2,关于(电)化学反应槽本身的文献十分丰富,而关于表面处理水洗的文献较少。经验表明在表面处理车间的工艺管理中,(电)化学反应液的维护与管理固然十分重要,但水洗过程不充分同样也是导致表面处理品质不良以及表面处理生产线难以稳定生产的一个主要原因。实际上水洗过程具有举足轻重的作用。通常表面处理车间的水洗过程主要有以下几方面积极的意义3。一是防止反应液交叉污染。当工件前工序处理完毕进入下一工序前,为了不把前一工序的药品带入到下一工序、影响下一工序的组成时,实施水洗作业(相反,当前工序的成分不会影响下一工序时可以简化或者省去水洗过程)。二是产品自身品质的要求。当处理溶液残留在产品表面将影响到产品性能以及商品价值时,必须进行水洗。三是水洗技术的好坏也影响到表面处理用药品的消耗量。如铝型材前处理的酸性脱脂液未洗净,就进入碱蚀槽,然后洗净不充分就进入中和槽,这样多次反复,最终将导致各槽有效浓度降低,同时生成大量的悬浮物或沉淀物,导致药品消耗增加,处理效果下降。此外,可以实现节约用水。在传统的铝阳极氧化处理一类的表面处理车间,通常需要使用大量的水,这样既浪费水,又导致金属盐类的带出损耗增多,同时又污染了环境,因此,如何提高水洗效率,改善水洗效果,是表面处理工作面临的一个重要课题。1 水洗水的种类根据目前我国水的不同来源以及水本身的质量等,水洗水主要分为以下几类:(1)井水和河水 直接从河里或者井里抽的水,地方不一样,杂质类型与浓度也就不一样。所以在使用这类水之前,应该通过溶液pH值、电导率的测量来科学地评价水质情况。(2)自来水 采用次氯酸钠消毒的城市居民引用水。含有较多的氯离子,除此之外,其他成分由自来水公司进行分析管理,有一定的浓度范围。用于表面处理车间清洗时应该对其成分进行调查。(3)中水 国外也叫工业用水。用于城市绿化浇水以及工厂内部的使用。不同类型的工厂排放的中水水质不一样,有的甚至还含有大量有机物质。第40卷 第9期2007年9月材 料 保 护Materi als ProtectionVol.40No.9Sep.200768(4)纯水 将生水中的不溶物质过滤后,再用离子交换树脂进行离子交换处理。也有通过反渗透处理获得纯水的。纯水的电阻率在1.0106 cm以上。此外,也有用蒸馏水做纯水的。(5)超纯水 采用反渗透膜处理和离子交换处理,最后采用更洁净的离子交换系统进行处理,得到不含杂质的水。采取多级蒸馏法也可以得到超纯水,但水量十分有限。电阻率根据用途有不同的要求,一般要求在1.2107 cm以上。纯水的理论电阻率为2.5107cm。由于不同的表面处理车间的要求不一样,且用水量多少不一,故在实际工作中根据表面处理车间的具体情况分别选用不同水质的水。当然在同一车间根据清洗槽的具体情况也可以选取使用不同的水质搭配使用,如建筑铝型材氧化车间因其用水量大,如果全部使用纯水,将需要巨大的纯水处理设备,而且建筑铝型材的表面处理并非十分精密,故前处理一类的水洗水可以直接使用自来水等4。当然精密铝部件(如打印机的硒鼓用喷砂铝管)表面处理车间以及电泳车间对加工环境要求十分苛刻,这种情况下当然要使用纯水甚至超纯水等,有时甚至还需要使用恒温水洗和无尘室环境等条件。2 水洗槽及附带装置2.1 水洗槽的配置由于水洗过程形式多样、要求各异,因此除了水洗槽本身在设计方面有讲究外,其附带装置也十分重要。此外尚需说明的是表面处理线的某些前处理和后处理反应槽(比如脱脂)其作用也是清洁材料表面,与水洗的目的一样,故在槽体结构以及附带装置等方面同样可以参考水洗槽的相关内容。就水洗槽本身而言,目前水洗槽的材质使用玻璃钢或PVC等有机材料的居多,而热水槽需使用耐热PVC材质或不锈钢材质。在对洗净要求极高的情况下,材质多采用不锈钢。水洗槽直接给水或喷淋给水时通常需要通过配备水泵确保给水水量和压力。特别是水中设置喷头的情况下对水泵的要求更高。此外,近来也有在槽子上配置过滤器的情况。在有空气强化搅拌的情况下还需要配备均匀带孔的导水管,确保液体均匀分散。而在喷淋水洗设备中喷头也是必不可少的,好的喷淋设施可以调整喷头喷水方向和喷水面积等。而水中喷淋多采用喷射器式的喷头,这种喷头尺寸适当时,主孔喷射的液体可以同时带动两侧4倍于主孔喷射液体量的流动,从而达到十分理想的液体搅拌效果5。2.2 水洗槽的排列方式在表面处理车间通常一个反应槽后配备的水洗槽有多个。而各槽的配置也具有不同的方式。(1)并列水洗 如图1所示,反应槽后附带的3个水洗槽相互独立,各槽独自实行给水和排水。假设某个工件在一个槽内带入的药液可以稀释100倍的话,则第n个水洗槽的药液浓度为(1/100)n。图1 并列水洗槽的配置(2)逆流漂洗水洗 也叫多段逆流漂洗,有图2所示2种情况。显然图2b配槽结构效果最佳。多段逆流漂洗在表面处理车间广泛使用。其优点是通过给水促进水洗水流动,同时可实现节约用水。图2 多段逆流漂洗槽的配置(3)间歇式逆流漂洗 水洗各槽如图1一样独立排列。当水洗水污染需要更换时,将后一槽的水倒入前一槽中,这样就只更换靠近反应槽的水,也可以实现节约用水。但是当工件带出药液较多时需要更换全部槽液。这种结构操作不方便,效率低下,使用面很窄。此外,还可以采取3槽并列水洗(或间歇式逆流漂洗)+逆流漂洗的形式。这样可以让并列水洗槽(或间歇式逆流漂洗)水洗液浓度很高,回收到反应槽或排入废水室处理。而接下来的逆流漂洗槽的水可以通过树脂交换系统处理后循环使用,实现废水处理的半密闭。这种方式设备投资增大,但可以节约用水,清洗效果也不错。如果车间使用有机添加剂较多的话,循环使用的水需要不定期全液更换。3 水洗方式基本水洗方式有以下几种。(1)浸渍水洗 简称浸洗,通过将待洗物品放入水铝阳极氧化、电泳的水洗技术69中使物品上附带的液体浓度得到稀释的过程。希望得到的洁净程度就是物品带入洗净槽的污染物的稀释浓度。物品上所带的药液洗净后不会超过洗净用水溶液的稀释浓度。而在实际水洗过程中,如何尽快达到这个理想的稀释浓度以及如何确保水洗水的药液浓度均匀等就是如何提高水洗效果和效率的问题。(2)喷淋水洗 基本上是流水洗的方式。因为是喷淋水洗,水洗时能够冲洗物件上的药液同时也能够稀释物品上的药液。如果喷淋水洗的水量多,而且物品表面的水流速度较快的话,附着的药液洗去的比率就高。如果物品能够充分进行喷淋洗净,与浸渍洗净相比,用少量的水可以得到较好的洗净效果。(3)喷雾水洗 这种水洗方式也可以认为是喷淋水洗的一种。通过雾状水的喷洗实现用少量的水进行物品的清洗,与喷淋的冲洗效果相比,由于稀释作用,洗净效果十分明显。4 强化水洗的措施4.1 强化水洗的一般辅助手段为了改善水洗效果同时节约水资源,目前已经开发出许多强化水洗的技术和设备,对提高表面处理生产的品质和效率发挥了巨大的作用。(1)空气搅拌 通过槽底部配置的导气管向溶液中打气,以达到强化水洗的目的。其中产生的气泡越小则搅拌效果越好,清洗效率也就越高。需要注意的是槽内给气前最好进行净化处理,因为制气设备往往在制气的同时也将一些密封油等带入气体中。而油类物质一旦进入槽体,对表面处理的影响有时是致命的。(2)水中喷淋 水中喷淋要使用水泵,在水洗水中将水喷向物品,能够明显地提高水洗效果。(3)泵循环 通过循环泵实现槽内液体的循环,促进了水洗水的流动,也促进了水洗效果。这种水洗方式在表面处理行业比较常见。通常在循环系统还配备有过滤器(袋式或芯状等)。此外最近在建筑铝型材立式粉末喷涂线的前处理也有通过水泵将溶液送往高处,再倾泻在工件上的前处理方法,意大利TREV ISAN公司将其命名为瀑布式前处理清洗设施。这种方式可以免去喷水(雾)方式中大量使用的容易破损的喷头,能耗低,清洗效果好6。(4)机械搅拌 包括螺旋桨、超声波以及机械振动等多种方式,通过溶液的机械震动强化水洗水的流动、混合和振动,从而强化了水洗效果。(5)加热 通过对溶液的加热,促进了水分子和化学药品分子的运动,从而提高了化学药品的扩散速度,达到强化水洗效果的目的。加热中还有一种情况就是让水洗水恒温的情况,这主要是防止因水洗水温度的急剧变化导致表面处理膜层的质量事故。这时水洗槽配有热交换设施,既可以加热,又可以降温。(6)工件移动 通过移动工件造成工件与溶液之间的相互运动,促进药液快速从工件表面脱离,从而提高洗去效率。(7)电解促进法 阳极氧化处理后的氧化膜层有许多微孔,为了尽快高效地洗去孔内的残留液体,通过电解的方法,可以加速洗净过程,同时在某种程度上具有中和作用。比如硫酸电解型阳极氧化膜放在硫酸铵中电解7。4.2 强化水洗效果的改进措施水洗过程中可以通过其他辅助手段来强化水洗效果,确保工件表面处理品质。有时候,辅助手段还成为表面处理不良的重要手段,如工件上的水迹,通过其他辅助手段的导入,可以起到事半功倍的效果。(1)真空清洗技术 所谓真空清洗就是将待清洗工件放入清洗溶剂(比如纯水)中,然后将盛清洗溶剂的容器放入密闭容器中抽成真空,这样在大气压条件下藏匿在工件凹处的气体就会因外界气压低而释放出来,让溶剂与工件充分接触,达到清洗的目的。真空清洗技术适合形状复杂工件。此外,真空技术也可以用于各种化学和电化学处理过程。(2)溶剂清洗 为了更有效的清洗氧化膜层表面,对表面处理完毕的成品在进行充分水洗后,为了确保清洗质量,最后可以采取有机溶剂清洗法,因为有机溶剂挥发速度比较快,且某些物质可能更能够溶解在溶剂中。当然有机溶剂清洗也可以配以超声波振动等强化措施。常用的有机溶剂有乙醇、异丙醇等。有机溶剂清洗适合小型精密部件的清洗,而建筑型材等大型工件不太合适。(3)晾水时间的合理把握 工件在空气中晾干时间不是水洗过程本身,但对水洗过程而言具有十分重要的意义。在表面处理车间现场,确保水洗等过程充分合理的晾水时间对于稳定工件表面处理品质、防止溶液带出及交叉污染、节约资源和环境保护等都具有十分重要的意义。(4)干燥技术的合理利用 除了水洗过程本身对铝阳极氧化、电泳的水洗技术70水洗效果有较大的影响外,对于最终的制品而言,最后的干燥方式对表面质量的好坏也具有直接的影响,特别象装饰面较大的铝型材,即使用非常洁净的水进行清洗,如果采用传统的干燥炉干燥,仍然会有水迹或麻点等缺陷存在,而且许多缺陷一旦存在要再去除的话就十分困难,因此充分洗净后采用合理的干燥方法十分重要。对于小型工业型材而言,最后水洗往往也可以采用热纯水超声波清洗,这样既强化了清洗过程,而且因为温度高使工件表面附着的水分蒸发。但有些表面处理膜层不太适合使用高温干燥,这时可通过干燥过程强化进行改进,干燥方法包括热风强风干燥、气枪强风干燥、用无尘纸巾(软布)进行擦拭干燥等。5 特殊情况及注意事项理论上讲,对大多数槽子而言水洗越干净效果越好,但水洗效果的清洁程度是一个相对的概念。而一些水洗槽则要求有一定的原液“污染”。如铝阳极氧化处理后表面生成了带微孔的氧化层,从氧化槽出来时孔内带有硫酸和铝离子,如果迅速放到pH值较高的水洗液中洗净,将导致氢氧化铝沉淀生成,附着在氧化膜上,反而达不到清洗效果。因此洗净过程中pH值应该逐步上升,水洗时间也要控制在5 min以上,让孔中铝离子充分洗出来8。因此水洗设计时,要综合考虑产品品质、经济性以及环境影响等。同时搞清具体的水洗对象,明确被清洗物质最终污染允许浓度,确定水洗流程。此外,需要说明的是,不同国家水质以及供水分类略有差异,因此在设立工厂时事前调查供水的性质等十分重要,如日本的自来水十分干净,因此在进行离子交换处理时不需要砂床过滤,而中国的大部分城市供水,由于管道多采用铁质材料等原因,离子交换处理前安装砂床过滤或棉芯过滤等,效果十分明显。经验表明,同样的表面处理线在日本能够正常生产而在中国就十分不稳定,调查的结果是给水水质差异造成的。表面处理线的设计工作者在这方面应该引起足够的注意。化学药品的水洗过程除了与水质有关外,还与化学药品自身的性质有十分密切的关系,化学药品的洗去性与化学药品本身的黏度、密度、水中的溶解性以及在水中的扩散速度等有关,因此在同等条件下选用药品时要进行充分的综合考虑。6 结 语表面处理是一个耗水行业,在欧美等发达国家提倡密闭环系统型表面处理车间(即通过节水和水的内部循环等实现表面处理车间用水零排放)。从目前的情况来看,对于十分专业的简单的表面处理生产线而言这种可能性还是存在,但对于复杂的生产线(如包含多种药品、使用多种添加剂等)而言,要实现密闭方式的生产可能十分困难,因此化学药品的利用率不可能达到100%。尽管从理论上讲密闭车间生产方式没有问题,但涉及到运行成本等一系列复杂问题。随着环境保护意识的日益提高以及全球资源价格不断上涨,对表面处理车间而言,如何减少用水量以及如何减少废液排放今后仍然具有现实意义,也具有很大的发展空间,而水洗的改进具有积极的促进作用。表面处理车间的理想目标是密闭车间,但要达到这个目标还有很多工作要做。参考文献 1 电镀手册编写组.电镀手册(第3版)K.北京:国防工业出版社,2006.2 Specifications for theQUALANOD QualityLabel for Sulphu2ric Acid2Based Anodizing of Aluminium EB/OL.http:/www.Q 中小企業総合事業団情報.技術部.?陽極酸化処理 係 技術 技能M.日本:中小企業総合事業団,2000:119.4 朱祖芳.铝阳极氧化与表面处理技术工艺M.北京:化学工业出版社,2005.5 Avoid nickel plating lossesprotect the environment and im2prove profitability EB/OL.http:/www.nickelinstitute.org,2007-06-13.6 Cascade PretreatmentWasher EB/OL.http:/ m,2006-11-23.7 中小企業総合事業団情報技術部.?陽極酸化処理 係 技術 技能M.日本:中小企業総合事業団,2000:125126.8 中小企業総合事業団情報技術部.?陽極酸化処理 係 技術 技能M.日本:中小企業総合事業団,2000:119124.编辑:王 宇铝阳极氧化、电泳的水洗技术