鋁顏料的不同處理工藝及應(yīng)用概述

谷圣軍，董前年，周 輝，操玉節(jié)，劉云龍，王蓓蓓，趙楠楠，朱雙單

（1.合肥旭陽鋁顏料有限公司，安徽合肥231131；2.安徽天易金屬新材料有限公司，安徽六安237200）

鋁顏料又稱鋁粉顏料，它具有平滑且極薄的鱗片狀結(jié)構(gòu)，是應(yīng)用最多的金屬效應(yīng)顏料之一。由于鋁片表面光滑平整，粒度分布集中，形狀規(guī)則，因此，具有優(yōu)異的光反射能力和金屬光澤。當(dāng)加入涂料中，通過一定的施工方式，形成的膜層具有明顯的“隨角異色”效應(yīng)，裝飾效果華麗美觀。同時鋁顏料屬于金屬無機物，耐溫性、強度、電化學(xué)性能等都很優(yōu)異。因此，近年來在塑料加工、工業(yè)防腐、建筑涂料、3C 產(chǎn)品、印刷油墨、汽車制造等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。

隨著人們生活水平的不斷提高，審美觀和環(huán)保要求也越來越高，傳統(tǒng)的油溶性鋁顏料外觀、加工工藝以及用途已經(jīng)不能滿足市場需求，終將向外觀更好、環(huán)保性能更高、用途多樣化的鋁顏料發(fā)展。更高要求的鋁顏料與傳統(tǒng)的研磨后直接使用的鋁顏料相比有著不同的要求，例如制作工藝、設(shè)備優(yōu)化、表面改性技術(shù)的創(chuàng)新以及根據(jù)不同的用途制作成不同的外觀等等。

由于鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，易與酸、堿、水以及腐蝕性介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這不僅容易腐蝕片狀鋁粒子表面，影響鋁顏料的表面裝飾效果和穩(wěn)定性，限制鋁顏料的使用范圍，甚至還會帶來安全隱患和事故，給生產(chǎn)和使用帶來很多不安全因素。因此隨著鋁顏料用途和性能要求的增加，鋁顏料新的加工工藝和表面處理技術(shù)已成為研究熱點，并已取得一定的成果。本文重點介紹了鋁顏料的不同外觀呈現(xiàn)形式、表面處理方法、不同加工工藝以及不同的應(yīng)用。

1 鋁顏料的加工工藝

目前鋁顏料的基礎(chǔ)片狀結(jié)構(gòu)的加工工藝有球磨機干磨法、球磨機濕磨法、真空鍍鋁法。球磨機干磨法就是在球磨機中加入研磨介質(zhì)、原材料微米級球形鋁粉、助劑，在惰性氣體的保護(hù)下研磨成微米級片狀鋁粒子；球磨機濕磨法就是在球磨機中加入研磨介質(zhì)、溶劑油、原材料微米級球形鋁粉、助劑，然后研磨成微米級片狀鋁粒子；真空鍍鋁法就是先利用物理氣相沉積法（PVD），在高真空環(huán)境下利用高溫使鋁絲蒸發(fā)成鋁蒸汽，然后鋁蒸汽沉積在載體上形成納米級厚度的鋁薄膜，再把納米級鋁薄膜收集起來，經(jīng)破碎得到納米級片狀鋁粒子。

1.1 干法球磨工藝

鋁顏料最原始的加工工藝是搗沖法，把鋁碎屑放在搗沖機的凹槽內(nèi)，搗杵連續(xù)沖打凹槽內(nèi)的鋁屑，具有延展性的鋁在沖擊下逐漸變成薄片并且破碎，然后進(jìn)行篩選得到產(chǎn)品。搗沖法的生產(chǎn)效率非常低，產(chǎn)品質(zhì)量不易掌握，且生產(chǎn)過程中粉塵多，容易爆炸、起火，該方法已被淘汰。十九世紀(jì)末，干法球磨被發(fā)明，在球磨機內(nèi)放入鋼球、鋁屑和潤滑劑，利用球磨機轉(zhuǎn)動時鋼球的相互摩擦和沖擊將碎鋁屑研磨成鱗片狀鋁片，研磨過程用惰性氣體保護(hù)，該方法一直沿用至今，且不斷改進(jìn)和完善。隨著生產(chǎn)需求量越來越大，連續(xù)干法球磨被發(fā)明，球磨機的出口處直接連接著旋風(fēng)分離設(shè)備，整個系統(tǒng)采用微正壓氮氣保護(hù)，可以實現(xiàn)連續(xù)加料和連續(xù)出料，產(chǎn)能和效率以及安全性大大提高。干磨法生產(chǎn)的微米級片狀鋁粒子，鋁片表面平整性不是很好，粒徑分布不集中，但是產(chǎn)品是粉狀，不含溶劑，且產(chǎn)量大。此類產(chǎn)品目前被廣泛應(yīng)用于粉末涂料、塑料加工業(yè)、發(fā)氣磚等行業(yè)。

1.2 濕法球磨工藝

干法球磨工藝由于產(chǎn)品成粉狀，片狀鋁粒子表面的包覆物質(zhì)少，且在生產(chǎn)系統(tǒng)中處于懸浮狀態(tài)，存在一定的安全隱患，加上產(chǎn)品的品質(zhì)不易控制，因此，在干法球磨的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了濕法球磨工藝。濕法球磨工藝即在球磨機中加入鋁粉、研磨助劑、研磨介質(zhì)、高閃點溶劑油，在球磨機的轉(zhuǎn)動下微米級球形鋁粉被研磨介質(zhì)擠壓成微米級片狀鋁粒子。整個加工過程都在高閃點溶劑油的保護(hù)下進(jìn)行，安全系數(shù)很高。由于溶劑油和研磨助劑的清洗、潤滑、包覆等作用，生產(chǎn)出的微米級鋁粒子粒徑均勻，鋁片表面平整度高，因此，能夠展現(xiàn)出優(yōu)異的“隨角異色”效果，此類產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于汽車制造、工業(yè)防腐、塑料加工、印刷油墨等行業(yè)。

1.3 真空鍍鋁工藝

隨著人們審美觀的不斷提高以及消費水平的提升，對事物的追求不止注重品質(zhì)，同時對外觀也提出了更高的要求。市場需要更白、更亮、遮蓋力更好的鋁顏料，這就需要鋁顏料的鋁片厚度更薄，表面更平整。傳統(tǒng)研磨法生產(chǎn)的鋁片厚度很難小于100 nm 以下，鋁片的平整性也很難保證，采用真空鍍鋁工藝就能完美地解決這些問題。真空鍍鋁工藝即是在高真空狀態(tài)下，將鋁金屬加熱熔融至蒸發(fā)，蒸發(fā)的鋁蒸汽凝結(jié)沉積在涂有隔離層的PET膜表面上，形成納米級鋁薄膜層。然后采用溶劑溶解隔離層使鋁膜剝離下來，剝離下來的鋁膜經(jīng)破碎、篩分制成真空鍍鋁懸浮液即“電鍍銀”鋁顏料。電鍍銀的厚度一般在10～50 nm，表面非常平整，在漆膜中能展現(xiàn)出如鏡子一般的光亮效果，非常華麗美觀，此類產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾、汽車輪轂、彩晶玻璃、裝飾品、化妝品等高端行業(yè)。

2 鋁顏料的表面處理方法與產(chǎn)品應(yīng)用

根據(jù)表面處理和使用環(huán)境不同，鋁顏料的外觀呈現(xiàn)形式分為膏狀、粉狀、條狀和沙狀等。膏狀鋁顏料就是鋁顏料和溶劑或助劑混合在一起而成的濃縮漿狀鋁顏料；粉狀鋁顏料就是鋁顏料中沒有任何溶劑、像面粉一樣的鋁顏料；沙狀和條狀都是采用一些固體載體包覆處理成型的鋁顏料。下面重點闡述鋁顏料常見的表面處理方法。

2.1 硬脂酸包覆處理方法

在鋁顏料研磨的過程中加入硬脂酸，不但能有效去除鋁粉表面的氧化鋁，還能顯著提高鋁顏料在涂料中的白亮度。硬脂酸的弱酸性能夠和氧化鋁反應(yīng)，有效去除鋁粉表面堅硬的氧化鋁層，提高研磨效率，同時硬脂酸中的羧基會與鋁片表面羥基形成化學(xué)鍵合，形成硬脂酸包覆層，有效阻隔水汽對鋁粒子的腐蝕。另外，由于片狀鋁粒子表面包覆有低表面張力的硬脂酸，無論在有機溶劑涂料中還是在粉末涂料中它都會浮在涂層的表面，形成連續(xù)重疊的金屬鋁膜層。這種金屬鋁膜層對光的反射很強烈，表現(xiàn)出非常閃亮的裝飾效果，同時這種致

密的鋁膜層能夠有效地隔斷漆膜中的毛細(xì)孔，阻止腐蝕介質(zhì)滲透到漆膜內(nèi)層，因此，起到保護(hù)基材的作用。

2.2 二氧化硅（SiO2）包覆處理方法與產(chǎn)品應(yīng)用

SiO包覆處理即通過正硅酸乙酯（TEOS）為原料,通過溶膠/ 凝膠法在片狀鋁粒子表面形成均勻的二氧化硅包覆層的鋁顏料，該包覆層在常溫下性能穩(wěn)定, 能賦予鋁顏料良好的防腐性。其包覆原理是正硅酸乙酯在堿性條件下水解，形成的Si-OH結(jié)構(gòu)與片狀鋁粒子表面的-OH 反應(yīng)脫水形成Si-O-Si 結(jié)構(gòu)。此類產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于水性涂料、粉末涂料中，不但能夠有很好的儲存穩(wěn)定性，減少片狀鋁粒子被腐蝕產(chǎn)生氫氣的風(fēng)險，還能夠提高漆膜的整體耐溫性能和抗老化性能。

2.3 丙烯酸樹脂包覆處理方法與產(chǎn)品應(yīng)用

由于SiO包覆層不耐強堿的腐蝕，在卷材、3C等行業(yè)需要耐強腐蝕或手汗、酸雨時就受到了很大的限制，因此，丙烯酸樹脂包覆處理的鋁顏料應(yīng)運而生。其包覆方法是將片狀鋁粒子分散于有機溶劑中，加入丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸羥乙酯、苯乙烯、交聯(lián)劑、引發(fā)劑等丙烯酸類單體，在一定條件下原位聚合反應(yīng)，在片狀鋁粒子表面形成一層致密的丙烯酸樹脂保護(hù)層，因此，賦予鋁顏料優(yōu)異的耐酸堿性能。此類產(chǎn)品有極強的抗酸堿性能，與涂料體系有優(yōu)異的分散相容性，能提高顏料的附著力，被廣泛應(yīng)用于卷材、3C、油墨印刷等高要求行業(yè)。

2.4 有機-無機雙層包覆處理方法與產(chǎn)品應(yīng)用

隨著粉末涂料行業(yè)的快速發(fā)展，使用范圍越來越大，尤其戶外粉末涂料的發(fā)展，對鋁顏料的性能要求也越來越高，主要表現(xiàn)在耐強酸強堿、耐砂漿、耐老化、耐高溫等性能方面。單一的SiO或丙烯酸樹脂包覆都有著各自的缺陷，很難滿足戶外粉末涂料的高要求，進(jìn)而開發(fā)出有機-無機雙層包覆的鋁顏料，既克服了單一SiO的不耐強堿問題，又規(guī)避了單一丙烯酸樹脂不耐高溫、不耐老化的缺陷，此類產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于粉末涂料高要求行業(yè)。

2.5 高分子蠟樹脂包覆處理方法與產(chǎn)品應(yīng)用

近年來塑料“免噴涂”工藝快速發(fā)展，鋁顏料在塑料加工中的應(yīng)用也越來越廣，對鋁顏料也提出了新的要求。所謂免噴涂就是在塑膠原料（PP、ABS、AS、PC 等）中通過熔融共混的方式加入呈現(xiàn)不同色澤效果的金屬粉、珠光粉、陶瓷粉、高光色粉等，通過配套特殊相容技術(shù)改性，直接注塑成型即可實現(xiàn)各種珠光、炫彩或金屬的外觀效果，無需再工藝噴漆。前期免噴涂塑料中使用的鋁顏料多為膏狀或粉狀，由于塑料粒子大多是顆粒狀，很難與鋁顏料混合均勻，在注塑成型后經(jīng)常會出現(xiàn)片狀鋁粒子分散不均，或者有機溶劑殘留氣味大等弊端。隨著專門針對塑料免噴涂工藝開發(fā)的條狀（或沙狀）鋁顏料研制，較好地解決了上述問題。條狀（或沙狀）鋁顏料具體的制備工藝是將膏狀鋁顏料、抗氧化劑、分散劑、高分子蠟樹脂等組分混合均勻，然后在螺桿擠出機中熔融共混擠出成條狀（或沙狀），最后通過真空干燥去除溶劑，得到直徑為1～3 mm，長為1～3 cm 的高固體份條狀（沙狀）鋁顏料。此類產(chǎn)品由于其幾乎不含有機溶劑，無氣味；和塑料粒子結(jié)構(gòu)相似，易于混合分散，因此，在塑料免噴涂工藝中被迅速廣泛應(yīng)用。

2.6 片狀鋁粒子表面刻蝕處理方法與產(chǎn)品應(yīng)用

鋁顏料一直以來呈現(xiàn)的都是其特有的銀色金屬效果，隨著真空鍍鋁技術(shù)和表面刻蝕技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于單純的銀色效果，于是將真空鍍鋁技術(shù)和表面刻蝕技術(shù)結(jié)合起來，研制具有彩虹般多彩效果鋁顏料。其原理是利用光柵的分光原理將反射出鋁片表面的光線進(jìn)行色散，類似于雨后彩虹形成原理。其制備工藝是將真空鍍鋁后的鍍鋁膜，在特定的壓力和溫度下再經(jīng)過模壓工藝，利用模壓板在鋁膜表面刻蝕納米級的光柵條紋，然后采用溶劑溶解隔離層，使刻蝕后的鋁膜剝離下來，剝離下來的鋁膜經(jīng)破碎、篩分制成幻彩鋁顏料。此類鋁顏料由于工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，所以價格昂貴。此類產(chǎn)品多用在彩晶玻璃、化妝品、汽車裝飾等高端行業(yè)。

3 鋁顏料處理工藝方法與應(yīng)用展望

目前鋁顏料的加工工藝多為球磨機研磨法為主，比較粗獷，沒有真正體現(xiàn)出片狀鋁粒子原有的金屬效果和白亮度；真空鍍鋁工藝成本過高且效率低，目前沒有大面積推廣開。由于鋁是兩性物質(zhì)，很容易被腐蝕產(chǎn)生氫氣，影響鋁顏料的使用和安全性，目前都是通過包覆工藝技術(shù)來解決，但會降低片狀鋁粒子表面的平整度以及原有的金屬效果。鋁顏料處理工藝方法與應(yīng)用展望如下：

（1）開發(fā)出新型的研磨設(shè)備或工藝技術(shù)，提高研磨精度。

（2）通過技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，降低真空鍍鋁工藝方法的生產(chǎn)成本。

（3）利用合金技術(shù)或者在生產(chǎn)球形鋁粉時就添加特殊功能助劑，保護(hù)鋁顏料在加工以及產(chǎn)品應(yīng)用過程中不被腐蝕，最大程度體現(xiàn)原有金屬色。

（4）與其他材料復(fù)合，擴大鋁顏料的使用范圍和新的功能，例如鋁顏料與磁性材料復(fù)合，使鋁顏料具有磁性，可以應(yīng)用于涂料中，在涂層未干前利用磁場效應(yīng)，形成特定圖案和立體感效果。