报废镁合金表面涂层的清洗技术研究.pdf

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.6 2 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 1 6 年第3 期 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .1 0 0 7 - 7 5 4 5 .2 0 1 6 .0 3 .0 1 6 报废镁合金表面涂层的清洗技术研究 毛嘉,李明照,张耀斌,吴翔,杨卓晓 太原理工大学材料科学与工程学院,太原0 3 0 0 2 4 摘要以苯甲醛为主溶剂,甲酸为助溶剂,液体石蜡为抑制挥发剂的有机溶液去除报废镁合金表面涂层, 并对去除机理进行研究。结果表明,当苯甲醛和甲酸的体积比为1 3 7 ,处理时间为I Om i n 时,涂层的 起皱率可达1 0 0 %;在涂层去除过程中,有机溶剂分子与涂层聚合物之间没有发生化学反应,溶剂对涂 层聚合物无降解破坏作用,而是使聚合物空间网状结构扩大,减弱了有机涂层与基材间的作用力,促使 涂层与镁合金基材分离。 关键词镁合金;废料;表面涂层;去除 中图分类号T G l 4 6 .2 2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 6 0 3 0 6 2 0 6 S t u d yo nC l e a n i n gT e c h n o l o g yf o rS u r f a c eC o a t i n go nS c r a pM a g n e s i u mA l l o y M A OJ i a ,L IM i n g z h a o ,Z H A N GY a o b i n ,W UX i a n g ,Y A N GZ h u o x i a o C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ,T a i y u a n0 3 0 0 2 4 ,C h i n a A b s t r a c t S u r f a c ec o a t i n go ns c r a pm a g n e s i u ma l l o yw a sr e m o v e da p p l y i n gn o v e lo r g a n i cs o l v e n t sw i t h b e n z a l d e h y d ea sm a j o rs o l v e n t ,f o r m i ca c i da sc o s o l v e n t ,a n dl i q u i dp a r a f f i na sd e v o l a t i l i z e r .T h er e m o v a l m e c h a n i s mw a si n v e s t i g a t e d .T h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tc o a t i n go ns u r f a c eo fm a g n e s i u ma l l o yi s c o m p l e t e l yr e m o v e da f t e ri m m e r s e df o r1 0m i nw i t hv o l u m er a t i ob e t w e e nb e n z a l d e h y d ea n df o r m i co f 1 3 /7 .I ti ss u p p o s e dt h a tt h e r ei sn oc h e m i c a li n t e r a c t i o nb e t w e e nn o v e lo r g a n i cs o l v e n t sa n dc o a t i n g m a t e r i a l si nr e m o v i n gp r o c e s s .O r g a n i cs o l v e n tc o n t a c t i n gw i t hc o a t i n gp o l y m e rc h a i ns e g m e n tp r o d u c e s s o l u b l ei n f l a t i o ni np o l y m e rs p a t i a lr e t i c u l a t e ds t r u c t u r ew i t h o u td a m a g eo fd e g r a d a t i o n ,a n dw e a k e n sf o r c e b e t w e e no r g a n i cc o a t i n ga n ds u b s t r a t e ,t h e r e b yr e m o v e sc o a t i n gf r o mm a g n e s i u ms u b s t r a t e . K e yw o r d s m a g n e s i u ma l l o y ;s c r a p ;s u r f a c ec o a t i n g ;r e m o v i n g 随着镁合金熔炼技术的不断完善,用量越来越 大,由此而报废的镁合金产品也将会越来越多n 。9 ] , 因此,回收报废镁合金产品逐渐引起重视。 在镁合金的生产使用过程中,为增强镁合金的 耐腐蚀性能,大多会经过各种表面处理,有机涂层与 镁合金基体材料结合紧密,附着力强且不易脱落。 回收再利用这些材料时,如果不去除这些涂层,就会 使得镁合金的夹杂物变多,组织更加复杂,严重影响 后期再生的镁合金质量[ 1 ”1 5 ] 。而且带有废旧涂层 的镁合金在重熔过程中会产生大量的有害气体,这 就要求我们在回收利用的同时也要兼顾各种环保要 求。因此,国内外学者对镁合金表面涂层的去除进 行了广泛的研究。 王海燕等[ 1 6 3 研制的以氢氧化钠为主的碱性溶 液可以有效去除镁合金外壳的有机涂层,但所需时 间较长,成本耗费较大;李仁勇等7 1 开发的以氢氧 化钠溶液为主体的新型碱性溶剂,通过严格的配比 可以提高去除效率,但所需溶剂多,步骤复杂,不利 收稿日期2 0 1 5 - 0 9 2 4 基金项目山西省国际科技合作项目 2 0 1 4 0 8 1 0 0 1 2 作者简介毛嘉 1 9 9 0 一 ,女,山西忻州人,硕士研究生;通信作者李明照 1 9 5 6 一 ,女,山西孝义人,博士,教授 万方数据 2 0 1 6 年第3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 6 3 于工业应用。有机溶剂去除涂层时间短,对镁合金 基材腐蚀小,设备简单,但目前工业上应用的有机溶 剂大多含有二氯甲烷、苯酚等易挥发有毒物质,对人 体和环境有害[ 1 8 ‘2 ⋯。本文针对以上问题,以去除效 果好、保护基材为目的,研制一种低毒、低挥发的有 机溶剂来去除报废镁合金表面涂层,并对去除机理 进行探讨。 1试验 I .1 试验材料 试验材料为报废镁合金电脑外壳,事先切割成 5c m 5c m 2m m 左右的薄片,所用试剂为分析 纯苯甲醛、甲酸和液体石蜡。 1 .2 试验方法 苯甲醛和甲酸的体积比、时间是影响镁合金表 面涂层去除率的2 个主要因素,因此,时间分别选取 5 、1 0 、1 5m i n ,苯甲醛和甲酸的体积配比分别选取 1 7 /3 、1 5 /5 、1 3 /7 、1 1 /9 ,设计如表1 所示的试验。 首先去除试样表面污物,随后按表1 量取一定 量的苯甲醛和甲酸,放入烧杯中搅拌均匀,配成苯甲 醛型有机溶剂基液,再加入2m L 液体石蜡,搅拌均 匀后,将试样浸入到配好的有机溶剂中,在常温、搅 拌状态下放置1 0m i n ,试验完成后将上述试样取出 并用蒸馏水冲洗干净、干燥、称量并计算其失重率和 去除率,去除率按照试样处理后表面涂层膨胀和起 皱面积测定,失重率按照去除前后试样质量计算。 用试样的失重率和起皱率作为镁合金基材腐蚀情况 的考察标准。 1 .3 分析方法 使用A x i oS c o p eA 1 型正立数字金相显微镜和 T E S C A N 型场发射扫描电子显微镜观察试样表面 涂层去除前后的断面形貌和结构,并据此判断涂层 的去除情况。 利用T D 3 5 0 0 型X 射线衍射仪对表面涂层去 除前后的试样进行物相分析。 采用T E N S O R2 7 傅立叶变换红外光谱对涂层 经溶剂浸泡前后的结构进行测定,并判断有机溶剂 是否与涂层发生化学反应。 采用T G 2 0 9F 3 热重仪对涂层经溶剂浸泡前后 的热分解性能进行分析 温度范围1 0 0 ~9 0 0 ℃,升 温速率1 0 ℃/r a i n ,氮气气氛 。 2结果与分析 2 .1 试验结果及分析 苯甲醛型有机溶剂试验结果如表1 所示。 表1 试验结果 T a b l e1 R e s u l t so fe x p e r i m e n t 序号处理时间/r a i n苯甲醛与甲酸体积比 试样质量/g 去除率/% 去除前去除后起皱率 失重率 从表1 可看出,当处理时间分别控制在5r a i n 、 1 0m i n 时,随着苯甲醛和甲酸体积配比的增加,失 重率呈现先增大后降低的趋势,说明这两种溶剂需 要在合适的配比下才能发挥出更好的效果。且当处 理时间为1 0m i n 、苯甲醛和甲酸的体积比为1 3 /7 时,试样表面涂层被1 0 0 %去除,根据溶解度参数相 近则相容的原则,推测此时溶剂的溶解度参数接近 涂层的溶解度参数,更有利于涂层的去除。 当控制苯甲醛和甲酸的体积配比为1 3 /7 时,随 着去除时间的增加,失重率呈现逐步增大的趋势。去 除时间为1 0m i n 时,试样表面涂层被1 0 0 %去除,失 重率为2 .8 2 2 %,说明此时混合溶剂可有效地将镁合 金基材的表面涂层溶胀、脱除。随着处理时间的增 加,其起皱率仍在1 0 0 %,但失重率在1 5m i n 时达到 万方数据 6 4 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 1 6 年第3 期 6 .8 5 9 %,推测此时溶剂中的甲酸已对镁合金基材产 生腐蚀。因此,最佳处理时间为1 0r a i n 。综合能耗、 起皱率以及失重率等因素,苯甲醛和甲酸的体积配 比为1 3 /7 ,去除时间为l O m i n ,去除效果最佳。以下 检测分析中处理后的试样均为在此条件下处理。 2 .2 金相分析 试样经苯甲醛型有机溶剂处理前后的金相图 如图1 所示。由图1 可看出,处理前在镁合金基材 与涂层间的界线经过有机溶剂处理后已经消失, 说明有机涂层经苯甲醛型有机溶剂处理后已被 去除。 2 .3S E M 分析 试样经苯甲醛型有机溶剂处理前后的S E M 图 如图2 所示。 图1去除处理前 a 和去除处理后 b 试样断面的金相形貌 F i g .1M e t a l I o g r a p h i c a li m a g e so fc r o s ss e c t i o no fs a m p l e sb e f o r et r e a t m e n t a a n da f t e rt r e a t m e n t b 图2 去除处理前 a 和去除处理后 b 试样断面的S E M 形貌 F i g .2 S E Mm i c r o s t r u c t u r eo fc r o s ss e c t i o no fs a m p l e sb e f o r et r e a t m e n t a a n da f t e rt r e a t m e n t b 镁合金在涂装前一般都要进行磷化处理,这层 磷化膜软而薄,可使基材表面变得粗糙,增强涂层的 附着力,是随后有机涂层很好的底层。在图2 a 中, 从左到右依次为镁合金基材、磷化层、有机涂层,三 者之间存在两条清晰的界线。经苯甲醛型有机溶剂 处理后,在图2 b 只看到一条界线,说明有机涂层已 被全部去除,但介于镁合金基材和有机涂层间的磷 化层依然呈现连续分布状态,说明溶剂并没有对镁 合金基材造成损伤。 2 .4X R D 分析 试样处理前后的X R D 图谱如图3 所示。 由图3 可看到,试样处理前的X R D 谱中存在涂 层有机聚合物的衍射峰,如 C ,H 。N O 。、 C 。H 。O 。 和 C 。H 。0 。 。,它们分别是镁合金基材表面的聚氨 酯、环氧树脂、丙烯酸树脂。在金相和S E M 图中可 以观察到镁合金基材上的磷化层仅有很薄一层,在 X R D 的测试角度范围内无法检测出磷化层的主要 成分。试样经苯甲醛型有机溶剂处理后,X R D 图谱 仅出现纯a M g 和M g 。,A 1 。的衍射峰,上述有机涂 层的衍射峰均未出现,因此可以推测基材表面的有 机涂层已经基本去除。 万方数据 2 0 1 6 年第3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 6 5 2 03 04 0 引】6 07 08 l 2 0 / 。 图3 试样的X R D 谱 F i g .3 X R Dp a t t e r n so fs a m p l e 2 .5 红外分析 涂层的红外光谱图如图4 所示。分析可知,波 数在34 3 5c m 叫处的一O H 伸缩振动峰、29 4 2 c m 叫处的苯环C H 伸缩振动峰、16 3 0c m _ 1 处的 C O 伸缩振动峰、14 0 3c m _ 1 处的C C H 弯曲振 动峰、12 5 5c m _ 1 处的C N 伸缩振动峰、11 3 8 c m 叫的C O C 的伸缩振动峰,在这几处,环氧树 脂及丙烯酸树脂的特征峰在试样表面的涂层和脱除 下来的涂层的谱图上均存在,且脱除前后涂层的特 征吸收峰基本没有变化和偏移。因此,可以推测涂 层和苯甲醛型有机溶剂之间很少或几乎没有化学反 应发生,涂层在浸泡接触苯甲醛型有机溶剂后没有 产生新的物质。 4 X 35 0 J3 { X X 25 0 2 X H l5 X 1 M X w a v e n u m b e r s /c m 图4 涂层红外光谱图 F i g .4 F T - I Rs p e c t r ao fc o a t i n g 2 .6T G 分析 经苯甲醛型有机溶剂浸泡处理前后涂层的T G 曲线如图5 所示。从图5 可见,涂层处理前后的热 失重可以分为3 个区间,2 0 0 ℃之前的热失重主要 图5 涂层T G 曲线 F i g .5 T Gs p e c t r ao fc o a t i n g 为涂层中水分子和苯甲醛型有机溶剂残留蒸发所 致;2 0 0 ~4 2 5 ℃区间的热失重为涂层的分解和短 链低聚物的挥发;4 2 5 ~6 0 0 ℃失重趋于稳定,剩余 物质主要是涂层中难分解的网状产物。从图中还 可以看出,处理前的涂层热失重率为5 8 .5 7 %,处 理后的涂层热失重率明显升高到6 8 .7 4 %,结合之 前的红外分析可进一步推测,处理后的涂层样品 中,苯甲醛型有机溶剂是渗透到网状交联的涂层 内部,破坏了涂层与镁合金表面的作用力,从而造 成涂层溶胀,达到去除涂层的目的。另一方面,对 比涂层处理前后的热重曲线失重趋势可知,在3 0 0 ~4 2 5 ℃区间,处理后涂层热重曲线明显向左偏 移,可推测为苯甲醛型有机溶剂渗透到涂层的网 状结构中,破坏了涂层的网状交联结构,从而使涂 层的分解温度降低。 2 .7 涂层去除机理分析 根据上述分析结果,推测涂层的去除机理如图 6 所示,试样处理前,涂层中聚合物与镁合金基材主 要以静电作用稳定结合,经苯甲醛型有机溶剂处理 后,溶剂中的甲酸及苯甲醛渗透到涂层网状交联结 构中,破坏了涂层与基材表面的静电作用,促使涂层 发生溶胀,从而达到脱除涂层的目的。此外,甲酸的 酸性及小分子的性质,加速了甲酸渗入到聚合物链 的速度,从而提高涂层的脱除效率,加速涂层脱离 基体。 3结论 1 在室温下,苯甲醛和甲酸的体积比为1 3 /7 , 液体石蜡2m L ,处理时间1 0r a i n 时,苯甲醛型有机 溶剂对镁合金表面涂层的去除效果最佳。 万方数据 6 6 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 1 6 年第3 期 处理前 苯q | 醛型有机溶剂 甲酸& 卜H H 墓c { 心昏 C e c } N 卜c 二c c 。 o ℃.o \H 环氧树脂涂层 苯q J 醛 H - s d 图6 涂层去除机理分析 F i g .6M e c h a n i s ma n a l y s i so fc o a t i n gr e m o v a l 2 在涂层去除过程中,苯甲醛、甲酸通过渗透、 吸附等作用大量进入磷化层和有机涂层之间的空间 网状结构,减弱了磷化层与有机涂层间的作用力,破 坏涂层中网状交联结构的氢键,促使聚合物网络的 交联密度降低,加速涂层体积溶胀,使其与镁合金基 材分离。 3 苯甲醛型有机溶剂具有成本低、低毒、低挥 发、去除速度快、无需加热、对环境污染小并可重复 多次使用等优点,因此在废旧镁合金的回收利用工 艺过程中,具有很好的应用价值和潜力。 参考文献 I - 1 - ] A G H l O NE ,B R O N F I NB .M a g n e s i u ma l l o y sd e v e l o p m e n t t o w a r d st h e2 1 s tc e n t u r y [ J ] .M a t e r i a l sS c i e n c eF o r u m , 2 0 0 0 ,3 5 0 1 9 - 2 8 . [ 2 ] F R I E D R I C HH ,S C H U M A N NS .R e s e a r c hf o ra “n e w a g eo fm a g n e s i u m ”i nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y [ J ] . J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ,2 0 01 ,117 3 2 7 6 - 2 8 1 . [ 3 ] M O R D I K EBI 。,E B E R TT .M a g n e s i u m p r o p e r t i e s 一 涂层 静电作用 磷化层 镁合余 a p p l i c a t i o n s p o t e n t i a l [ J ] .M a t e r i a l s S c i e n c ea n d E n g i n e e r i n gA ,2 0 0 1 ,3 0 2 1 3 7 4 5 . [ 4 ] 吉泽升.日本镁合金研究进展及新技术E J ] .中国有色金 属学报,2 0 0 4 ,1 4 1 2 1 9 7 7 1 9 8 4 . [ 5 3G U A NX i a o f e i ,Z I N KP E T E RA ,P A LU D A YB ,e ta 1 . R e c y c l i n go fM a g n e s i u mA l l o yE m p l o y i n gR e f i n i n ga n d S o l i dO x i d e M e m b r a n e S O M E l e c t r o l y s i s [ J ] . M e t a l l u r g i c a la n dM a t e r i a l sT r a n s a c t i o nB ,2 0 1 3 ,4 4 2 2 6 l 一2 7 1 . [ 6 ] L U A L A NA ,M I S H R ARK ,S A C H E D E VAK . H i g h 。d u c t i l i t ym a g n e s i u m - z i n c - c e r i u me x t r u s i o na l l o y s [ J ] .S c r i p t aM a t e r i a l i a ,2 0 1 1 ,6 4 5 4 1 0 一4 1 3 . [ 7 ] F E C H N E RD A N I E L ,B L A W E R TC A R S T E N ,H O R T N O R B E R T ,e ta 1 .D e v e l o p m e n to fam a g n e s i u m s e c o n d a r ya l l o ys y s t e mf o rm i x e dm a g n e s i u mp o s t c o n s u m e rs c r a p [ J - ] .M a t e r i a l sS c i e n c e E n g i n e e r i n gA . 2 0 1 3 ,5 7 6 2 2 2 2 3 0 . [ 8 ] N G U Y E NV A NP H U O N G ,S U N G M OM O O N . C o m p a r a t i v e c o r r o s i o n s t u d y o fz i n c p h o s p h a t ea n d m a g n e s i u mp h o s p h a t ec o n v e r s i o nc o a t i n g so nA Z 31M g a l l o y [ J ] .M a t e r i a l sL e t t e r s ,2 0 1 4 ,1 2 2 3 4 1 3 4 4 . [ 9 ] N I EJi a n f e n g .P r e c i p i t a t i o na n dh a r d e n i n gi nm a g n e s i u m 万方数据 2 0 1 6 年第3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 6 7 a l l o y s l - J ] .M e t a l l u r g i c a la n dM a t e r i a l sT r a n s a c t i o n sA , 2 0 1 2 ,4 3 1 1 3 8 9 1 3 9 3 9 . [ 1 0 ] 王梅,刘建睿,沈淑娟,等.镁合金表面处理技术的发展 现状I - j ] .铸造技术,2 0 0 6 ,2 7 3 2 9 6 2 9 8 . [ 1 1 ] C H E NX i a o b o ,Y A N GH u i y i n g ,A B B O T TTB ,e ta 1 . C o r r o s i o n R e s i s t a n tE l e c t r o c h e m i c a l P l a t i n g s o n M a g n e s i u mA l l o y s AS t a t e o f t h e - A r tR e v i e w [ J ] . C o r r o s i o n ,2 0 1 2 ,6 8 6 5 1 8 - 5 3 5 . [ 12 ] 沈骏,龚福宝,张涛,等.镁合金表面防腐研究的前沿进 展l - J ] .功能材料,2 0 1 4 ,4 5 17 17 0 2 2 1 7 0 2 8 ,17 0 3 3 . [ 1 3 ] 李文珍,蒋忠城.镁合金3 C 产品外壳回收处理工艺研 究[ C ] //2 0 0 7 年中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术 年会专刊,中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术年会, 2 0 0 7 2 0 - 1 2 3 . 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