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      1. 公司相冊

        應用案例

        常見表面處理技術知識

          在表面技術中主要有三大類,每一類又可分為多種技術,下面僅就幾種常見的利用化學或物理化學原理的表面技術及應用作一簡單介紹。


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          1. 涂料
          涂料(coating)是一種用于涂裝物體表面形成涂膜,從而起到保護、裝飾標志和其他特殊功能(如絕緣、防污、減阻、隔熱、耐輻射、導電、電磁等)的材料。
          很久以前,興翻蓋都是用植物油和天然樹脂加工而成,所以通稱油漆,1790年英國建立了第一個油漆廠。隨著工業的發展,合成樹脂逐步取代了植物油,所以現在把涂裝物面的各種材料統稱為涂料。涂料作為一個工業部門僅有百年的歷史,但其應用卻非常廣泛。在我們的周圍,可以說涂料無處不在,從室內的墻壁、冰箱、櫥柜和家具,甚至錄音錄象帶和光盤上,到戶外的房屋、汽車、船舶、橋梁、飲料罐以及口香糖包裝等等地方隨處可見。目前涂料市場為600億美元左右。我國自改革開放20多年來,涂料產量的年增長率約為10%,目前生產能力已超過250萬噸,產量擠身于世界第三位。下面就途料的組成、分類和成膜的基本原理作一簡單介紹。
          涂料的組成
          涂料的組成按功能包括4部分:成膜物質、顏料、溶劑和助劑。
          成膜物質:是在涂料中能形成涂膜的主要物質,是決定涂料性能的主要因素,有時也叫基料或漆料。主要有油酯、天然樹脂、天然高分子及合成樹脂等。
          顏料:顏料通常是固體粉末,雖然本身不能成膜,但它始終留在涂膜中,能使涂膜呈現色彩和具有遮蓋力,還能增強涂膜的耐老性和耐磨性及增強膜的防蝕、防污等能力。顏料的種類很多,如白色顏料有鈦白粉(TiO2)、鋅白(氧化鋅)等,黑色顏料有炭黑、氧化鐵黑(Fe3O4)、彩色顏料有鉻黃(PbCrO4)、鐵紅(Fe2O3)、鐵藍(普魯土藍FeK[Fe(CN)6]?H2O)等,還有金屬顏料如鋁粉(俗稱銀粉)、防銹顏料如磷酸鋅等等。除些之外,還在大量的有機物顏料。
          溶劑:涂料中加入溶劑,為的是溶解或分散成膜物質,降低成膜物質的粘稠度,以便施DD工得到均勻而有有機溶劑和水。
          助劑:在涂料在應用的助劑越來越多,其用量往往很小,占總配方的百分之幾,甚至千分之幾,但它們在改善性能,延長貯存期限,擴大應用范圍和便于施工等方面常常起很大的作用。包括催干劑、增稠劑、觸變劑、消光劑、抗靜電劑、紫外線吸收劑、消泡劑、流平劑等等。
          涂料的分類
          經過長期的發展,涂料的品種特別繁雜,用途也各異,有許多分類方法,主要介紹下面3種:
          根據主要成膜物質可分為有機涂料和無機涂料,有機涂料中根據成膜樹脂類型又可分為醇酸、環氧、丙烯酸涂料等。
          按照溶劑類型又可分為溶劑型(以有機溶劑為分散劑,又分為低固化份和高固化份兩種)涂料、水性(以水為溶劑)涂料、涂末涂料、輻射固化涂料等。未來涂料發展的方向將體現在以下兩個方面:一是向更加環保、綠色方向發展,將不斷開發出高固體份、水性、粉末和輻射固化的涂料;二是向更加功能化的方向發展,各種功能化特種涂料產品將不斷問世。表1給出了世界主要工業化地區涂料產品結構。
          按照用途涂料可分為3大類:建筑涂料、產品涂料和特種涂料。建筑涂料主要包括用于裝飾和保護建筑物外壁和內壁和涂料,占涂料總量的50%左右,其中乳膠漆戰友70%以上。產品涂料通常也叫工業漆,是在工廠里施工于汽車、家電、電磁線、飛機、家具、金屬罐等等上的涂料,占涂料總產量的30%左右。其余20%左右的是特種涂料,它是指在工廠外施工的工業涂料和一些其他涂料,如防火涂料、防水涂料、耐高溫腐蝕的陶瓷涂料,示溫涂料、導電涂料、磁性涂料、路面標線涂料、防霉滅蟲涂料、耐磨涂料、海洋重防腐涂料等等。特種涂料不僅要滿足國防尖端產品和高科技發展的特殊需要,而且還要滿足國民經濟各部門新發展的特種要求。
          涂料成膜的基本原理
          生產和使用涂料的目的是為了得到符合需要的涂膜,涂料形成涂膜的過程直接影響興翻蓋能否充分發揮預定的效果以及所得涂層的各種性能是否能充分表面出來。涂膜的固化機理一般有3種類型。
          物理機理干燥 只靠涂料中涂體(溶劑或分散相)蒸發而得到干硬興稻草原干燥過程即為物理機理干燥。在干燥過程中,高聚物不發生化學反應。
          涂料與空氣發生反應的交聯固化。所以在貯存期間,涂料罐必須密封良好,與空氣隔絕。
          涂料組分之間發生反應的交聯固化 涂料在貯存期間必須保持穩定,可以用雙組分包裝涂料法或是選用在常溫下互不發生反應,只是在高溫下或受到輻射時才發生反應的組分,比如,紫外光固化興翻蓋是一種單組分、無溶劑的涂料,涂覆時接受紫外光的照射,液體興翻蓋將會在零點幾秒到幾十秒的時間內固化成膜。
          近年來,研究人員正在開發一種聯合固化技術,即將幾種興翻蓋固化技術結合起來,以克服單一固化技術的缺點。




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          2. 電化學及化學沉積
          電化學及化學沉積表面技術中,常見的有電鍍、刷鍍和化學鍍技術。
          電鍍
          電鍍是應用電解的方法將一種金屬覆蓋到另一種金屬表面的過程,需要在電解槽中進行。其過程是將經過除油、除銹前處理的金屬鍍件作為陰極、鍍層金屬作為陽極、以鍍層金屬的鹽溶液作為電解液,通電后進行電解。如電鍍鋅、電鍍銅等。為了使鍍層結晶細致,厚薄均勻,與基體結合牢固,電鍍液通常不能用簡單的金屬鹽溶液,而是用形成配合物的溶液,如鍍鋅時通常采用堿性鋅酸鹽或鋅的氰化物作為電解液。
          近年來流行的合金鍍,如鍍黃銅(銅梓合金)、可焊性合金(錫鉛合金)、耐蝕合金(鋅鎳合金)、仿金電鍍(銅鋅合金或銅鋅錫合金)等,其基本原理都是通過用加入配位劑以生成不同的配合物的方法,來控制溶液中不同金屬離子的濃度,使電極電勢代數值較大的金屬離子濃度稍低,而電極電勢代數值較小的離子濃度較高,從而使不同的金屬離子以相等或相近的電勢,使多種金屬離子同時在陰極上區得電子并同時沉積在作為陰極的工件表面,形成合金鍍層。
          電刷鍍
          電刷鍍是近年來發展起來的一種修復機械零部件的新技術。它的基本原理與電鍍相同,只是不用鍍槽,而是將電解液浸在包著陽極(稱為鍍筆)的棉花包套中,刷鍍時,接通電源后,用浸滿鍍液(即電解液)的鍍筆與工件(陰極)直接接觸,在陽極與陰極的相對運動中,即可獲得鍍層,且鍍層隨刷鍍時間的延長而增厚,只不過是用鍍筆浸取除油或除銹液進行處理。刷鍍主要用于修復被磨損或加工超差的零件,也可用于印制板和電器接點的維修與防護。由于電刷鍍技術能以很小的代價,修復價值較高的機械的局部損壞部位,被譽為“機械的起死回生術”而得到廣泛應用。
          化學鍍
          化學鍍是一個不外加電源,在金屬表面的催化作用下經控制化學還原法進行了的金屬沉積過程。因不用外電源,故又稱為無電鍍(Electroless plating、Non electrolytic)。由于反應必須在具有自催化性的材料表面進行,美國材料試驗協會推薦用自催化鍍一詞(Autocatalytic plating)。由于金屬的沉積過程是鈍化學反應,所以將這種金屬沉積工藝稱為“化學鍍”最為恰當,這樣它才能充分反映工藝過程的本質。所以Chemical、Non electrolytic、Electroless3個詞就是一個意義了。目前“化學鍍”這個詞在國內外已被大家認同采用。
          化學鍍的歷史較短,最早是美國標準局的Brenner和Riddell于1946年發明的化學鍍鎳?;瘜W鍍鎳一問世,立即就受到人們的關注,但化學鍍鎳真正被工業界廣泛重視是近20年的事。20世紀80年代以來,隨著電子、計算機、石油化工、汽車工業等迅速發展,化學鍍鎳以每年高于15%的增長速度在發展,目前,化學鍍鎳在幾乎所有的工業部門都獲得廣泛應用,成為近年來表面技術領域中發展速度最快的工藝之一。
          化學鍍不是通過界面上固液兩相間金屬原子和離子的交換,而是液相離子Mn+,通過液相中的還原劑R,在金屬表面或其它材料表面上的還原沉積:
          M^(n+)+R(→┴表面催化 ) M+R^(n+)
          化學鍍過程必須要有催化劑?;w往往可以作為催化劑,但當基體被完全覆蓋后,要想使沉積過程繼續進行下去,其催化劑只能是沉積金屬本身。所以化學鍍可以說是一種沉積金屬的、可控制的、自催化的化學反應過程?;瘜W鍍鍍層厚度與時間成正比,理論上認為可以產生很厚的沉積層。
          一個能夠進行化學鍍的溶液,必須包含以下的物質:
          欲鍍覆單質的來源——通常是金屬的鹽類;
          把欲鍍金屬的離子還原成單質的還原劑;
          為了維持化學氐液的穩定性而加入的一種或多種配位劑,它們與欲鍍覆金屬的離子形成配合物,同時還可防止生成氫氧化物及亞磷酸鹽沉淀。
          包含有維持鍍液pH值恒定的緩沖劑和提高鍍液穩定性、增加鍍液壽命的穩定劑。
          以目前應用最為廣泛的化學鍍鎳—磷合金為例,金屬鹽一般用硫酸鎳,常用的還原劑是次亞酸鈉(NaH2PO2)。用次亞磷酸鈉作還原劑的化學鍍鎳層除含鎳外,還含有一部分磷,形成Ni-P合金,故稱其為化學鍍Ni-P合金,通常所稱的化學鍍鎳實際上即是化學鍍Ni-P合金。
          化學鍍的前處理與電鍍相同,也需要除油、除銹。其一般工藝流程如下:
          清洗→除油→水洗→酸蝕→水洗→化學鍍→水洗→鍍后處理
          除油的目的是除去工件表面的機械加工或存儲過程中殘留的潤滑油、防銹油、拋光膏等油脂或污物以免鍍層不均勻或漏鍍。主要的除油方式有有機溶劑除油、堿液除油、電化學除油,乳化劑除油、超聲波除油等。
          酸蝕也叫酸洗,是將金屬工件浸入酸或酸性溶液中,除去金屬表面的氧化膜、氧化皮及銹蝕過程。經過前處理后的鍍件即可放入化學鍍液中進行施鍍。
          與電鍍相比,化學鍍鎳—磷層有以下優點:
          A 均鍍能力和深鍍能力好,可以在開關復雜的表面上產生均勻厚度的鍍層;包括盲孔、深孔零件和長徑比很大的管件,有“無孔不入”的特點。
          B 鍍層致密,孔隙少;
          C 不需要電源,設備簡單,操作容易;
          D 除金屬之外還可在其它非金屬表面上鍍覆;
          E 非晶態合金,鍍鎳層具有特殊的機械、物理和化學性能,其硬度指標遠遠超出電鍍鎳,且具有高的耐磨性、耐蝕性。
          F 鍍層與基體有良好的結合力。
          我國化學鍍技術應用的步伐雖也很快,但由于起步較晚,目前我國化學鍍鎳的最大用戶還是采油業和石油化工業,離國際水平尚有較大的差距,巨大的市場等待我們去開發。
          除了化學鍍鎳—磷合金以外,還有其他一些鍍種,如化學鍍銅、化學鍍鈷、化學鍍貴金屬、化學鍍多無合金,化學復合鍍等,在此不再詳述。




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          3.表面改性
          表面改性的技術有很多種,在此只介紹陽極氧化和化學熱處理的原理及應用。
          陽極氧化
          有些金屬在空氣中能生成氧化物保護膜,而使內部金屬在一般情況下逸遭腐蝕。如鋁及其合金表面很容易生成一層極薄的氧化膜(0.01~1μm)在大氣中有一定的抗腐蝕能力,但由于這層氧化膜是非晶體,它使鋁件表面失去原有的光澤。此外,氧化膜疏松多孔,不均勻,抗蝕能力不強,且容易沾染污跡,因此鋁及其合金制品通常需進行氧化處理。
          陽極氧化即是一種電化學的氧化處理方法。它是將金屬置于電解液中作為陽極,使金屬表面形成幾十至幾百微米的氧化膜的過程,這層氧化膜的形成比金屬在空氣中自然氧化形成的氧化膜具有更好的防腐、耐磨性能。
          如鋁及其合金的陽極氧化,是用工件作為陽極,別的鋁板作為陰極,用稀硫酸(或鉻酸)溶液作電解液。通電后,發生下列電解反應:
          陽極(工件):
          2Al+6OH-(aq) = Al2O3+3H2O+6e (主要反應)
          4OH-(aq) = 2H2O + 2O2(g) + 4e (次要反應)
          陰極:2H+ + 2e = H2
          從而在鋁及其合金工件表面生成了與鋁基體結合牢固的Al2O3氧化膜。
          化學熱處理
          化學熱處理是將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質中保溫,使一種或幾種元素滲入它的表層,以改變其化學成分、組織和性能的工藝?;瘜W熱處理的種類很多,包括滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼及滲不同金屬。這種工藝不僅可用于材料的防護與強化,提高耐腐蝕、耐磨損、抗氧化與抗疲勞性能,而且可根據需要賦予材料及其制品具有光學、磁學、隔熱、裝飾等多種功能,也可為高新技術及產品的發展提供一系列新型材料與復合金屬板材。
          下面以滲碳為例簡單介紹化學熱處理的基本原理。
          滲碳是使碳原子滲入金屬表面使其形成金屬碳化物的過程。作為滲碳的工作介質繁多,但滲碳過程都包括三個基本步驟:①工作介質(滲碳劑)在高溫下分解生成活性碳原子,如滲碳劑CH4在高溫1173~120K下的滲碳爐內經過一系列反應生成活性碳原子;②活性碳水化合物原子被金屬表面吸收:③碳原子向金屬內層擴散而形成滲碳層。




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          4.化學氣相沉積
          化學氣相沉積工藝是將金屬的碳化物、氮化物、硼化物或氧化物直接沉積在金屬材料的表面的過程。例如,在鋼鐵工件上沉積TiC的化學氣相沉積工藝中,可以將TiC4蒸氣在氫氣載帶下通入裝有工件的高溫(一般為900~1200℃)反應爐內,并與烴類進行一系列反應最終生成TiC沉積在工件表面。
          化學氣相沉積工藝所達到的目的與化學熱處理相似,但經化學氣相沉積產生的沉積層具有與基體金屬結合牢固、沉積層厚度均勻、結構致密、質量穩定等優點。此外,這類沉積層還具有類似于潤滑油墨的作用。因此可作為無油潤滑減摩層,使工件的磨損大大降低。
          化學氣相沉積,激光輔助化學氣相沉積的出現,能夠達到的沉積工作溫度在逐漸升高,可沉積的物質種類在不斷擴大,沉積層性能的范圍也在逐漸擴大??梢哉f,表面技術已達到不僅可以改變物體表面的化學組成、組織結構,還可以賦予物體一個全新的表面,更可觀的是還可以根據性能需要任意選擇沉積層。




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