金屬表面涂裝前處理硅烷化技術(shù)

唐春華

（泉州市創(chuàng)達(dá)金屬表面處理公司,福建泉州 362000）

金屬表面涂裝前處理硅烷化技術(shù)

唐春華

（泉州市創(chuàng)達(dá)金屬表面處理公司,福建泉州 362000）

0 前言

隨著金屬表面前處理技術(shù)的不斷進(jìn)步和提高,更環(huán)保的金屬表面硅烷化技術(shù)正在國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來。目前國(guó)內(nèi)已有少數(shù)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始從事這方面的研發(fā)工作,并有少數(shù)涂裝生產(chǎn)線應(yīng)用硅烷化技術(shù)（以引進(jìn)國(guó)外硅烷產(chǎn)品為主）,初見成效,有望逐步取代涂裝磷化技術(shù)。

1 機(jī)理

硅烷是一類含硅基的有機(jī)/無機(jī)雜化物,在水溶液中通常水解生成≡Si—OH,≡Si—OH之間脫水縮合成含 ≡Si—OH的低聚硅氧烷;低聚物中的≡Si—OH與金屬表面的Me（OH）n基團(tuán)（Me表示金屬）發(fā)生縮水反應(yīng)快速吸附于金屬表面。一方面,硅烷在金屬界面上形成Si—O—Me共價(jià)鍵（共價(jià)鍵間的作用力可達(dá)到700 kJ/mol）,與金屬之間的結(jié)合力非常牢固;另一方面,剩余的硅烷分子通過與≡SiOH基團(tuán)之間的縮聚反應(yīng)在金屬表面形成具有Si—O—Si三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅烷膜。該硅烷膜通過交聯(lián)反應(yīng)再與涂層（電泳漆或粉末涂層）結(jié)合在一起,形成牢固的化學(xué)鍵（硅烷膜與涂層相容性好）。這樣,基材-硅烷-涂層之間通過化學(xué)鍵形成穩(wěn)定的膜層結(jié)構(gòu)。這便是硅烷處理能取代涂裝性磷化和鉻處理的原因。

硅烷膜還能起到封閉磷化膜上大量微孔的作用,形成連續(xù)、完整、致密的復(fù)合膜。該復(fù)合膜的耐蝕能力極強(qiáng)（熱鍍鋅板磷化膜+硅烷膜耐中性鹽霧5個(gè)周期,表面仍未腐蝕,顯著優(yōu)于單磷化膜和單硅烷膜的）,并能保持磷化膜的微觀表面粗糙特征（因?yàn)楣柰槟O薄,厚度只有200～300μm）。

2 特性

硅烷化處理技術(shù)應(yīng)用于金屬表面處理具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

2.1 對(duì)金屬材質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)

硅烷化技術(shù)適用于處理冷軋鋼板、鍍鋅鋼板、鋁材、鋅-鋁合金及其他金屬基材等,其中鍍鋅鋼板處理效果略差些?？蓪?shí)現(xiàn)多種基材共線生產(chǎn)工藝,處理效果與處理方式有關(guān)（硅烷噴淋效果優(yōu)于浸漬,因后者串槽性更大）。

2.2 污染性小

硅烷化處理工藝無有毒金屬（Zn,Ni等）、無磷及其他有害成分,也不需用亞硝酸鈉之類的有害成分作促進(jìn)劑,使用非常安全可靠,對(duì)環(huán)境污染小。

2.3 與涂層配套性好,質(zhì)量?jī)?yōu)

硅烷膜與涂層配套性好（與電泳涂層更優(yōu)）,其耐蝕性與磷化膜的相當(dāng)。鹽霧腐蝕試驗(yàn)表明:汽車車身的硅烷膜+電泳涂層的耐鹽霧腐蝕時(shí)間≥1 000 h,達(dá)到磷化膜+電泳涂層的耐蝕效果。又如汽車鍍鋅鋼板零部件的硅烷膜+漆膜（涂層厚度68～72μm）經(jīng)500 h鹽霧試驗(yàn),硅烷膜可剝離寬度幾乎為零（用劃刀劃叉,沿劃痕邊緣部位剝離,考察其可剝離寬度）;磷化膜+漆膜經(jīng)500 h鹽霧試驗(yàn),可剝離寬度略大。

2.4 過渡性好

無需改造原有設(shè)備,可將磷化生產(chǎn)線直接過渡為硅烷線,不但占地面積?。谆嫉孛娣e較大）,而且還可省去表面調(diào)整工序（原表面調(diào)整槽可改為水洗槽或空置）和磷化后的2道水洗工序。

2.5 槽液管理簡(jiǎn)單

（1）槽液調(diào)控簡(jiǎn)化。減少了現(xiàn)場(chǎng)加料和檢測(cè)的工作量,硅烷槽只需檢測(cè)p H值、電導(dǎo)率;而磷化槽和表面調(diào)整槽需要日常檢測(cè)、調(diào)整或換槽（磷化槽1年換1次;表面調(diào)整槽7～15天換1次）。

（2）槽液和設(shè)備清理容易。硅烷化處理過程中無沉淀產(chǎn)生,可減少槽液清渣工作量,并解決了固體廢棄物的處理問題;而磷化槽和噴嘴需要定期清渣。

2.6 綜合成本低

（1）用料費(fèi)用少。以某家電產(chǎn)品日處理涂裝面積10 000 m2計(jì)算,硅烷化原料消耗費(fèi)用略低于磷化的（前者約0.11元/m2,后者約0.17元/m2）。

（2）產(chǎn)能高。由于工序較少,且處理時(shí)間較短,有助于提高企業(yè)的產(chǎn)能。

（3）熱耗低。硅烷化可在常溫下進(jìn)行,僅冬天需加熱到≥15℃,熱能消耗大約為10元/km2。磷化處理溫度需控制在35～40℃（這是涂裝性磷化的最佳溫度）,以35℃計(jì)算,磷化熱能消耗大約為50元/km2。

（4）電耗省。硅烷化不需要表面調(diào)整步驟,可節(jié)省大量電能。

（5）水耗少。磷化耗水量為4 L/m2,硅烷化節(jié)省水50%。

（6）廢水處理費(fèi)用少。以國(guó)內(nèi)1條年生產(chǎn)能力為350萬m2的空調(diào)磷化線為例,其廢水處理費(fèi)用比硅烷化多4.9萬元/年。

盡管硅烷化用于涂裝前處理具有諸多的優(yōu)點(diǎn),但不是所有硅烷都能與金屬形成良好的結(jié)合力,必須選擇能適用于多種金屬表面處理的硅烷產(chǎn)品。

3 應(yīng)用

3.1 工藝流程

3.1.1 某家電產(chǎn)品硅烷化（冷軋鋼板或混合板材）

3.1.2 某汽車零部件硅烷化

（1）冷軋鋼板、鍍鋅板、鋁板浸漬線

（2）冷軋鋼板噴淋線

說明:①增加低濃度的預(yù)硅烷化,可防止冷軋鋼板在噴淋工序間返銹;②預(yù)脫脂、脫脂、水洗均采用“V”型噴嘴,去離子水洗用霧化噴嘴;③干燥條件視硅烷產(chǎn)品不同而異,一般規(guī)定110～140℃,20 min,或者60～120℃,實(shí)際80℃足夠;④去離子水洗的水滴電導(dǎo)率＜100μs/cm（最佳50～60μs/cm）。

3.1.3 熱鍍鋅鋼板浸漬硅烷化

3.2 工藝配方

3.2.1 硅烷劑基本組分

通常分為建槽劑、補(bǔ)槽劑、槽液調(diào)整劑（分酸性、堿性兩種,降低或升高p H值）、殺菌劑（抑制藻類生長(zhǎng)）、活化劑（改善硅烷膜外觀質(zhì)量）等塑劑,配套使用。例如:有一種用于熱鍍鋅層磷化膜的硅烷封閉劑選用 BTESPT硅烷,其配方為 BTESPT 4 mL/L,乙醇 90 mL/L,H2O 6 mL/L 。

3.2.2 配槽濃度

視硅烷產(chǎn)品和材質(zhì)不同而異,一般為1.47%～10%（體積濃度）。如家電產(chǎn)品1.47%;鍍鋅件、鋁件2.0%～3.0%;不銹鋼件1.0%～2.0%;鋼鐵件5.0%;冷軋鋼板、鋁材、鋅-鋁合金共線10%;磷化后封閉0.5%～1.5%。

3.2.3 配槽步驟

（1）清槽 配槽前嚴(yán)格清洗設(shè)備（包括管道）,確保槽內(nèi)清潔,無渣、無污物或其他化學(xué)品殘留,尤其將磷化線直接過渡到硅烷線的設(shè)備,更需要清洗干凈。有條件的話,最后1道用蒸餾水清洗,這樣可延長(zhǎng)槽液的使用壽命。

（2）投藥品 在1 000 L槽內(nèi)注入電導(dǎo)率＜30 μs/cm的去離子水到70%液位,分別加入9 812 11 kg,9 925 14.7 kg,9 960 0.8 kg,充分?jǐn)嚢?補(bǔ)加去離子水至工作液位,調(diào)整p H值在規(guī)定范圍內(nèi),運(yùn)行槽液。槽體用不銹鋼槽或內(nèi)補(bǔ)PVC或PE的鐵槽。

3.2.4 工藝參數(shù)

（1）p H值 依據(jù)不同硅烷化工藝調(diào)節(jié)p H值,控制范圍為3.8～5.5;處理冷軋鋼板時(shí),p H值為5.8～6.5。定時(shí)檢測(cè)p H值是非常重要的,可以用帶電極的p H計(jì)來測(cè)量。降低p H值可在攪拌的情況下少量添加9 960;提高p H值可在攪拌的情況下少量添加9 950。

（2）溫度 控制在20～30℃（多金屬）。

（3）電導(dǎo)率 控制在3 500～4 000μs/cm。

（4）時(shí)間 噴淋≥20 s;浸漬 0.5 min～2.5 min。

（5）噴淋壓力 水洗0.10～0.15 MPa;硅烷處理 0.08～0.10 MPa。

3.3 槽液維護(hù)

3.3.1 調(diào)槽方法

為了達(dá)到最佳硅烷化效果,必須保持硅烷的體積濃度在規(guī)定范圍內(nèi),通常以0.1%的量補(bǔ)加硅烷劑（如9 812和9 925）。槽液的濃度通過監(jiān)測(cè)p H值、電導(dǎo)率、硅烷點(diǎn)來控制。生產(chǎn)表明:9 925硅烷劑日耗量為9 812硅烷劑的2.5倍,每天要多次測(cè)量p H值和電導(dǎo)率。

3.3.2 維護(hù)要點(diǎn)

（1）防止槽液被污染。一是要使用無磷脫脂劑（因PO3-4對(duì)硅烷槽污染性最大）,并要求脫脂劑除油效果好;二是脫脂后工件表面要徹底水洗干凈,否則脫脂液被帶到槽液中會(huì)破壞槽液平衡,導(dǎo)致硅烷用量上升;三是入槽前一定用去離子水洗。

（2）防止槽液生長(zhǎng)藻類。如果槽液長(zhǎng)時(shí)間不使用,有必要添加殺菌劑。

（3）槽液使用的水質(zhì)要好。

3.4 操作注意問題

（1）處理冷軋鋼板時(shí),會(huì)有少量渣（渣量為磷化渣量的1%）。處理面積大時(shí)要裝過濾袋除渣。

（2）焊點(diǎn)處不能形成致密的硅烷膜（磷化同樣如此）,與涂層結(jié)合力較差。原因是焊點(diǎn)面與硅烷之間發(fā)生縮合反應(yīng),因而不能成膜。

（3）添加藥劑時(shí),使用添加泵。

（4）定期換槽,換槽周期≥1年。

4 結(jié)論

硅烷劑在金屬表面涂裝前處理中具有良好的應(yīng)用前景,并通過生產(chǎn)實(shí)踐不斷得到改進(jìn)。但由于硅烷處理工藝要求生產(chǎn)條件更苛刻（與磷化工藝的相比）,加之產(chǎn)品售價(jià)仍偏高,欲要使硅烷工藝在金屬表面涂裝前處理中達(dá)到目前國(guó)內(nèi)涂裝性磷化的應(yīng)用水平,還需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的成熟期,必須進(jìn)一步加強(qiáng)硅烷產(chǎn)品的研究與應(yīng)用,縮小與國(guó)外硅烷產(chǎn)品的差距,提升國(guó)內(nèi)硅烷工藝的整體水平。

TG 174

A

1000-4742（2011）04-0029-03

2010-10-18

·化學(xué)轉(zhuǎn)化膜·