硅烷化處理及其在金屬表面處理中的應用分析

汪洋 包英俊

摘 要 工業生產中，將耐腐蝕的有機物涂覆在金屬表面，經固化成膜后制備的有機涂層具有屏蔽、緩蝕及電化學保護三方面的作用，防腐效果好。由于涂料具有選擇性寬、可用范圍廣、節約能源、應用施工方便等優點，是現今最有效、最經濟和研究最多的表面防護方法之一。對工作表面進行強化熱處理，可在不改變零件內部組織和性能的前提下，達到工作心部與表層在組織結構、性能等的最佳配合。本文結合硅烷化處理劑的制備及金屬表面處理方法的對比，來分析硅烷化處理方法的優勢和應用情況。

關鍵詞 硅烷化;金屬表面;處理工藝;應用分析

金屬表面鍍層具有防腐蝕，提高耐磨性、導電性及增加美觀等作用。鋼結構經熱鍍鋅處理后，在室外環境下，標準厚度的鋅層可保持年不必修補，廣泛應用于鐵塔、鐵路、公路保護、船用構件、建筑鋼結構的防腐處理。表面處理是指在基體材料表面上人工制備一層與基體的機械、物理和化學性能不同的表層的工藝[1]。磷化和鈍化工藝是目前最典型、廣泛應用的表面處理工藝。表面處理技術對金屬保護起到了明顯的作用，但也存在不少問題。例如，有機涂層中毒性揮發成分對人體有嚴重危害，噴砂處理會產生大量粉塵，鉻酸鹽處理和磷化工藝均存在較為嚴重的環境污染等問題。因此，開展硅烷化處理劑的制備研究并將其應用在金屬表面的處理過程中會改變當前傳統的處理模式，更加環保節能。

1硅烷化處理的原理

硅烷化處理是以有機硅烷為主要原料對金屬或非金屬材料進行表面處理的過程，該過程通過引入硅烷基與基材形成共價鍵連接，在金屬表面形成高致密的保護膜。

硅烷是一類含硅基的有機/無機雜化物，其基本分子式為X-R-SiY3，其中的Y指的是與硅原子連接的可水解基團，其中R則是指非水解脂肪族鏈，其中的X指的是可以和有機材料實現反應的基團，例如乙烯基以及氨基等[2]。

金屬表面硅烷化試劑可以在極難融合的環境下，將有機物以及材料進行連接，要想將這一過程實現全面的分析和研究，僅憑單一的理論內容很難完整，因此要將各理論有機統一，并對金屬處理技術的作用進行分析，這樣才能使技術分析更為科學合理。其中化學鍵理論的主要內容包括：硅烷偶聯劑的表面張力較弱，它與無機材料的接觸面比較小，所以根據這一理論，運用表面硅烷化處理技術可以有效地對玻璃、陶瓷以及金屬等物質進行作用，為這些物質表面提供一層有效的保護膜，促進硅烷偶聯劑的作用發揮。

硅烷偶聯劑對金屬表面的改性技術正成為一種新型磷化法的替代技術，具有很大的潛力。然而該工藝也存在著一定的不足，由于硅烷金屬表面處理劑pH升高有利于硅醇縮聚反應的進行，但是pH的升高會導致其產生絮凝，進而導致處理劑失效，使得工業上大規模應用受限。為此，結合電沉積法，在金屬表面施加陰極電位后電極表面局部溶液的pH升高，使其不會影響本體溶液的穩定性，從而使有機硅烷附著在金屬表面，得到更厚、均勻、致密的硅烷膜層，使涂層的防護性能更好[3]。此外，還可以通過對沉積過程電化學參數的控制，研究硅烷膜結構及耐蝕性的影響，實現硅烷膜的可控制制備。

2硅烷化處理工藝與傳統處理工藝對比

磷化處理是一種廣泛應用于金屬涂裝前處理的傳統工藝，它是磷酸鹽與金屬基體進行化學反應而在其表面形成磷酸鹽化學轉化膜的工藝過程，這種磷酸鹽轉化膜成為磷化膜。磷化的主要目的是為基體金屬提供短期工序間保護，在一定程度上防止金屬基體被腐蝕。工藝流程：脫脂→熱洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→中和→水洗→表調→磷化→水洗→中和熱洗→晾干。

一般來說，硅烷表面處理劑可采用以下兩種方法對金屬表面改性：

（1）浸漬硅烷化法。通過有機硅烷的特殊結構，金屬工件經硅烷處理后，表面會吸附一層類似于磷化晶體的三維網狀結構的超薄有機納米膜（50～500nm），同時在界面形成結合力很強的Si-O-Me共價鍵（其中Me為金屬），可將金屬表面和涂層偶合，具有很好的附著力。工藝流程：脫脂→水洗→壓縮空氣吹干金屬表面→浸漬于硅烷溶液中→晾干。

（2）電沉積硅烷化法。優化硅烷化金屬表面處理技術，根據電沉積理論，陰極電位下金屬表面發生O2和H2O的去極化生成OH-，而OH-的生成促進了硅醇間的縮合反應，有利于硅烷膜的形成。工藝流程：脫脂→水洗→壓縮空氣吹干金屬表面→硅烷溶液電沉積→晾干。

通過硅烷化處理與傳統磷化處理相比較，能夠省去表調及磷化前后的水洗工序，處理時間大大縮短，并減少了污水處理量。

硅烷化處理相比傳統的處理工藝有以下優勢：

（1）硅烷化金屬表面處理工藝路線相比傳統工藝省去了表調和磷化前后兩道水洗工序，減少了廢水的排放量，減輕了環境污染程度，降低了生產成本。

（2）在使用溫度方面，由于硅烷成膜過程為常溫化學反應，因為在日常使用中槽液無須加熱即可達到理想處理效果。此方面相比較來說，為行業應用節省了大量能源并減少了燃料廢氣排放。

（3）硅烷化反應中無沉淀反應，所以在日常處理中不產生沉渣，消除了前處理工序中的固體廢物處理問題并有效地延長了槽液的倒槽周期。

（4）在配槽用量方面，硅烷化較磷化工藝也減少了20%～50%，更關鍵的是在每平方米單耗方面硅烷化的消耗量為傳統磷化工藝的15%-20%。在處理時間上硅烷化較磷化也有較大幅度的縮短，從而提高了生產率，降低了設備持續運作成本。

（5）電沉積硅烷化金屬表面處理工藝除具有硅烷化金屬表面處理工藝的優點外，還可以通過對沉積過程電化學參數的調節，實現對硅烷化膜結構的可控制備。

（6）通過對現有磷化處理設備的簡單改造，投入少量資金，即可將磷化金屬表面生產線改裝成硅烷化和電沉積硅烷化金屬表面處理生產線。金屬表面處理工業正由“耗能、耗電的重污染行業”向“綠色環保、節能減排行業”邁進。

3硅烷化表面處理的優勢與應用前景

金屬表面硅烷化處理技術是一項綠色且新式的金屬處理技術，利用它可以對金屬表面抑或是非金屬材料表面進行處理。

硅烷化處理技術與傳統的磷鈍化處理技術、鉻鈍化處理技術相比較，它具有諸多的優勢：一是在應用此技術時，不會產生對人體有害的物質或者氣體，在技術處理之后，也不會產生廢棄物，更無須采用除渣措施，對于環境來講也是無毒無害的。二是應用這一技術的過程中，處理液可以重復使用，操作也較便捷，無須再完成表調、鈍化等其他環節，進而會大大提升處理效率[4]。三是這一處理技術的應用可以提高金屬表面的附著力，應用更為高效環保。

當前各行各業對金屬表面進行處理時，已經意識到了硅烷化表面處理技術的優勢，并將這一技術的優勢在實踐應用中凸顯出來。以銅表面硅烷化處理技術為例，我國對于銅金屬的技術保護手段也有所提升，運用這一硅烷化技術處理方式，可以提升銅電極的抗腐蝕性能，運用這一技術處理方式之后，還使銅出現較強的抗腐蝕能力。

由此可見，這一技術處理方式可以對銅金屬表面形成較好的保護，還會有效地延長銅金屬的使用壽命，進而提升銅金屬的性能，最終有效的提升銅金屬的使用效率[5]。

4結束語

隨著社會的發展以及時代的進步，現階段各行各業在發展的過程中，都越發提升了對金屬表面處理技術的需求，由于需求的提升，需要不斷推進新式的，綠色環保的金屬表面硅烷化技術的研發，在克服傳統金屬表面處理技術缺陷的基礎上填補以往技術處理方式中的不足，提升技術處理水平和處理效率，滿足各行各業對金屬表面處理的需求。

參考文獻

[1] 王一建，鐘金環，黃樂.金屬工件涂裝前處理技術的現狀與展望[J].涂料工業，2018，39（12）：24-27.

[2] 張榮發，巢強花，趙芳.植酸在鎂鋁合金防護中的應用現狀[J].材料工程，2017（11）：71-74.

[3] 李文剛，張曉豐，呂勤秀.LF21鋁合金稀土轉換膜的開裂及其鉬酸鹽后處理[J].腐蝕與防護，2019（4）：56-58.

[4] 硅烷偶聯劑在防腐涂層金屬預處理中的應用研究[J].材料科學與工程學報，2017，23（1）：146-150.

[5] 王雪明.硅烷偶聯劑在金屬預處理及有機涂層中的應用[D].濟南：山東大學，2018.