金屬涂裝硅烷前處理技術的研究進展

張翔

摘 要：本文從硅烷防護原理入手，對其處理技術以及改性技術進行探究，以供借鑒。

關鍵詞：金屬涂裝;硅烷前處理技術

引言

在硅烷前處理技術應用之前，主要采用的涂裝前處理工藝為磷化處理，由于其在生產過程中耗能較高，且伴有較多的重金屬例子以及污水廢水等處理問題，逐漸被更為簡單、節能、環保的硅烷前處理技術所取代。

一、硅烷防護原理

硅烷作為代替傳統磷化的前處理劑，其成分內具備特殊的成膜助劑，能于鋼鐵、鍍鋅板以及鋁制品表面形成密實的納米級混合涂層，成膜物質主要包括有氧化鋯、氫氧化鋯、氧化鈦、氫氧化鈦以及氧化硅等。硅烷處理的反應原理為硅烷偶聯劑通過水解形成硅醇溶液，和金屬表面水解產生的金屬氧化層發生反應形成金屬氫氧化物，經脫水后在界面形成穩固的共價鍵，促使硅烷牢牢吸附在金屬表面，同時，通過硅烷脫水得到Si-O-Si三維網狀硅烷膜架構。該硅烷膜和后期涂料，例電泳漆等出現氨基硅烷作用，繼而得到可靠的化學鍵，繼而使得金屬工件和涂料彼此構成密實的膜層，進一步改善涂層的吸吸附力和耐蝕性。

通常情況下，相關產品應當具備和金屬互相作用的R基團以及能夠和有機圖層互相作用的R，基團由此方能夠具備較好的結合性以及抗腐蝕效果。而金屬材料表面的應用中通常需將硅烷偶聯劑結合水或乙醇、丙醇等有機溶劑制成混合溶液，從而確保硅烷偶聯劑能平均分布于金屬表面，同時也能減少硅烷偶聯劑的使用劑量。

二、硅烷處理工藝

與傳需進行表調的磷化處理技術相比，硅烷前處理技術的整體工藝更為精簡，且表調工序去除，常溫狀況即可操作，具備更高的節能性，同時也不會產生廢渣，更為環保，且目前該項技術的應用也趨于成熟，被廣泛應用于工業生產中，如家用電器、汽車配件、機械部件以及通信設備等。

脫脂工序作為硅烷前處理工藝中的重要環節，通常對脫脂的要求較高。傳統磷化處理通常是在50℃和pH3.0的條件下進行的，金屬表層的雜物以及油脂在該種條件下能被再次消除。而硅烷前處理的溫度要求并不高，在室溫下即可進行，而在該種環境下不會對金屬表層產生二次清洗。另外粒徑為納米級的硅烷膜，對金屬表層的清潔度要求較高。為達到該清潔標準，通常需采用高效環保的脫脂劑來進行脫脂作業，以去除金屬表面的油污。經數據調查顯示，硅烷前處理流程的清洗環節主要的脫脂原料即無磷脫脂劑，經脫脂完成后，基于特定配比的稀堿試劑對已然去油了的金屬予以清理，然后利用清水進行一次浸洗后，隨后在純水環境下對金屬進行徹底的清理作業，完成上述工作之后即可進入下一階段工作，即硅烷化處置。

此外，為確保金屬表面的清潔度滿足工藝需求，需注重水洗過程，一般而言需經2-3次水洗，且每次水洗對水質的要求也有所不同，其中值得注意的是最后一道水洗工序需確保清洗水源為純水，以避免對硅烷槽液的質量造成影響。另外，可采用噴浸結合的方式來清洗結構較為復雜的金屬基材，以確保工件整體潔凈度達標，同時還應確保硅烷槽槽液的質量，避免出現雜質。此外，水洗工藝中也可科學采用特殊的化學試劑，以提升金屬的防銹性能。

三、硅烷的改性技術

雖然硅烷膜具備較強的吸附力和耐蝕性，但因其膜層厚度較小，其內部潛在著大量的孔隙，如果腐蝕介質侵入則可能會誘發局部腐蝕情況，它的腐蝕性可能遠達不到磷化膜，而在該種情況下在后續進行的陰極脈沖電泳內也會由于她不高的抵御擊穿性能，導致電泳膜可能存在縮孔情況。如果只是尋求減小電壓的方式緩解縮孔問題，則不利于保障其所具備的泳透力。此外，硅烷溶劑也難以長期的放置，一旦放置時間過長，很有可能會由于縮聚而無效，整體穩定性較差，無法滿足大規模的工業生產。急需需求解決方法來改善該類問題。

（一）硅烷鋯鹽復合產品

目前，最為前沿的硅烷改性工藝則是在硅烷體系內添加必要的氟鋯酸，在硅烷以及鋯鹽聯合影響下促使金屬表層生成納米復合膜。

鋯鹽組分沉積主要原理即于4.5的酸性環境下置入金屬予以溶解，溶解了的金屬會生成氫氧化物，致使溶液的pH增加，溶液中穩定性較差的 H2ZrF6 與溶液中的OH-反應，生成Zr（ OH） 4并經水解形成 ZrO2 顆粒，集聚于金屬表層，由此構成嚴密的ZrO2 薄膜層。

如若金屬表面大量集聚ZrO2情況下，則硅烷偶聯劑經由水解作用形成許多的SiOH基團，并發生以下兩種效益：第一，和金屬表層氧化層出現縮聚作用，生成共價鍵;其次，該基團會彼此出現縮聚情況，由此得到更為可靠的Si-O-Si三維網狀結構。此之外，氧化鋯顆粒以及一些三維網狀結構鍵合，繼而得到厚度較大的納米級硅烷鹽復合膜層以及其它成分。

復合膜中含有來自硅烷的Si-O-Me鍵以及漆膜反應所特有的官能團，能讓漆膜牢牢的吸附在金屬表層。另外，硅烷鋯鹽鍵合往往會得到厚度較高的復合膜，此外氧化鋯顆粒可以很好的處理硅烷三維網格潛在的孔隙情況，膜層厚進一步提升，由此對于金屬基層抗腐蝕性予以顯著提升。由上可知，該復合膜不單單兼具著有機硅烷膜屬性，此外也有著無機鋯鹽膜特質，有助于膜層結合性以及抗腐蝕性的提升。以冷軋鋼板為例，分別對其進行純硅烷處理以及表面附加一層硅烷鋯鹽復合膜處理，結果顯示，冷軋鋼板的耐蝕性明顯優于純硅烷膜，且能達到鋅系磷化膜的性能等級。

F-濃度以及溶液的pH是決定硅烷鋯鹽復合膜性能的主要因素。H2ZrF6 經水解后產生F-，且隨著濃度的不斷增加，金屬表面極易被F-附著，從而對漆膜的附著力以及金屬的耐蝕性造成一定影響，為此，需嚴格控制F-的濃度。通常情況下的F-檢測方式主要為電極法檢測，通過對比標準曲線來確定溶液中的F含量，繼而推算出F-濃度。此外，溶液pH也應控制為弱酸性。

現階段，實際生產期間，大多選擇硅烷鋯鹽復合物來當做硅烷產品的首要選擇，并逐步取締了傳統的磷化工藝。基于此得到的膜厚指標和陰極調重期間低于擊穿性能會有明顯的提升。另外，膜厚也可借助引入納米材料方式達到。然而膜膜層的質量并不取決于納米顆粒的數量以及顆粒大小，假若顆粒過大或過小，雖然膜層有所加厚，但其松散性會有所提升，不利于保障膜層的耐蝕性。

另外，在硅烷溶液中適當添加緩蝕劑和穩定劑，也有利于提升其耐蝕性和穩定性，對硅烷改性膜的厚度進一步優化。

（二）硅烷產品與高泳透力電泳漆配套使用

由于納米級硅烷膜的厚度普遍較薄，一般僅為100-500nm，在使用常規電泳涂料的情況下，會導致金屬零件內墻的電泳涂層的覆蓋率較差，甚至會出現漆膜問題。為此，在應用過程中，應選用薄膜超高泳透力電泳漆，全面提升金屬基材的覆膜效果。

（三）穩定劑的添加

硅烷縮合，表示硅烷成分于水解作用下導致諸多的SiOH基團，和整個溶液的穩定情況有著密切聯系。為此，在金屬涂裝硅烷前應確保硅烷槽液處于穩定狀況。針對該類問題的解決，可采用多種硅烷經一定比例進行溶解，在完全水解產生大量SiOH的同時，也能促使其相互形成氫鍵以提升硅醇的穩定性，避免出現嚴重的縮合現象。另外，特殊穩定劑的引入，也可明顯的改善整個的溶液穩定效果。經相關數據調查顯示，利用上述方式所獲取的硅烷溶液恒溫烘箱（35℃）中放置較久（超過6個月），其溶液質量并未發生變化。

四、結語

硅烷膜內的共價鍵為推動有機土層和基材之間密切貼合的關鍵之一，同時也有助于提高金屬基材的耐蝕性，和以往的磷化工藝對比，硅烷前處理流程相對簡便，具備較高的節能性，屬于環保型工藝，為此，在工業中得到了較好的普及。對于硅烷原本就存在的屬性，為解決硅烷膜存在的缺陷，則需通過改性來進行改善，包括使用硅烷鋯鹽古河產品、搭配引入高泳透力電泳漆或是于溶液內引入穩定劑辦法切實提增整個的產品性能，更好的應用于涂裝行業。