金属涂装硅烷前处理技术的研究进展

张翔

摘 要：本文从硅烷防护原理入手，对其处理技术以及改性技术进行探究，以供借鉴。

关键词：金属涂装;硅烷前处理技术

引言

在硅烷前处理技术应用之前，主要采用的涂装前处理工艺为磷化处理，由于其在生产过程中耗能较高，且伴有较多的重金属例子以及污水废水等处理问题，逐渐被更为简单、节能、环保的硅烷前处理技术所取代。

一、硅烷防护原理

硅烷作为代替传统磷化的前处理剂，其成分内具备特殊的成膜助剂，能于钢铁、镀锌板以及铝制品表面形成密实的纳米级混合涂层，成膜物质主要包括有氧化锆、氢氧化锆、氧化钛、氢氧化钛以及氧化硅等。硅烷处理的反应原理为硅烷偶联剂通过水解形成硅醇溶液，和金属表面水解产生的金属氧化层发生反应形成金属氢氧化物，经脱水后在界面形成稳固的共价键，促使硅烷牢牢吸附在金属表面，同时，通过硅烷脱水得到Si-O-Si三维网状硅烷膜架构。该硅烷膜和后期涂料，例电泳漆等出现氨基硅烷作用，继而得到可靠的化学键，继而使得金属工件和涂料彼此构成密实的膜层，进一步改善涂层的吸吸附力和耐蚀性。

通常情况下，相关产品应当具备和金属互相作用的R基团以及能够和有机图层互相作用的R，基团由此方能够具备较好的结合性以及抗腐蚀效果。而金属材料表面的应用中通常需将硅烷偶联剂结合水或乙醇、丙醇等有机溶剂制成混合溶液，从而确保硅烷偶联剂能平均分布于金属表面，同时也能减少硅烷偶联剂的使用剂量。

二、硅烷处理工艺

与传需进行表调的磷化处理技术相比，硅烷前处理技术的整体工艺更为精简，且表调工序去除，常温状况即可操作，具备更高的节能性，同时也不会产生废渣，更为环保，且目前该项技术的应用也趋于成熟，被广泛应用于工业生产中，如家用电器、汽车配件、机械部件以及通信设备等。

脱脂工序作为硅烷前处理工艺中的重要环节，通常对脱脂的要求较高。传统磷化处理通常是在50℃和pH3.0的条件下进行的，金属表层的杂物以及油脂在该种条件下能被再次消除。而硅烷前处理的温度要求并不高，在室温下即可进行，而在该种环境下不会对金属表层产生二次清洗。另外粒径为纳米级的硅烷膜，对金属表层的清洁度要求较高。为达到该清洁标准，通常需采用高效环保的脱脂剂来进行脱脂作业，以去除金属表面的油污。经数据调查显示，硅烷前处理流程的清洗环节主要的脱脂原料即无磷脱脂剂，经脱脂完成后，基于特定配比的稀碱试剂对已然去油了的金属予以清理，然后利用清水进行一次浸洗后，随后在纯水环境下对金属进行彻底的清理作业，完成上述工作之后即可进入下一阶段工作，即硅烷化处置。

此外，为确保金属表面的清洁度满足工艺需求，需注重水洗过程，一般而言需经2-3次水洗，且每次水洗对水质的要求也有所不同，其中值得注意的是最后一道水洗工序需确保清洗水源为纯水，以避免对硅烷槽液的质量造成影响。另外，可采用喷浸结合的方式来清洗结构较为复杂的金属基材，以确保工件整体洁净度达标，同时还应确保硅烷槽槽液的质量，避免出现杂质。此外，水洗工艺中也可科学采用特殊的化学试剂，以提升金属的防锈性能。

三、硅烷的改性技术

虽然硅烷膜具备较强的吸附力和耐蚀性，但因其膜层厚度较小，其内部潜在着大量的孔隙，如果腐蚀介质侵入则可能会诱发局部腐蚀情况，它的腐蚀性可能远达不到磷化膜，而在该种情况下在后续进行的阴极脉冲电泳内也会由于她不高的抵御击穿性能，导致电泳膜可能存在缩孔情况。如果只是寻求减小电压的方式缓解缩孔问题，则不利于保障其所具备的泳透力。此外，硅烷溶剂也难以长期的放置，一旦放置时间过长，很有可能会由于缩聚而无效，整体稳定性较差，无法满足大规模的工业生产。急需需求解决方法来改善该类问题。

（一）硅烷锆盐复合产品

目前，最为前沿的硅烷改性工艺则是在硅烷体系内添加必要的氟锆酸，在硅烷以及锆盐联合影响下促使金属表层生成纳米复合膜。

锆盐组分沉积主要原理即于4.5的酸性环境下置入金属予以溶解，溶解了的金属会生成氢氧化物，致使溶液的pH增加，溶液中稳定性较差的 H2ZrF6 与溶液中的OH-反应，生成Zr（ OH） 4并经水解形成 ZrO2 颗粒，集聚于金属表层，由此构成严密的ZrO2 薄膜层。

如若金属表面大量集聚ZrO2情况下，则硅烷偶联剂经由水解作用形成许多的SiOH基团，并发生以下两种效益：第一，和金属表层氧化层出现缩聚作用，生成共价键;其次，该基团会彼此出现缩聚情况，由此得到更为可靠的Si-O-Si三維网状结构。此之外，氧化锆颗粒以及一些三维网状结构键合，继而得到厚度较大的纳米级硅烷盐复合膜层以及其它成分。

复合膜中含有来自硅烷的Si-O-Me键以及漆膜反应所特有的官能团，能让漆膜牢牢的吸附在金属表层。另外，硅烷锆盐键合往往会得到厚度较高的复合膜，此外氧化锆颗粒可以很好的处理硅烷三维网格潜在的孔隙情况，膜层厚进一步提升，由此对于金属基层抗腐蚀性予以显著提升。由上可知，该复合膜不单单兼具着有机硅烷膜属性，此外也有着无机锆盐膜特质，有助于膜层结合性以及抗腐蚀性的提升。以冷轧钢板为例，分别对其进行纯硅烷处理以及表面附加一层硅烷锆盐复合膜处理，结果显示，冷轧钢板的耐蚀性明显优于纯硅烷膜，且能达到锌系磷化膜的性能等级。

F-浓度以及溶液的pH是决定硅烷锆盐复合膜性能的主要因素。H2ZrF6 经水解后产生F-，且随着浓度的不断增加，金属表面极易被F-附着，从而对漆膜的附着力以及金属的耐蚀性造成一定影响，为此，需严格控制F-的浓度。通常情况下的F-检测方式主要为电极法检测，通过对比标准曲线来确定溶液中的F含量，继而推算出F-浓度。此外，溶液pH也应控制为弱酸性。

现阶段，实际生产期间，大多选择硅烷锆盐复合物来当做硅烷产品的首要选择，并逐步取缔了传统的磷化工艺。基于此得到的膜厚指标和阴极调重期间低于击穿性能会有明显的提升。另外，膜厚也可借助引入纳米材料方式达到。然而膜膜层的质量并不取决于纳米颗粒的数量以及颗粒大小，假若颗粒过大或过小，虽然膜层有所加厚，但其松散性会有所提升，不利于保障膜层的耐蚀性。

另外，在硅烷溶液中适当添加缓蚀剂和稳定剂，也有利于提升其耐蚀性和稳定性，对硅烷改性膜的厚度进一步优化。

（二）硅烷产品与高泳透力电泳漆配套使用

由于纳米级硅烷膜的厚度普遍较薄，一般仅为100-500nm，在使用常规电泳涂料的情况下，会导致金属零件内墙的电泳涂层的覆盖率较差，甚至会出现漆膜问题。为此，在应用过程中，应选用薄膜超高泳透力电泳漆，全面提升金属基材的覆膜效果。

（三）稳定剂的添加

硅烷缩合，表示硅烷成分于水解作用下导致诸多的SiOH基团，和整个溶液的稳定情况有着密切联系。为此，在金属涂装硅烷前应确保硅烷槽液处于稳定状况。针对该类问题的解决，可采用多种硅烷经一定比例进行溶解，在完全水解产生大量SiOH的同时，也能促使其相互形成氢键以提升硅醇的稳定性，避免出现严重的缩合现象。另外，特殊稳定剂的引入，也可明显的改善整个的溶液稳定效果。经相关数据调查显示，利用上述方式所获取的硅烷溶液恒温烘箱（35℃）中放置较久（超过6个月），其溶液质量并未发生变化。

四、结语

硅烷膜内的共价键为推动有机土层和基材之间密切贴合的关键之一，同时也有助于提高金属基材的耐蚀性，和以往的磷化工艺对比，硅烷前处理流程相对简便，具备较高的节能性，属于环保型工艺，为此，在工业中得到了较好的普及。对于硅烷原本就存在的属性，为解决硅烷膜存在的缺陷，则需通过改性来进行改善，包括使用硅烷锆盐古河产品、搭配引入高泳透力电泳漆或是于溶液内引入稳定剂办法切实提增整个的产品性能，更好的应用于涂装行业。