铝合金硅烷化处理工艺

摘要：

自1906年美国伯明翰的 Thomas Watts Coslett首创磷化技术以来，锌系磷化技术﹑铁系磷化技术﹑改良的锌系磷化技术﹑无镍磷化技术以及氧化铁系磷化技术在金属表面预处理领域中的应用越来越广 。汽车﹑家电的一些零部件涂装的前处理一般都采用磷化处理技术，尽管磷化处理技术在生产上已获得广泛的应用，但其处理工艺具有耗能多﹑重金属离子含量超标﹑含有致癌物质﹑废水废渣排放多等缺点，对环境及人们的生活造成极大的危害 。由于在环保性及使用成本方面的优势，新型的环保、节能、低排放、低使用成本的金属表面硅烷处理技术成为人们研究的重点。

关键词：铝合金研究成果硅烷处理

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

一、课题国内外现状

硅烷化处理是以有机硅烷为主要原料对金属或非金属材料进行表面处理的过程。硅烷化处理与传统磷化相比具有以下多个优点：无有害重金属离子，不含磷，无需加温；硅烷处理过程不产生沉渣，处理时间短，控制简便；处理步骤少，可省去表调工序，槽液可重复使用；有效提高油漆对基材的附着力；可共线处理铁板、镀锌板、铝板等多种基材。

目前硅烷技术在欧美的普通工业， 如家用电器﹑汽车零部件﹑ 机械及电信设备等领域得到应用， 并将逐步取代铁系和锌系磷化。 德国凯密特尔公司和美国依科公司的硅烷表面处理技术已在欧洲和美国获得广泛应用。 2003年， 硅烷化处理技术在德国宝马汽车公司进行了试验 测试结果达到了宝马的测试指标 随后硅烷化处理技术在欧美一些国家的汽车公司进行了整车或车身零部件的测试。

二、研究主要成果

1.作用机理

硅烷含有 2 种不同的化学官能团，一端能与无机材料(如玻璃纤维、硅酸盐、金属及其氧化物)表面的羟基反应，另一端能与树脂生成共价键，从而使 2 种性质差别很大的材料结合起来，起到提高复合材料性能的作用。硅烷化处理可描述为 4步反应模型：(1)与硅相连的 3个 Si─OR基水解成 Si─OH；(2)Si─OH之间脱水缩合成含 Si─OH 的低聚硅氧烷；(3)低聚物中的 Si─OH 与基材表面上的 OH 形成氢键；(4)加热固化过程中伴随脱水反应而与基材以共价键连接。为缩短处理剂现场使用所需的熟化时间，硅烷处理剂在使用前需进行一定浓度的预水解。

水解反应

在水解过程中，硅烷间会发生缩合反应，生成低聚硅氧烷。低聚硅氧烷过少，硅烷处理剂现场的熟化时间延长，影响生产效率；低聚硅氧烷过多，则使处理剂浑浊甚至沉淀，降低处理剂稳定性及影响处理质量。

3. 成膜反应

成膜反应是影响硅烷化质量的关键步骤，成膜反应进行的好坏直接关系到涂膜耐蚀性及对漆膜的附着力。因此，硅烷化前的工件表面应除油完全。硅烷化前处理最好采用去离子水，进入硅烷槽的工件不能带有金属碎屑或其他杂质， 处理剂的 pH等参数控制也十分重要。

三、硅烷处理与磷化处理的比较

1.工位工序

硅烷化处理在操作工艺上有所改进，现有磷化处理线稍加改造即可投入硅烷化生产。传统磷化工艺和硅烷化处理比较列于表 1。由表 1 可知，硅烷化处理与磷化处理相比可省去表调及磷化后 2 道水洗工序。因硅烷化处理时间短，故原有磷化生产线无需设备改造，只需调整部分槽位功能即可进行硅烷化处理：①预脱脂、②脱脂、③水洗保留，④水洗改为脱脂槽，⑤ 表调、⑥ 磷化改为水洗槽，⑦水洗改为硅烷化处理，⑧备用。在改换槽位功能的同时，可提高链速进行生产，提高生产效率。

2.处理条件

传统磷化处理后的沉渣、含磷及磷化后废水处理等问题，一直困扰着涂装生产企业。随着国家对环保及节能减排的重视程度不断提高，在未来的时间里，涂装行业的环保及能耗问题将会越来越突出。硅烷化处理在此方面有了很大程度的改善。

3.处理方式

工件处理方式，是指工件以何种方式与槽液接触达到化学预处理之目的，包括全浸泡式、全喷淋式、喷淋浸泡组合式、刷涂式等。它主要取决于工件的几何尺寸形状、场地面积、投资规模、生产量等因素的影响。例则几何尺寸复杂的工件，不适合于喷淋方式；油箱、油桶类工件在液体中不易沉入，因而不适合于浸泡方式。

4.全浸泡方式

将工件完全浸泡在槽液中，待处理—段时间后取出，完成除油或硅烷化等目的的—种常见处理方式，工件的几何形状繁简各异，只要液体能够到达的地方，都能实现处理目标，这是浸泡方式的独特优点，是喷淋、刷涂所不能比拟的。其不足之处，是没有机械冲刷的辅助使用。并且像连续悬挂输送工件时，除工件槽内运行时间外，还有工件上下坡时间，因而使设备增长，场地面积和投资增大，并目工序间停留时间较长，易引起工序间返锈，影响硅烷化质量。

5.全喷淋方式

用泵将液体加压，并以0.1—0.2Mpa的压力使液体形成雾状，喷射在工件上达到处理效果。优点是生产线长度缩短，相应节首了场地、设备。不足之处是，几何形状较复杂的工件，像内腔、拐角处等液体不易到达处，处理效果不好，因此只适合于处理几何形状简单的工件。并且能有效的减小首次投槽费用。

6.喷淋_浸泡结合式

喷淋_浸泡结合式，一般在某道工序时，工件先是喷淋，然后入槽浸泡，出槽后再喷淋，所有的喷淋、浸泡均是同—槽液。这种结合方式即保留了喷淋的高效率，提高处理速度，又具有浸泡过程，使工件所有部位均能得到有效处理。因此喷淋结合式前处理即能在较短时间内完成处理工序，设备占用场地也相对较少，同时又可获得满意的处理效果。在硅烷化处理中可考虑脱脂工序采用喷淋一浸泡结合式。

7.刷涂方式

直接将处理液通过手工刷涂到工件表面，来达到化学处理的目的，这种方式—般不易获得很好的处理效果，在工厂应用较少。对说大型、形状较简单的工件，可以考虑用这种方式。

8.工艺流程

预脱脂─脱脂─水洗─水洗─(纯水洗)─硅烷处理─烘干─喷粉。

四、发展趋势

近年来人们在硅烷的选择、成膜工艺和硅烷的改性上已经有了深入的研究,并取得了一系列成果,金属表面硅烷化处理已经开始应用于多种金属的腐烛防护。未来一段时间内,对于防护性硅烷膜的研究将主要集中一下几个方面:

1、目前的研究主要集中于铝、锌等金属或合金方面,而在其他材料比如碳钢等工程金属材料,尤其是应用于高温环境下的金属材料,还需要进一步的研究。

2、在功能有机硅烷溶液中加入添加剂比如表面活性剂,或者硅烷与其他材料组成的复合涂层也是金属表面功能有机硅烷化处理研究的新方向。

3、后续涂层的研究,硅烷膜层只是作为金属基体的暂时性保护涂层或者中间涂层,通常都需要进一步涂装,找到与硅烷膜结合良好的后续涂层将成为将来的研究人点。

五、存在问题

工艺设计上几点注意事项：

在工艺设计中有些小地方应该十分注意，即使有些是与设备设计有关的，如果考虑不周，将会对生产线的运行及工人操作产生很多不利的影响，如工序间隔时间，溢流水洗，工件的工艺孔，槽体及加热管材料等。

1. 工序间隔时间

各个工序的间隔时间如果太长，会造成工件在运行过程中二次生锈，最好设有工序间水膜保护，可减少生锈。生锈的工件，严重影响硅烷化效果，不能形成完整的硅烷膜，所以应尽量缩短工序间的间隔时间。工序间的间隔时间若太短，工件存水处的水，不能完全有效的沥干，产生串槽现象，特别在喷淋方式时， 会产生相互喷射飞溅串槽，使槽液成分不易控制，甚至槽液遭到破坏。因此在考虑工序间隔时，应根据工件几何尺寸、形状，选择—个恰当的工序间隔时间。

2. 溢流水清洗

提倡溢流水洗，以保证工件充分清洗干净，减少串槽现象。溢流时应该从底部进水，对角线上部开逆流孔溢流。

3. 工件工艺孔

对于某些管形件或易形成死角存水的工件，必须选择适当的位置钻好工艺孔，保证水能在较短的时间内充分流尽。否则会造成串槽或者要在空中长时间沥干，产生二次生锈，影响硅烷化效果。

六、参考文献

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