环保型硅烷金属表面处理剂现状及工艺

一、目的及意义

    随着汽车、飞机、船舶、家电等行业的发展，对金属零件表面耐腐蚀、耐高温、磨损、抗氧化、抗疲劳、防辐射、导电、导磁、绝缘、装饰等特殊性能的要求更加广泛，促使金属表面处理技术迅速发展起来。

    国内用于金属表面处理的主要方法是磷化法，由于磷化法高能耗、高污染、高成本，逐步被硅烷表面处理技术取代，硅烷处理技术正在不断地被研发、成熟完善和应用。硅烷处理与传统的磷化法相比具有以下优点：无有害重金属离子，不含磷，无需加温且硅烷处理过程不产生沉渣，处理时间短，控制简便；可省去表调工序，槽液可重复使用；有效地提高了涂料对基材的附着力；可共线处理铁板、镀锌板、铝板等多种基材。因此，新型的环保、节能、低排放、低使用成本的硅烷金属表面处理技术成为国内外技术人员研究的重点。

    硅烷偶联剂是一类具有有机官能团的含硅化合物。其分子式可用通式Y(CH2)nSiX3表示，此处n=0-3；X通常是氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧乙氧基、乙酰氧基等，这些基团水解时即生成硅羟基，而与无机物质结合，形成硅氧烷。Y是乙烯基、氨基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、巯基或脲基，这些有机官能团可与有机物质反应。当硅官能团水解时，则Si-X转化成Si-OH，并副生HX。Si-OH既可与其它分子中的Si-OH或被处理基材表面的Si-OH发生缩合脱水反应形成Si-O-Si键结合，甚至还可与某些氧化物（如氧化铝、氧化铁、氧化锡、氧化锆、氧化钛、氧化镍等）反应，生成稳定的Si-O键合，从而使硅烷得以和无机物或金属连接。利用硅烷的这一特性，可将其应用于金属防锈及防氧化，Mg、Al、Cr、Fe、Zn等金属经硅烷处理后，可大大提高其抗腐蚀性能。

    硅烷处理技术正是利用了硅烷偶联剂的特殊性能。在金属表面的成膜过程为：(1)硅烷偶联剂经水解后，形成具有疏水和亲水结构的硅醇；(2)通过分子间脱水缩合形成有序的低聚物；(3)低聚物与金属表面上的羟基形成氢键；(4)由于分子内脱水，部分形成共价键后，紧密排列在金属表面，形成一层致密的硅烷膜。

    二、国内外研究现状

    硅烷处理技术可以有效地用于铁、铝、铜、锌、镁及合金的防护。

    朱丹青等对金属表面硅烷处理工艺技术及处理后的功能特性进行了研究。分别进行了中性盐雾、铜加速醋酸盐雾、电偶腐蚀、大气暴露和海水浸泡试验。结果表明，金属表面硅烷处理工艺技术可以取代涂装前磷化及铬化处理，且技术具有常温处理、无毒性、无污染的特点，可广泛应用于涂装前处理与防腐领域。

    张微等采用KH-550硅烷溶液对AZ31镁合金试片进行硅烷化处理，通过浸泡和电化学测试技术评定出8%的硅烷溶液中浸涂50s表干后在100℃陈化0.5h所形成的硅烷膜层与镁合金基体之间的界面结合较好，并很好地抑制了镁合金的腐蚀，提高了其耐腐蚀性能。

    哈尔滨化工研究所选取了一种新型的金属表面防护硅烷化处理试剂——乙烯基三氯硅烷,并使其在水和醇混合溶剂中水解,水解过程稳定性好,且能保证硅羟基的含量。通过耐水性测试、盐水浸泡测试、耐酸碱性测试、3%CuSO4溶液点蚀实验结果表明,该新型的金属表面防护硅烷化处理试剂耐水性、耐盐水性、耐酸碱性、耐CuSO4溶液点蚀性性能良好,同时具有环保、成本低等优点,经硅烷处理的金属表面的耐蚀性能优于传统的磷化技术。

    VanOoij等对热镀锌钢及铝合金表面硅烷膜层进行了一系列研究，最初研究了单一硅烷对铝合金及热镀锌钢防护性能的影响；随后采用了纳米添加剂及稀土改性技术研究硅烷薄膜层对其机械性能及耐腐蚀性的影响，最后提出适用性更广的混合硅烷处理法。

    M.L.Zheludkevich采用电化学阻抗测试(EIS)研究了铝合金膜层的耐蚀性及自愈性，发现在膜层具有自愈性能，扫描振荡电极技术(SVET)测试结果也进一步证实了膜层的自愈性。

    F.Zucchi等人研究了硅氧烷膜层对铜表面的防护性能，发现含有硫醇键的硅烷与铜表面结合良好，并可显著抑制表面阳极反应，从而有效提高铜的防腐性能。