2014 年 第 5 期 廣 東 化 工
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環(huán)保型金屬表面硅烷處理劑的制備和應(yīng)用

彭艷瓊
1 ，李衛(wèi)民 1 ，丁曉莉 1 ，孫明 2*
(1．廣州立銘環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 廣州 510663；廣東工業(yè)大學(xué) 輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006)
[摘 要]硅烷處理技術(shù)在金屬涂裝領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)在替代傳統(tǒng)的磷化方面，具有節(jié)能、環(huán)保等突出的優(yōu)點(diǎn)。文章論述了硅烷處理
劑的作用原理、優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，并通過具體案例描述了一種環(huán)保硅烷處理劑的基本配方及其施工工藝和性能。
[關(guān)鍵詞]硅烷；表面處理；前處理
[中圖分類號(hào)]TM911 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1007-1865(2014)05-0059-02
Preparation and Application of Environmental Silane Solution for Metal Surface
Pretreatment
Peng Yanqiong 1 , Li Weimin 1 , Ding Xiaoli 1 , Sun Ming 2*
(1. Guangzhou Liming Environmental Technology Co., Ltd., Guangzhou 510663；
2. School of Chemical Engineering and Light Industry, Guangdong University of Technology, Guangzhou 51006, China)
Abstract: The silane pretreatment technology has found wide applications around the areas of metal coatings. Compared with the traditional Zinc phosphating,
it is an energy-saving and environment-friendly pretreatment process. Here, we first discuss the work principles and advantages of the silane pretreatment solution.
We also prepared a new kind of silane solution, and studied its process technology, parameter control, and performance based on one practical case in a factory.
Keywords: silane；surface treatment；pretreatment
傳統(tǒng)磷化工藝在金屬防腐方面具有優(yōu)良的性能，但是磷化處
理含有鋅、鎳、錳等有害重金屬元素，廢水，廢渣處理工藝復(fù)雜
而且費(fèi)用昂貴。在綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的背景下，世界各國都
在尋找和開發(fā)環(huán)境友好的金屬表面預(yù)處理技術(shù)。其中，采用硅烷
處理劑表面改性是一種既環(huán)保、實(shí)用效果又好的金屬表面處理技
術(shù)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)。硅烷偶聯(lián)劑已有 60 多年的
歷史，隨著它在復(fù)合增強(qiáng)材料以及材料表面處理中的應(yīng)用，以及
合成的種類日益增多，應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大。硅烷具有無毒、無
污染，并且能提高有機(jī)涂層對(duì)各種底材的結(jié)合力等優(yōu)點(diǎn) (適用于
所有無機(jī)材料和有機(jī)材料的表面連接)，而引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛
關(guān)注。近年來，硅烷在家用電器、汽車、電子、航空及大型裝備
等工業(yè)涂裝領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 [1]
1  硅烷處理劑作用原理 [2]
在密封存放時(shí)，硅烷很穩(wěn)定，但與水反應(yīng)(或者水解)后就成
為很活潑的物質(zhì)，可以與各種金屬表面形成化學(xué)鍵而結(jié)合牢固；
同時(shí)，硅烷分子間還會(huì)形成網(wǎng)狀的交聯(lián)，交聯(lián)后形成的皮膜就有
一定的耐腐蝕性，與各種涂料的結(jié)合力也很強(qiáng)。所以經(jīng)過硅烷處
理的金屬表面既提高了金屬的耐蝕性，也提高了漆膜的附著力。
硅烷化學(xué)結(jié)構(gòu)通式可表示為：Y-R-Si-X，其中 X 為水解基團(tuán)，
Y 為能與樹脂等起反應(yīng)的有機(jī)官能團(tuán)。不同的硅烷含有不同的 X
基團(tuán)和 Y 基團(tuán)，表現(xiàn)出不同的水解速度和反應(yīng)活性，因而對(duì)每一
特定的領(lǐng)域都必須選擇合適的硅烷溶液。
硅烷作為金屬表面新型涂層的作用機(jī)理是其首先水解反應(yīng)生
成硅醇，硅醇羥基在無機(jī)物(金屬)表面形成氫鍵，進(jìn)一步通過脫
水反應(yīng)形成-Si-O-Me 共價(jià)鍵，從而在金屬基材表面成膜，同時(shí)，
硅烷水解產(chǎn)物硅醇分子間又可相互縮合、齊聚，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的
膜覆蓋在金屬基材表面 [3] 。
2  硅烷處理劑的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn) [4]
(1)環(huán)保性能：不含重金屬和磷，硅烷產(chǎn)品中不含磷元素，槽
液經(jīng)過 pH 調(diào)整后可直接排放，減少了使用廠家對(duì)于廢水排放的
投入，而且產(chǎn)品在使用過程中不產(chǎn)生沉渣。
(2)節(jié)能顯著：硅烷作為一種新型的皮膜劑，所需要的反應(yīng)溫
度低，不需要加熱，為使用廠家減少了熱能消耗。
(3)使用性廣泛：適用于各種不同的板材，冷軋板材，熱軋板
材，鍍鋅板材和鋁材。
(4)處理時(shí)間：相對(duì)傳統(tǒng)磷化處理(一般在 2~10 分鐘)，硅烷處
理時(shí)間在 30~90 秒，可以大大提高生產(chǎn)效率。
(5)工藝簡化：傳統(tǒng)磷化處理需要脫脂，水洗、表調(diào)、磷化四
個(gè)基本步驟，而硅烷只需要脫脂、水洗、硅烷處理三個(gè)基本步驟，
設(shè)備投入大大降低。
(6)配套性能和成本：后續(xù)可配合電泳、粉末以及油漆等涂裝
工藝。由于本身皮膜(0.2~0.5 μm)相對(duì)傳統(tǒng)的鋅系磷化膜(2~10 μm)
更薄，每公斤原液可以處理的更多工件，有較高的性價(jià)比，所以
具有較高的市場(chǎng)價(jià)值和應(yīng)用前景。
3  硅烷處理劑的主要成分
(1)可以是下面硅烷中的一種或兩三種的組合。氨丙基三乙氧
基硅烷 APS，縮水甘油醚丙基三甲氧基硅烷 GPTMS , 雙(三乙氧
基硅)乙烷 BTSE，雙(γ-(三乙氧基硅)丙基)四硫化物 BTSPS，雙(三
甲氧基硅丙基)胺 BTSPA，縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷
WD-60，乙烯基三乙氧基硅烷 WD-20。
(2)二氧化硅乳液： 1 %~20 %。
(3)三乙醇胺、單乙醇胺：1 %~5 %。
(4)非水離子表面活性劑：0.2 %~5 %。
(5)水性樹脂 ： 1 %~5 %。
4  百通電訊廠應(yīng)用實(shí)例簡介
4.1 工藝流程
傳統(tǒng)的鋅系磷化工藝為：
該工藝處理后磷化產(chǎn)生的重金屬沉渣需要專門的處理。
本項(xiàng)目開發(fā)的新型的硅烷處理工藝為：
新工藝在五金前處理過程中，并無大量的沉渣產(chǎn)生，不需要專
門的沉渣處理設(shè)備以及投資。
4.2 硅烷槽參數(shù)
pH： 4.0~4.5；
處理時(shí)間：30~60 s；
處理板材：100 %冷軋板或各種混合板材。
4.3 噴粉之后進(jìn)行中性鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)工件：冷軋板；
[收稿日期] 2014-01-14
[基金項(xiàng)目] 環(huán)境友好型硅烷處理液的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化
[作者簡介] *為通訊作者：孫明(1978-)，男，博士，副教授，主要從事功能材料，精細(xì)化學(xué)品及催化劑方面的研究。
廣 東 化 工 2014 年 第 5 期
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所用儀器：鹽霧箱；
使用藥品：5 %的氯化鈉溶液；
溫度：35℃；
表面處理：硅烷化噴粉固化后，干燥后劃交叉十字；
鹽霧試驗(yàn)結(jié)果：300 h 中性鹽霧實(shí)驗(yàn)，單邊銹蝕＜1 mm，與
采用鐵系磷化前處理工藝的結(jié)果相當(dāng) [5] 。
4.4 工藝流程(4.3 和 4.4 之間，需要重新定位之間的關(guān)系)
脫脂→水洗→純水洗→硅烷處理→電泳→水洗→純水洗→烘干→
固化；
硅烷槽參數(shù)：
開槽濃度： 2 %，
pH ： 4.0~4.5，
處理時(shí)間：30~60 s。
對(duì)處理后的工件采用傳統(tǒng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表 1：
表 表 1 測(cè)試結(jié)果
Tab.1 Detection results
測(cè)試項(xiàng)目  檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)  測(cè)試結(jié)果  判定
附著力  6×6 劃格法，GB/T 9286-1998  0 級(jí)  合格
耐水性  40±1 ℃浸 48 h，附著力 100 %，無起泡，脫漆，變色，失光  無起泡，無脫漆，無變色，未失光，附著力 100 %  合格
耐高溫  200 ℃×3 h，無變色，脫漆，失光，附著力 100 %  無變色，無脫漆，未失光，附著力 100 %  合格
耐酸性
0.1 mol/L H 2 SO 4 溶液滴 0.2 mL 在有效面上 24 h 無起泡，脫漆，
失光，漆膜變色
無起泡，無脫漆，未失光，漆膜未變色  合格
耐堿性
0.1 mol/L NaOH 溶液滴 0.2 mL 在有效面上 24 h 無起泡，無脫漆，
不失光，漆膜未變色
無起泡，無脫漆，未失光，漆膜未變色  合格
表 表 2 耐鹽霧性能
Tab.2 Salt spray resistance
表面處理  硅烷處理后電泳，干燥后劃“×”
檢測(cè)材料  冷軋板
檢測(cè)依據(jù)  GB/T 1771-91
檢測(cè)項(xiàng)目  中性鹽霧試驗(yàn)
樣品狀態(tài)  外觀完好，適合檢驗(yàn)
檢測(cè)過程及結(jié)論
檢測(cè)項(xiàng)目  標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)要求  樣品編號(hào) 試驗(yàn)時(shí)間/h  150 198 246  294  342  判定結(jié)果
中性鹽霧試驗(yàn)
試驗(yàn)溶液：5 %的 NaCl 純水溶液
pH=6.0~7.0
試驗(yàn)溫度：35 ℃
樣品放置位置：被試表面與垂直方向呈 20°±5°
連續(xù)噴霧
1#  √  √  √  √  √  合格
2#  √  √  √  √  √
3#  √  √  √  √  √
注：試驗(yàn)時(shí)每隔 24 h 將三個(gè)樣板換位，但始終保持被試表面與垂直方向呈
20°±5°；
√—表示經(jīng)過相應(yīng)時(shí)間的鹽霧試驗(yàn)處理后樣品表面良好，沒有出現(xiàn)起泡、脫漆、
附著力降低、劃痕處腐蝕蔓延等情況。
檢測(cè)結(jié)果表明硅烷化的處理能達(dá)到傳統(tǒng)的鐵系磷化處理效
果，但距三元鋅系磷化的性能尚有差距。
5  硅烷發(fā)展前景
隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的越來越重視，環(huán)保涂裝取代傳統(tǒng)涂裝
已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，并且其發(fā)展速度日益加快。采用硅烷處理劑
對(duì)金屬表面進(jìn)行預(yù)處理，可以替代傳統(tǒng)的結(jié)晶型磷化層，具有無
磷、低耗能和不含 Ni、Cr、Mn 等重金屬元素的優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)見，
硅烷處理劑必將對(duì)涂裝行業(yè)的清潔生產(chǎn)帶來深遠(yuǎn)的影響和無限發(fā)
展的契機(jī)。
參考文獻(xiàn)
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(本文文獻(xiàn)格式：彭艷瓊，李衛(wèi)民，丁曉莉，環(huán)保型金屬表面硅烷
處理劑的制備和應(yīng)用[J]．廣東化工，2014，41(5)：59-60)