1 機(jī)理

硅烷是一類含硅基的有機(jī)/無機(jī)雜化物，在水溶液中通常水解生成Si-OH，Si-OH之間脫水縮合成含Si-OH的低聚硅氧烷；低聚物中的Si-OH與金屬表面的Me(OH)n基團(tuán)（Me表示金屬）發(fā)生縮水反應(yīng)快速吸附于金屬表面。一方面，硅烷在金屬界面上形成Si-O-Me共價鍵（共價鍵間的作用力可達(dá)到700 kJ/mol）,與金屬之間的結(jié)合力非常牢固；另一方面，剩余的硅烷分子通過與SiOH基團(tuán)之間的縮聚反應(yīng)在金屬表面形成具有Si-O-Si三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅烷膜。該硅烷膜通過交聯(lián)反應(yīng)再與涂層（電泳漆或粉末涂層）結(jié)合在一起，形成牢固的化學(xué)鍵（硅烷膜與涂層相容性好）。這樣，基材-硅烷-涂層之間通過化學(xué)鍵形成穩(wěn)定的膜層結(jié)構(gòu)。這便是硅烷處理能取代涂裝性磷化和鉻處理的原因。

硅烷膜還能起到封閉磷化膜上大量微孔的作用，形成連續(xù)、完整、致密的復(fù)合膜。該復(fù)合膜的耐蝕能力極強(qiáng)（熱鍍鋅板磷化膜+硅烷膜耐中性鹽霧5個周期,表面仍未腐蝕,顯著優(yōu)于單磷化膜和單硅烷膜的）,并能保持磷化膜的微觀表面粗糙特征（因為硅烷膜極薄，厚度只有200～300μm)。

2 特性

硅烷化處理技術(shù)應(yīng)用于金屬表面處理具有顯著的優(yōu)勢。

2.1 對金屬材質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)

硅烷化技術(shù)適用于處理冷軋鋼板、鍍鋅鋼板、鋁材、鋅-鋁合金及其他金屬基材等，其中鍍鋅鋼板處理效果略差些。可實現(xiàn)多種基材共線生產(chǎn)工藝,處理效果與處理方式有關(guān)（硅烷噴淋效果優(yōu)于浸漬，因后者串槽性更大）。

2.2 污染性小

硅烷化處理工藝無有毒金屬(Zn，Ni等)、無磷及其他有害成分，也不需用亞硝酸鈉之類的有害成分作促進(jìn)劑，使用非常安全可靠,對環(huán)境污染小。

2.3 與涂層配套性好,質(zhì)量優(yōu)

硅烷膜與涂層配套性好，其耐蝕性與磷化膜的相當(dāng)。鹽霧腐蝕試驗表明：鋼桶的硅烷膜的耐鹽霧腐蝕時間≥1000h，達(dá)到磷化膜的耐蝕效果。又如鍍鋅鋼桶的硅烷膜+漆膜經(jīng)500h鹽霧試驗，硅烷膜可剝離寬度幾乎為零（用劃刀劃叉，沿劃痕邊緣部位剝離,考察其可剝離寬度）；磷化膜+漆膜經(jīng)500h鹽霧試驗，可剝離寬度略大。

2.4 過渡性好

無需改造原有設(shè)備,可將磷化生產(chǎn)線直接過渡為硅烷線，不但占地面積?。谆嫉孛娣e較大）,而且還可省去表面調(diào)整工序（原表面調(diào)整槽可改為水洗槽或空置）和磷化后的2道水洗工序。

2.5 槽液管理簡單

(1)槽液調(diào)控簡化。減少了現(xiàn)場加料和檢測的工作量，硅烷槽只需檢測pH值、電導(dǎo)率；而磷化槽和表面調(diào)整槽需要日常檢測、調(diào)整或換槽（磷化槽1年換1次;表面調(diào)整槽7～15天換1次）。

(2)槽液和設(shè)備清理容易。硅烷化處理過程中無沉淀產(chǎn)生,可減少槽液清渣工作量,并解決了固體廢棄物的處理問題;而磷化槽和噴嘴需要定期清渣。

2.6 綜合成本低

(1)用料費(fèi)用少。以某制桶廠處理涂裝200升鋼桶10000只計算，硅烷化原料消耗費(fèi)用略低于磷化的（前者約0.11元/只，后者約0.17元/只)。

(2)產(chǎn)能高。由于工序較少，且處理時間較短，有助于提高企業(yè)的產(chǎn)能。

(3)熱耗低。硅烷化可在常溫下進(jìn)行，僅冬天需加熱到≥15℃，熱能消耗大約為10元/km2。磷化處理溫度需控制在35～40℃（這是涂裝性磷化的最佳溫度），以35℃計算，磷化熱能消耗大約為50元/km2。

(4)電耗省。硅烷化不需要表面調(diào)整步驟，可節(jié)省大量電能。

(5)水耗少。磷化耗水量為4L/只，硅烷化節(jié)省水50%。

(6)廢水處理費(fèi)用少。以國內(nèi)1條年生產(chǎn)能力為100萬只的鋼桶磷化線為例，其廢水處理費(fèi)用比硅烷化多4.9萬元/年。

盡管硅烷化用于涂裝前處理具有諸多的優(yōu)點(diǎn),但不是所有硅烷都能與金屬形成良好的結(jié)合力，必須選擇能適用于多種金屬表面處理的硅烷產(chǎn)品。

3 應(yīng)用

3.1 工藝流程

3.1 某鋼桶硅烷化（冷軋鋼板）

預(yù)脫脂→脫脂→2道水洗去→離子水洗→硅烷化→水洗→去離子水洗→烘干(水洗槽定時溢流)

3.2 工藝配方

3.2.1 硅烷劑基本組分

通常分為建槽劑、補(bǔ)槽劑、槽液調(diào)整劑(分酸性、堿性兩種,降低或升高pH值)、殺菌劑(抑制藻類生長)、活化劑(改善硅烷膜外觀質(zhì)量)等塑劑，配套使用。例如：有一種用于熱鍍鋅層磷化膜的硅烷封閉劑選用BTESPT硅烷,其配方為BTESPT 4mL/L，乙醇90mL/L，H2O 6mL/L。

3.2.2 配槽濃度

視硅烷產(chǎn)品和材質(zhì)不同而異，一般為1.47%～10%（體積濃度）。普通鋼桶冷軋鋼板10%，磷化后封閉0.5%～1.5%。

3.2.3 配槽步驟

(1)清槽 配槽前嚴(yán)格清洗設(shè)備（包括管道）,確保槽內(nèi)清潔，無渣、無污物或其他化學(xué)品殘留，尤其將磷化線直接過渡到硅烷線的設(shè)備，更需要清洗干凈。有條件的話，最后1道用蒸餾水清洗，這樣可延長槽液的使用壽命。

(2)投藥品 在1000L槽內(nèi)注入電導(dǎo)率<30μs/cm的去離子水到70%液位，分別加入981211kg，992514.7kg，99600.8kg，充分?jǐn)嚢瑁a(bǔ)加去離子水至工作液位,調(diào)整pH值在規(guī)定范圍內(nèi)，運(yùn)行槽液。槽體用不銹鋼槽或內(nèi)補(bǔ)PVC或PE的鐵槽。

3.2.4 工藝參數(shù)

(1)pH值 依據(jù)不同硅烷化工藝調(diào)節(jié)pH值，控制范圍為3.8～5.5；處理冷軋鋼板時，pH值為5.8～6.5。定時檢測pH值是非常重要的，可以用帶電極的pH計來測量。降低pH值可在攪拌的情況下少量添加9960；提高pH值可在攪拌的情況下少量添加9950。

(2)溫度 控制在20～30℃(多金屬)。

(3)電導(dǎo)率 控制在3500～4000μs/cm。

(4)時間 噴淋≥20s 浸漬0.5 min～2.5min。

(5)噴淋壓力 水洗0.10～0.15MPa；硅烷處理0.08～0.10MPa。

3.3 槽液維護(hù)

3.3.1 調(diào)槽方法

為了達(dá)到最佳硅烷化效果，必須保持硅烷的體積濃度在規(guī)定范圍內(nèi),通常以0.1%的量補(bǔ)加硅烷劑(如9812和9925)。槽液的濃度通過監(jiān)測pH值、電導(dǎo)率、硅烷點(diǎn)來控制。生產(chǎn)表明：9925硅烷劑日耗量為9812硅烷劑的2.5倍，每天要多次測量pH值和電導(dǎo)率。

3.3.2 維護(hù)要點(diǎn)

(1)防止槽液被污染。一是要使用無磷脫脂劑（因PO3-4對硅烷槽污染性最大），并要求脫脂劑除油效果好；二是脫脂后工件表面要徹底水洗干凈，否則脫脂液被帶到槽液中會破壞槽液平衡，導(dǎo)致硅烷用量上升；三是入槽前一定用去離子水洗。

(2)防止槽液生長藻類。如果槽液長時間不使用，有必要添加殺菌劑。

(3)槽液使用的水質(zhì)要好。

3.4 操作注意問題

(1)處理冷軋鋼板時，會有少量渣（渣量為磷化渣量的1%）。處理面積大時要裝過濾袋除渣。

(2)焊接處不能形成致密的硅烷膜（磷化同樣如此）,與涂層結(jié)合力較差。原因是焊點(diǎn)面與硅烷間發(fā)生縮合反應(yīng)，因而不能成膜。

(3)添加藥劑時，使用添加泵。

(4)定期換槽，換槽周期≥1年。

4 結(jié)論

硅烷劑在金屬表面涂裝前處理中具有良好的應(yīng)用前景，并通過生產(chǎn)實踐不斷得到改進(jìn)。但由于硅烷處理工藝要求生產(chǎn)條件更苛刻（與磷化工藝的相比），加之產(chǎn)品售價仍偏高，欲要使硅烷工藝在金屬表面涂裝前處理中達(dá)到目前國內(nèi)涂裝性磷化的應(yīng)用水平，還需要經(jīng)歷較長的成熟期，必須進(jìn)一步加強(qiáng)硅烷產(chǎn)品的研究與應(yīng)用,縮小與國外硅烷產(chǎn)品的差距，提升國內(nèi)硅烷工藝的整體水平。