作為一種全新的前處理涂裝底層替代技術(shù)，硅烷在金屬表面處理方面的應(yīng)用已取得了很大進(jìn)展。本文主要介紹了金屬表面硅烷處理機(jī)理，以及通過在現(xiàn)代汽車工業(yè)中對(duì)硅烷技術(shù)和磷化處理在參數(shù)控制、生產(chǎn)維護(hù)、工藝管理等方面的比較，硅烷表面處理技術(shù)在滿足磷化技術(shù)要求的同時(shí)，它以常溫處理、管理便捷、維護(hù)低成本、無毒無污染等諸多優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代工業(yè)的涂裝前處理工序中，完全可以作為磷化的綠色替代技術(shù)得到推廣應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：硅烷技術(shù)； 磷化技術(shù)； 前處理

　　1.引言

　　磷化處理不改變零件的機(jī)械性能、強(qiáng)度、磁性等，還有較高的電絕緣性，膜與基體金屬結(jié)合強(qiáng)度高，是涂裝前的良好底層能進(jìn)一步提高零件的耐腐蝕能力。近年隨著汽車工業(yè)的異軍突起，磷化--這一已有百年歷史的表面前處理技術(shù)更是得到了進(jìn)一步的繁榮和發(fā)展。但是隨著能源緊缺和《中華人民共和國(guó)清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》的頒布，磷化工藝高耗能、含有重金屬離子和致癌物、排放的廢水和廢渣多、三廢處理困難等缺陷，已經(jīng)無法滿足節(jié)能環(huán)保、降本增效這一現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的方向。為此，在滿足傳統(tǒng)磷化處理工藝優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又能做到工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保、綜合成本低的金屬表面硅烷化處理應(yīng)運(yùn)而生，其憑借諸多優(yōu)勢(shì)有望成為磷化的綠色替代工藝。

　　金屬硅烷處理技術(shù)是20世紀(jì)80年代以來，美國(guó)和歐洲部分機(jī)構(gòu)開始研究，目前德國(guó)Chemetall（凱密特爾集團(tuán)）、美國(guó)Ecosil公司硅烷前處理部分產(chǎn)品已在歐洲及北美地區(qū)國(guó)家使用使用，并有完全取代傳統(tǒng)磷化工藝的趨勢(shì)。Chemetall公司已在我國(guó)上海、長(zhǎng)春、重慶等地成立了凱密特爾集團(tuán)分公司，進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，并在鋼鐵、家電、汽車零件公司等行業(yè)得到了認(rèn)可和應(yīng)用。

　　2.金屬表面硅烷處理機(jī)理

　　2.1硅烷的單分子結(jié)構(gòu)

　　硅烷是一類含硅基的有機(jī)/無機(jī)雜化物，其基本分子式為：R'(CH2)nSi(OR)3（其中OR是可水解的基團(tuán)，R'是有機(jī)官能團(tuán)。），它是與硅油和硅酸鹽完全不同種類的硅產(chǎn)品。其單 分子結(jié)構(gòu)如圖1所示：

　　2.2金屬表面硅烷處理機(jī)理

　　硅烷在水溶液中通常是以水解的形式存在，其水解平衡反應(yīng)式如下：

　　主要的水解產(chǎn)物為SiOH基團(tuán)，當(dāng)溶液中形成足量的活性SiOH基團(tuán)，該溶液就可進(jìn)行金屬硅烷處理。金屬在浸泡中，水解后的硅烷分子RSi(OR)3通過SiOH基團(tuán)與金屬表面的MeOH（Me表示金屬）形成氫鍵，而快速吸附于金屬表面。在金屬界面上形成Si-O-Me共價(jià)鍵，其反應(yīng)式如下：

　　SiOH硅烷液+MeOH金屬表面 Si-O-Me界面+ H2O

　　另外剩余的硅烷分子通過SiOH基團(tuán)之間的凝聚反應(yīng)在金屬表面上形成具有Si-O-Si三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅烷膜，其縮合反應(yīng)式如下：

　　硅烷網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型如圖2所示：

　　一般來說，共價(jià)鍵Si-O-Me間的作用力可達(dá)700Kj/mol，從而使得網(wǎng)狀的硅烷膜緊密的黏合在金屬表面（其膜厚主要取決于硅烷溶液的濃度）；自后該硅烷膜在烘干過程中或后道的電泳漆交聯(lián)反應(yīng)結(jié)合在一起，形成牢固的化學(xué)鍵。這樣，基材、硅烷和油漆之間可以通過化學(xué)鍵形成穩(wěn)固的膜層結(jié)構(gòu)。

　　3.汽車工業(yè)前處理硅烷與磷化對(duì)比

　　3.1工藝流程對(duì)比

　　3.1.1磷化工藝流程：

　　3.1.2硅烷工藝流程：

　　3.1.3磷化和硅烷的生產(chǎn)維護(hù)對(duì)比

　　1）磷化工藝

　　a）日常檢測(cè)控制項(xiàng)目：表調(diào)槽液的PH值，磷化槽液的TA(總酸度點(diǎn)數(shù))、FA（游離酸度點(diǎn)數(shù)）、AC（促進(jìn)劑點(diǎn)數(shù)）、PH(磷化軸封液)，其中AC每隔2h進(jìn)行檢測(cè)一次隨時(shí)調(diào)整。必要時(shí)還要對(duì)磷化液的鋅、鎳等離子進(jìn)行控制。

　　b)槽液生產(chǎn)維護(hù)要點(diǎn)：每班生產(chǎn)前，提前90分鐘以上開啟加熱系統(tǒng)和循環(huán)攪拌系統(tǒng)，并且在生產(chǎn)過程中攪拌不應(yīng)停止。生產(chǎn)前，在未開啟磷化循環(huán)泵前開啟磷化除渣泵進(jìn)行除渣工作至少30min，然后才能進(jìn)行正常生產(chǎn)。

　　c)槽液倒槽清洗：表調(diào)至少半月、磷化一個(gè)季度進(jìn)行掏槽清洗處理。

　　2）硅烷工藝

　　a)日常檢測(cè)控制項(xiàng)目：活化點(diǎn)（2.0-4.8點(diǎn)），PH值（3.8-5.5），電導(dǎo)率（<5500μs/cm）。

　　b)槽液生產(chǎn)維護(hù)要點(diǎn)：PH值和電導(dǎo)率要每天多次測(cè)量，PH值測(cè)量要求用對(duì)氟離子穩(wěn)定的PH計(jì)，槽液通過監(jiān)測(cè)PH、電導(dǎo)率活化點(diǎn)來控制。

　　c)槽液倒槽清洗：因硅烷處理無殘?jiān)a(chǎn)生，槽液不必進(jìn)行徹底清理，只需在在保證槽液有良好溢流的情況下，每周（或根據(jù)生產(chǎn)）溢流更換10% 的槽液，調(diào)整好活化點(diǎn)、PH值后即可進(jìn)行正常生產(chǎn)。

　　4.金屬硅烷處理的優(yōu)勢(shì)與不足

　　4.1金屬硅烷處理的優(yōu)勢(shì)

　　4.1.1技術(shù)性能優(yōu)越：耐蝕性和涂層的附著力硅烷處理膜都優(yōu)于磷化膜，磷化膜的重量一般為2-3g/m2，而硅烷膜重0.1g/m2，試驗(yàn)表明硅烷膜具有優(yōu)良的防銹能力，在工序間，不出現(xiàn)泛黃生銹現(xiàn)象，質(zhì)量穩(wěn)定，與涂層的結(jié)合強(qiáng)度高。

　　4.1.2適合環(huán)保生產(chǎn)

　　1）硅烷處理中不含鋅、鎳等有害重金屬及其它對(duì)人體有害成分（尤其鎳已經(jīng)被證實(shí)對(duì)人體危害較大，世界衛(wèi)生組織規(guī)定2016年后鎳需要達(dá)到零排放。）。

　　2）在硅烷處理中，不會(huì)產(chǎn)生含磷物質(zhì)，從而不會(huì)對(duì)水體造成富氧污染，有利于環(huán)保生產(chǎn)。

　　3）不需要亞硝酸鹽促進(jìn)劑，從而避免了亞硝酸鹽及其分解產(chǎn)物對(duì)人體及水體的危害。

　　4.1.3成本控制優(yōu)勢(shì)較為明顯

　　1）硅烷處理是無渣的，無需進(jìn)行殘?jiān)幚?，從而?jié)約磷化的除渣設(shè)備和磷化殘?jiān)幚碣M(fèi)用。

　　2）硅烷處理沒有表調(diào)，節(jié)約費(fèi)用、縮短工藝流程，可提高生產(chǎn)能力，對(duì)新投資線還可以節(jié)約初期投資費(fèi)用和場(chǎng)地空間。

　　3）硅烷常溫運(yùn)行，10-35℃在我國(guó)大部分地區(qū)無需溫度控制就可生產(chǎn)，在我國(guó)北方冬天只要稍微加熱就可達(dá)到工藝要求，有利于節(jié)約能源消耗。

　　4.1.4生產(chǎn)工藝管理便捷

　　1）在硅烷處理中，不存在如磷化流水線在每班生產(chǎn)前必須要對(duì)磷化液進(jìn)行過濾除渣，定期必須倒槽清理。

　　2）硅烷處理與現(xiàn)有工藝設(shè)備不沖突，無需設(shè)備更新可直接代替磷化，能與目前所用的各類油漆涂裝相匹配。

　　3）硅烷工藝管理中只控制PH、電導(dǎo)率、活化點(diǎn)，不存在磷化卻需要控制總酸度TA、游離酸度FA、促進(jìn)劑AC，必要時(shí)還需要鋅、鎳、錳等離子的濃度，同時(shí)無表調(diào)也無需進(jìn)行管理，從而簡(jiǎn)化了工藝管理。

　　4.2金屬硅烷處理的不足

　　作為一種全新的前處理涂裝底層替代工藝，硅烷在金屬表面的應(yīng)用已取得了重大發(fā)展， 顯示出巨大的潛力。然而， 該工藝還存在一些不足之處， 在某種程度上制約著其在工業(yè)上的大量應(yīng)用。該工藝存在的不足主要有:

　　4.2.1 只能作為底層膜層：若沒有進(jìn)一步涂裝處理， 單獨(dú)使用硅烷對(duì)金屬進(jìn)行防護(hù)的效果不好。盡管它與基體具有良好的結(jié)合力， 但由于涂層較薄， 且非抑制劑不能產(chǎn)生自修復(fù)功能， 因此其防護(hù)效果有限。

　　4.2.2對(duì)金屬表面狀態(tài)要求嚴(yán)格：硅烷處理技術(shù)對(duì)金屬基體表面和硅烷槽液清潔性要求相對(duì)較高， 金屬表面油污及槽液雜質(zhì)離子都將影響硅烷膜層的防護(hù)性能。

　　4.2.3硅烷溶液穩(wěn)定性有待提高：硅烷溶液存放時(shí)間相對(duì)較短， 易發(fā)生縮聚而失效， 使得工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用受限。

　　5.結(jié)語

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，硅烷雖然在目前的技術(shù)條件下還不是很完美，但作為新型的環(huán)保前處理技術(shù)，其諸多的優(yōu)勢(shì)，不失為一種較好的磷化替代技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型工業(yè)生產(chǎn)提供了多樣的選擇，在今后的工業(yè)發(fā)展中具有廣闊的發(fā)展前景