硅烷

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硅烷技术的技术特点以及应用现状和前景

摘要：硅烷技术可以替代磷化技术，给表面预处理技术带来革命性的变革。本文介绍了硅烷技术的原理、技术特点以及应用现状和前景。 关键词：预处理、磷化、硅烷

1． 前言

在各种金属预处理方法中，磷化处理是最为广泛采用的方法。在家用电器、自行车、摩托车和汽车等行业中，为了保证涂层优良的耐久性和防腐蚀性能，都采用磷化处理作为涂装的前处理。

自1906年美国伯明翰的Thomas Watts Coslett首创磷化技术以来，磷化技术已有百年历史。百年来，磷化技术经久不衰，不断发展，从30年代的锌系磷化技术和铁系磷化技术到60~70年代的改良锌系磷化技术，随后到90年代初期的无镍磷化技术，最终到2002年氧化铁系磷化技术。随着磷化技术的不断发展创新，其应用领域越来越广，为防腐蚀事业作出了突出贡献。 为了贯彻清洁生产的标准，开发更加环保的技术和产品，近年来有一些新的磷化技术得到开发及应用，具体应用状况如图1所示：

尽管人们做了很大的努力，依然无法从根本上改变磷化过程。传统预处理工艺具有高能耗、重金属离子含量高、含致癌物、废水废渣排放多等缺陷。随着环保和节能呼声的日渐增高，预处理技术正朝着保护环境、降低成本、提高质量和操作简便等方向发展。

硅烷技术是预处理技术的最新发展方向，它具有环保、节能、操作简便、成本低等磷化技术无可替代的优点。目前硅烷技术在普通工业中已开始逐步取代铁系和锌系磷化，在汽车工业中正在开发试验过程中。硅烷技术是采用OXSILAN超薄有机涂层替代传统的结晶型磷化保护层，在金属表面吸附了一层超薄的类似磷化晶体的三维网状结构的有机涂层，同时在界面形成的Si-O-Me共价键(其中：Me=金属)分子间力很强，将与金属表面和随后的油漆涂层形成良好的附着

力。硅烷技术的成功应用给磷化技术带来革命性的变革。

2．硅烷技术原理

硅烷技术的反应机理如下：

2.1 在使用过程中，水解后的OXSilane分子(≡Si(OR)3)中的SiOH基团与金属表面的MeOH基团形成氢键，快速吸附于金属表面。

2.2在干燥过程中，SiOH基团和MeOH基团进一步凝聚，在界面上生成Si-O-Me共价键。

SiOH(溶液)+MeOH(金属表面) = SiOMe(界面)+H2O

2.3 剩余的OXSilane分子则通过SiOH基团之间的凝聚反应在金属表面上形成具有Si-O-Si三维网状结构的有机膜。 缩合反应：

3 硅烷技术的优点

3.1 硅烷技术形成的超薄有机膜可以替代传统的磷化膜，磷化膜的重量通常为2~3g/㎡, OXSILAN涂层膜重仅仅0.1 g/㎡，相差20倍左右。

3.2 Si-O-Me 共价键分子间的结合力很强，所以产品很稳定，从而可以提高产品的防腐蚀能力。

3.3 使用方便，便于控制，槽液为双组分液体配成，仅需要控制PH值和电导率，无须象磷化液那样，要控制游离酸、总酸、促进剂、锌、镍、锰的含量和温度等许多参数。 3.4节约能源，可室温或低温操作，能源费用降低。

3.5 优异的环保性能，无有害的重金属，无渣、废水排放少，处理容易，如果安装过滤器及离子交换器，可以做到封闭循环使用。

3.6 适用性强：适用于浸渍、喷淋等处理方式。

3.7 多金属处理工艺：冷轧板、热镀锌板、电镀锌板、涂层板、铝等不同板材可混线处理。 3.8 工艺简单，流程短。

3.9 综合成本低，产品消耗量低，三废处理成本低。

3.10 与原有涂装工艺和涂装设备相容，不需进行设备改造，只需更换磷化液，即可投入生产。

4．硅烷技术在普通工业的应用

硅烷技术已开始在普通工业中应用，以硅烷处理取代铁系和锌系磷化处理。

如家用电器、汽车零部件、钢轮毂、机械及电信设备等领域。普通工业的硅烷工艺流程如图3和图4所示：

4.1 在普通工业中使用的硅烷产品

在普通工业中使用的硅烷产品、特点及应用领域如表1所示：

表1 在普通工业中使用的硅烷产品

类型 第一代 牌号 OXSAM MM-/AL- /ST-/MG- OXSAM 9800 OXSAM 9802 第二代 OXSAM 9810 OXSAM 9812

4.2 普通工业中硅烷预处理的技术参数、工艺特点及质量 普通工业的硅烷预处理的技术参数及工艺特点如表2所示：

表2 普通工业中硅烷预处理的技术参数及工艺特点

项目 处理时间 处理温度 处理方式 控制参数 槽液PH值 硅烷预处理 2 min 25~40℃ 喷淋、浸渍或辊涂 PH，电导率 3.8~4.5 800~1200 μS/cm (OS 9800) 电导率

硅烷预处理质量在耐弯曲开裂性和杯突方面要优于传统的预处理工艺，具体测试数据如表3所示：

表3 硅烷预处理与传统预处理涂层质量对比

热镀锌板，预处T弯曲试验 (ECCA T7) 杯突测试 (DIN 1520/2409) 盐雾试验 (DIN 50021) 循环试验 (DIN 50017) 2200~3500 μS/cm (OS 9812) 多金属处理能力 项目 保质期 槽液寿命 液体组分 槽液组成 与原工艺设备的 相容性 硅烷预处理 >=12个月 无需更换 2 OXSAM—有机组分 OXSAM添加剂—无机组分 不冲突 （无需设备改造） 冷轧板、预涂板、铝板、镀锌板 取代钢铁基材铁系磷化 取代多种金属铁系磷化 抗水解稳定性及附着力方面较第机械、汽车零部件，家用一代有较大提高，电器等领域 取代钢铁基材锌系磷从而提高了涂层化 的防腐蚀能力 取代多种金属锌系磷化 稳定性较差、易水解及附着力较差 产品特点 应用领域 粉末涂装前的零件预处理涂层、卷材以及食品包装工业 理， 底漆和面漆 OXSAM MM-0702 传统工艺 油漆损失 T0 5% 10% T1 <1% 5% 油漆损失 1008h后的扩展值 20循环后的扩展值 划痕 边缘 2mm 1.5mm 划痕 <1 <1 边缘 1.5 1.5 <1% <5% 2mm 1.5mm 硅烷涂层随着处理基材不同产生不同的视觉外观，如在铁板上，硅烷涂层是淡黄色的；在镀锌板上，硅烷涂层是偏蓝色的；在铝板上，硅烷涂层是反光灰色的。

5．硅烷技术在汽车工业中的应用

随着世界上磷、镍、锌等资源的枯竭，以及对磷化槽液中镍盐使用量的限制，我国从2006年12月1日开始执行汽车制造业（涂装）清洁生产标准，对磷化液做了各种限制，如不含亚硝酸盐，不含第一类金属污染物，低温低渣等等，这些都为硅烷技术在汽车工业中推广使用创造了条件。

5.1 硅烷汽车预处理工艺

传统的汽车预处理工艺流程如图5所示：

硅烷预处理取代了传统的表面调整、磷化和钝化工艺，工艺简洁了许多，从而消除磷化和钝化造成的污染问题。 5.2 硅烷汽车预处理工艺的优点

硅烷预处理工艺在一般工业中所具有各种优点，在汽车工业同样显示出其优越性，汽车工业投资巨大，使用硅烷技术，还有如下优点：

（1） 系统长度缩减：无需表面调整和钝化工序，可缩短处理时间，新建生产线可减少投资和占地面积。。

（2） 与现有汽车涂装工艺和设备不发生冲突，老的生产线不用改造，只需更换槽液，即可投入生产。

（3） 硅烷处理后，不用烘干，直接进行电泳。 5.3 硅烷汽车预处理工艺的技术参数及工艺特点

硅烷汽车预处理工艺的技术参数及工艺特点如表4所示：

表4 硅烷OXSAM9812的工艺特点

项目 处理时间 处理温度 处理方式 槽液PH值 槽液寿命 硅烷OXSAM9812 2 min 25~45℃ 喷淋或浸渍 3.5~4.5 受污染/电导率限制， 可通过溢流控制 项目 与电泳漆相容性 保质期 槽液组成 控制参数 膜重 硅烷OXSAM9812 相容 6个月 OXSAM—有机组分 OXSAM添加剂—无机组分 PH，电导率 20-40mg/m2有机组份 40-80mg/m2无