硅烷化處理及其在金屬表面處理中的應(yīng)用分析

汪洋 包英俊

摘 要 工業(yè)生產(chǎn)中，將耐腐蝕的有機(jī)物涂覆在金屬表面，經(jīng)固化成膜后制備的有機(jī)涂層具有屏蔽、緩蝕及電化學(xué)保護(hù)三方面的作用，防腐效果好。由于涂料具有選擇性寬、可用范圍廣、節(jié)約能源、應(yīng)用施工方便等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)今最有效、最經(jīng)濟(jì)和研究最多的表面防護(hù)方法之一。對工作表面進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，可在不改變零件內(nèi)部組織和性能的前提下，達(dá)到工作心部與表層在組織結(jié)構(gòu)、性能等的最佳配合。本文結(jié)合硅烷化處理劑的制備及金屬表面處理方法的對比，來分析硅烷化處理方法的優(yōu)勢和應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞 硅烷化;金屬表面;處理工藝;應(yīng)用分析

金屬表面鍍層具有防腐蝕，提高耐磨性、導(dǎo)電性及增加美觀等作用。鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)熱鍍鋅處理后，在室外環(huán)境下，標(biāo)準(zhǔn)厚度的鋅層可保持年不必修補(bǔ)，廣泛應(yīng)用于鐵塔、鐵路、公路保護(hù)、船用構(gòu)件、建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐處理。表面處理是指在基體材料表面上人工制備一層與基體的機(jī)械、物理和化學(xué)性能不同的表層的工藝[1]。磷化和鈍化工藝是目前最典型、廣泛應(yīng)用的表面處理工藝。表面處理技術(shù)對金屬保護(hù)起到了明顯的作用，但也存在不少問題。例如，有機(jī)涂層中毒性揮發(fā)成分對人體有嚴(yán)重危害，噴砂處理會產(chǎn)生大量粉塵，鉻酸鹽處理和磷化工藝均存在較為嚴(yán)重的環(huán)境污染等問題。因此，開展硅烷化處理劑的制備研究并將其應(yīng)用在金屬表面的處理過程中會改變當(dāng)前傳統(tǒng)的處理模式，更加環(huán)保節(jié)能。

1硅烷化處理的原理

硅烷化處理是以有機(jī)硅烷為主要原料對金屬或非金屬材料進(jìn)行表面處理的過程，該過程通過引入硅烷基與基材形成共價鍵連接，在金屬表面形成高致密的保護(hù)膜。

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X-R-SiY3，其中的Y指的是與硅原子連接的可水解基團(tuán)，其中R則是指非水解脂肪族鏈，其中的X指的是可以和有機(jī)材料實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的基團(tuán)，例如乙烯基以及氨基等[2]。

金屬表面硅烷化試劑可以在極難融合的環(huán)境下，將有機(jī)物以及材料進(jìn)行連接，要想將這一過程實(shí)現(xiàn)全面的分析和研究，僅憑單一的理論內(nèi)容很難完整，因此要將各理論有機(jī)統(tǒng)一，并對金屬處理技術(shù)的作用進(jìn)行分析，這樣才能使技術(shù)分析更為科學(xué)合理。其中化學(xué)鍵理論的主要內(nèi)容包括：硅烷偶聯(lián)劑的表面張力較弱，它與無機(jī)材料的接觸面比較小，所以根據(jù)這一理論，運(yùn)用表面硅烷化處理技術(shù)可以有效地對玻璃、陶瓷以及金屬等物質(zhì)進(jìn)行作用，為這些物質(zhì)表面提供一層有效的保護(hù)膜，促進(jìn)硅烷偶聯(lián)劑的作用發(fā)揮。

硅烷偶聯(lián)劑對金屬表面的改性技術(shù)正成為一種新型磷化法的替代技術(shù)，具有很大的潛力。然而該工藝也存在著一定的不足，由于硅烷金屬表面處理劑pH升高有利于硅醇縮聚反應(yīng)的進(jìn)行，但是pH的升高會導(dǎo)致其產(chǎn)生絮凝，進(jìn)而導(dǎo)致處理劑失效，使得工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用受限。為此，結(jié)合電沉積法，在金屬表面施加陰極電位后電極表面局部溶液的pH升高，使其不會影響本體溶液的穩(wěn)定性，從而使有機(jī)硅烷附著在金屬表面，得到更厚、均勻、致密的硅烷膜層，使涂層的防護(hù)性能更好[3]。此外，還可以通過對沉積過程電化學(xué)參數(shù)的控制，研究硅烷膜結(jié)構(gòu)及耐蝕性的影響，實(shí)現(xiàn)硅烷膜的可控制制備。

2硅烷化處理工藝與傳統(tǒng)處理工藝對比

磷化處理是一種廣泛應(yīng)用于金屬涂裝前處理的傳統(tǒng)工藝，它是磷酸鹽與金屬基體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而在其表面形成磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的工藝過程，這種磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜成為磷化膜。磷化的主要目的是為基體金屬提供短期工序間保護(hù)，在一定程度上防止金屬基體被腐蝕。工藝流程：脫脂→熱洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→中和→水洗→表調(diào)→磷化→水洗→中和熱洗→晾干。

一般來說，硅烷表面處理劑可采用以下兩種方法對金屬表面改性：

（1）浸漬硅烷化法。通過有機(jī)硅烷的特殊結(jié)構(gòu)，金屬工件經(jīng)硅烷處理后，表面會吸附一層類似于磷化晶體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的超薄有機(jī)納米膜（50～500nm），同時在界面形成結(jié)合力很強(qiáng)的Si-O-Me共價鍵（其中Me為金屬），可將金屬表面和涂層偶合，具有很好的附著力。工藝流程：脫脂→水洗→壓縮空氣吹干金屬表面→浸漬于硅烷溶液中→晾干。

（2）電沉積硅烷化法。優(yōu)化硅烷化金屬表面處理技術(shù)，根據(jù)電沉積理論，陰極電位下金屬表面發(fā)生O2和H2O的去極化生成OH-，而OH-的生成促進(jìn)了硅醇間的縮合反應(yīng)，有利于硅烷膜的形成。工藝流程：脫脂→水洗→壓縮空氣吹干金屬表面→硅烷溶液電沉積→晾干。

通過硅烷化處理與傳統(tǒng)磷化處理相比較，能夠省去表調(diào)及磷化前后的水洗工序，處理時間大大縮短，并減少了污水處理量。

硅烷化處理相比傳統(tǒng)的處理工藝有以下優(yōu)勢：

（1）硅烷化金屬表面處理工藝路線相比傳統(tǒng)工藝省去了表調(diào)和磷化前后兩道水洗工序，減少了廢水的排放量，減輕了環(huán)境污染程度，降低了生產(chǎn)成本。

（2）在使用溫度方面，由于硅烷成膜過程為常溫化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)樵谌粘Ｊ褂弥胁垡簾o須加熱即可達(dá)到理想處理效果。此方面相比較來說，為行業(yè)應(yīng)用節(jié)省了大量能源并減少了燃料廢氣排放。

（3）硅烷化反應(yīng)中無沉淀反應(yīng)，所以在日常處理中不產(chǎn)生沉渣，消除了前處理工序中的固體廢物處理問題并有效地延長了槽液的倒槽周期。

（4）在配槽用量方面，硅烷化較磷化工藝也減少了20%～50%，更關(guān)鍵的是在每平方米單耗方面硅烷化的消耗量為傳統(tǒng)磷化工藝的15%-20%。在處理時間上硅烷化較磷化也有較大幅度的縮短，從而提高了生產(chǎn)率，降低了設(shè)備持續(xù)運(yùn)作成本。

（5）電沉積硅烷化金屬表面處理工藝除具有硅烷化金屬表面處理工藝的優(yōu)點(diǎn)外，還可以通過對沉積過程電化學(xué)參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對硅烷化膜結(jié)構(gòu)的可控制備。

（6）通過對現(xiàn)有磷化處理設(shè)備的簡單改造，投入少量資金，即可將磷化金屬表面生產(chǎn)線改裝成硅烷化和電沉積硅烷化金屬表面處理生產(chǎn)線。金屬表面處理工業(yè)正由“耗能、耗電的重污染行業(yè)”向“綠色環(huán)保、節(jié)能減排行業(yè)”邁進(jìn)。

3硅烷化表面處理的優(yōu)勢與應(yīng)用前景

金屬表面硅烷化處理技術(shù)是一項(xiàng)綠色且新式的金屬處理技術(shù)，利用它可以對金屬表面抑或是非金屬材料表面進(jìn)行處理。

硅烷化處理技術(shù)與傳統(tǒng)的磷鈍化處理技術(shù)、鉻鈍化處理技術(shù)相比較，它具有諸多的優(yōu)勢：一是在應(yīng)用此技術(shù)時，不會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)或者氣體，在技術(shù)處理之后，也不會產(chǎn)生廢棄物，更無須采用除渣措施，對于環(huán)境來講也是無毒無害的。二是應(yīng)用這一技術(shù)的過程中，處理液可以重復(fù)使用，操作也較便捷，無須再完成表調(diào)、鈍化等其他環(huán)節(jié)，進(jìn)而會大大提升處理效率[4]。三是這一處理技術(shù)的應(yīng)用可以提高金屬表面的附著力，應(yīng)用更為高效環(huán)保。

當(dāng)前各行各業(yè)對金屬表面進(jìn)行處理時，已經(jīng)意識到了硅烷化表面處理技術(shù)的優(yōu)勢，并將這一技術(shù)的優(yōu)勢在實(shí)踐應(yīng)用中凸顯出來。以銅表面硅烷化處理技術(shù)為例，我國對于銅金屬的技術(shù)保護(hù)手段也有所提升，運(yùn)用這一硅烷化技術(shù)處理方式，可以提升銅電極的抗腐蝕性能，運(yùn)用這一技術(shù)處理方式之后，還使銅出現(xiàn)較強(qiáng)的抗腐蝕能力。

由此可見，這一技術(shù)處理方式可以對銅金屬表面形成較好的保護(hù)，還會有效地延長銅金屬的使用壽命，進(jìn)而提升銅金屬的性能，最終有效的提升銅金屬的使用效率[5]。

4結(jié)束語

隨著社會的發(fā)展以及時代的進(jìn)步，現(xiàn)階段各行各業(yè)在發(fā)展的過程中，都越發(fā)提升了對金屬表面處理技術(shù)的需求，由于需求的提升，需要不斷推進(jìn)新式的，綠色環(huán)保的金屬表面硅烷化技術(shù)的研發(fā)，在克服傳統(tǒng)金屬表面處理技術(shù)缺陷的基礎(chǔ)上填補(bǔ)以往技術(shù)處理方式中的不足，提升技術(shù)處理水平和處理效率，滿足各行各業(yè)對金屬表面處理的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王一建，鐘金環(huán)，黃樂.金屬工件涂裝前處理技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].涂料工業(yè)，2018，39（12）：24-27.

[2] 張榮發(fā)，巢強(qiáng)花，趙芳.植酸在鎂鋁合金防護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].材料工程，2017（11）：71-74.

[3] 李文剛，張曉豐，呂勤秀.LF21鋁合金稀土轉(zhuǎn)換膜的開裂及其鉬酸鹽后處理[J].腐蝕與防護(hù)，2019（4）：56-58.

[4] 硅烷偶聯(lián)劑在防腐涂層金屬預(yù)處理中的應(yīng)用研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，23（1）：146-150.

[5] 王雪明.硅烷偶聯(lián)劑在金屬預(yù)處理及有機(jī)涂層中的應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2018.