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硅烷偶聯劑在涂裝前處理中的應用

引　言

工件在涂裝前需進行除油、除銹、化學成膜、鈍化等前處理,以提高工件耐蝕性和涂裝質量。化學成膜以發黑和磷化為主,分別在基材表面生成一層金屬氧化物和磷酸鹽膜,這兩種成膜物對基材起短時間防護作用,并能提高基材對涂層的附著力。由于化學轉化膜大多為無機鹽膜,膜層較薄、致密性差,長時間工序間存放需進行封閉處理。在傳統的皂化封閉工藝中發現,附著在工件上的皂液不易清洗干凈,嚴重影響了涂層附著力。采用硅烷偶聯劑代替皂化對發黑工件進行鈍化處理,使工件的耐蝕性有了大幅提高,涂層附著力達到0級,較好解決了這一難題。

1　硅烷偶聯劑的偶聯機理[1]硅烷偶聯劑是一類具有特殊結構的化合物,其分子中同時具有能和無機物質材料化學結合的反應基團以及與有機物質材料結合的基團,可用通式ＹＲ(ＣＨ2)ｎＳｉＸ3表示。Ｙ為有機官能團,與有機物質反應而結合;Ｘ為烷氧基,水解后生成硅醇ＲＳｉ

硅烷偶聯劑作用機理

通過使用硅烷偶聯劑,在無機物質和有機物質的界面之間架起“分子橋”,把兩種性質懸殊的材料連接在一起,從而增加附著力和改善材料性能。當發黑后的工件浸入硅烷偶聯劑的封閉液時,工件表面吸附的硅烷偶聯劑進入發黑膜的骨架內空隙處發生水解反應生成硅醇基,與發黑膜上羥基結合生成—ＳｉＯ—Ｍ(Ｍ為無機表面),同時一部分有機官能團又于空隙處與涂層有機物結合;硅烷偶聯劑各分子之間的硅醇基相互縮合,齊聚形成網狀結構的膜覆蓋于發黑膜表面,這種具有疏水性的緊密結構提高了工件的耐蝕性。

2　封閉工藝研究

2.1　工件的氧化成膜[2]

2.1.1　成膜機理鋼鐵的氧化處理又稱高溫發黑,氧化后在工件表面生成一薄層氧化膜。

2.1.2　成膜工藝有機溶劑除油化學除油熱水洗流動冷水洗酸洗流動冷水洗化學氧化回收槽浸洗流動冷水洗封閉處理

2.1.3　膜的性質鋼上氧化膜是由亞鐵高鐵氧化物組成,其中部分地成為水合物。氧化膜的厚度一般為0.6～0.8μｍ,呈現黑色或藍黑色,通常的合金鋼和低碳鋼氧化膜夾有紅色的氧化鐵掛灰。由于氧化膜十分薄,在大氣中存放時間短,因此必須進行封閉處理。

2.2　封閉工藝選擇

2.2.1　皂化工件成膜后,在濃度為5%、溫度為80～90℃的肥皂液中浸泡3～5ｍｉｎ后,用熱水清洗,然后進行浸油處理。肥皂液由于水質硬,帶有腐蝕性,易使氧化膜出現白斑,同時因清洗不干凈而造成涂層附著力降低。

2.2.2　鉻酐鈍化將成膜后的工件在溫度為60～70℃、含2%～5%鉻酐的溶液中鈍化0.5～1ｍｉｎ,用熱水清洗后進行浸油。鉻酐系有毒致癌物,鉻酐廢液的排放易造成環境污染。

2.2.3　偶聯鈍化利用硅烷偶聯劑的特殊結構,采用架“分子橋”的形式,在氧化膜表面生成含硅醇基的有機膜,提高了工件的抗蝕性和涂層的附著力。1)封閉劑的合成取10ｍｌ自制的硅烷偶聯劑,加入10ｍｌ蒸餾水,6ｍｌＨＡｃ攪拌反應15ｍｉｎ,放出熱量,冷至室溫后加入90ｍｌ蒸餾水、適量穩定劑,并用8%ＨＡｃ調ｐＨ至5.6～6.6之間。2)封閉參數的選擇[3](1)最佳封閉劑濃度試驗條件:溫度(25±1)℃,時間90ｓ,ｐＨ值6.0。配制不同濃度的封閉劑,并對封閉后的工件進行性能測試,實驗結果見表1。

　　從表1中看出,隨著封閉劑濃度的升高,工件的耐蝕性提高,涂層附著力均在0級。綜合成本因數,封閉劑濃度控制在2%左右較為適宜。(2)最佳封閉時間試驗條件:溫度(25±1)℃,濃度2%,ｐＨ值6.0。合理控制封閉時間對實際產業化應用十分重要,不同封閉時間對氧化膜的性能影響見表2。　　由表中結果看出,偶聯劑擴散到氧化膜空隙內需要一定時間,但時間過長,效果不會增加或增加緩慢。實際生產以90～120ｓ為宜。(3)最佳ｐＨ值試驗條件:溫度(25±1)℃,濃度2%,時間90ｓ。ｐＨ值的選擇和穩定對封閉劑效果影響很大,不同ｐＨ值的封閉劑性能測試見表3。

　　從表3看出,ｐＨ值低于5.0或高于7.0時,封閉劑效果很差,涂層附著力降低,最佳ｐＨ值應控制在6.0～7.0之間。同時在使用過程中應及時補加封閉劑,以維護溶液ｐＨ值的穩定性。(4)最佳封閉溫度試驗條件:濃度2%,時間90ｓ,ｐＨ值6.0。不同溫度條件下的封閉劑性能測試。

3　結　論采用硅烷偶聯劑對氧化后的工件進行封閉處理,解決了因皂化和鉻酐鈍化而造成的涂層附著力差和環境污染等問題,能顯著提高工件的抗蝕性。施工工藝簡單,可操作性強,節約能源,環保性好,適合表面處理行業工程化應用。

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