硅烷化处理及其在金属表面处理中的应用分析

硅烷化处理及其在金属表面处理中的应用分析

作者：汪洋 包英俊

来源：《科学与信息化》2020年第21期

摘 要 工业生产中，将耐腐蚀的有机物涂覆在金属表面，经固化成膜后制备的有机涂层具有屏蔽、缓蚀及电化学保护三方面的作用，防腐效果好。由于涂料具有选择性宽、可用范围广、节约能源、应用施工方便等优点，是现今最有效、最经济和研究最多的表面防护方法之一。对工作表面进行强化热处理，可在不改变零件内部组织和性能的前提下，达到工作心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。本文结合硅烷化处理剂的制备及金属表面处理方法的对比，来分析硅烷化处理方法的优势和应用情况。 关键词 硅烷化;金属表面;处理工艺;应用分析

金属表面镀层具有防腐蚀，提高耐磨性、导电性及增加美观等作用。钢结构经热镀锌处理后，在室外环境下，标准厚度的锌层可保持年不必修补，广泛应用于铁塔、铁路、公路保护、船用构件、建筑钢结构的防腐处理。表面处理是指在基体材料表面上人工制备一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺[1]。磷化和钝化工艺是目前最典型、广泛应用的表面处理工艺。表面处理技术对金属保护起到了明显的作用，但也存在不少问题。例如，有机涂层中毒性挥发成分对人体有严重危害，喷砂处理会产生大量粉尘，铬酸盐处理和磷化工艺均存在较为严重的环境污染等问题。因此，开展硅烷化处理剂的制备研究并将其应用在金属表面的处理过程中会改变当前传统的处理模式，更加环保节能。 1 硅烷化处理的原理

硅烷化处理是以有机硅烷为主要原料对金属或非金属材料进行表面处理的过程，该过程通过引入硅烷基与基材形成共价键连接，在金属表面形成高致密的保护膜。

硅烷是一类含硅基的有机/无机杂化物，其基本分子式为X-R-SiY3，其中的Y指的是与硅原子连接的可水解基团，其中R则是指非水解脂肪族链，其中的X指的是可以和有机材料实现反应的基团，例如乙烯基以及氨基等[2]。

金属表面硅烷化试剂可以在极难融合的环境下，将有机物以及材料进行连接，要想将这一过程实现全面的分析和研究，仅凭单一的理论内容很难完整，因此要将各理论有机统一，并对金属处理技术的作用进行分析，这样才能使技术分析更为科学合理。其中化学键理论的主要内容包括：硅烷偶联剂的表面张力较弱，它与无机材料的接触面比较小，所以根据这一理论，运

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用表面硅烷化处理技术可以有效地对玻璃、陶瓷以及金属等物质进行作用，为这些物质表面提供一层有效的保护膜，促进硅烷偶联剂的作用发挥。

硅烷偶联剂对金属表面的改性技术正成为一种新型磷化法的替代技术，具有很大的潜力。然而该工艺也存在着一定的不足，由于硅烷金属表面处理剂pH升高有利于硅醇缩聚反应的进行，但是pH的升高会导致其产生絮凝，进而导致处理剂失效，使得工业上大规模应用受限。为此，结合电沉积法，在金属表面施加阴极电位后电极表面局部溶液的pH升高，使其不会影响本体溶液的稳定性，从而使有机硅烷附着在金属表面，得到更厚、均匀、致密的硅烷膜层，使涂层的防护性能更好[3]。此外，还可以通过对沉积过程电化学参数的控制，研究硅烷膜结构及耐蚀性的影响，实现硅烷膜的可控制制备。 2 硅烷化处理工艺与传统处理工艺对比

磷化处理是一种广泛应用于金属涂装前处理的传统工艺，它是磷酸盐与金属基体进行化学反应而在其表面形成磷酸盐化学转化膜的工艺过程，这种磷酸盐转化膜成为磷化膜。磷化的主要目的是为基体金属提供短期工序间保护，在一定程度上防止金属基体被腐蚀。工艺流程：脱脂→热洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→中和→水洗→表调→磷化→水洗→中和热洗→晾干。 一般来说，硅烷表面处理剂可采用以下两种方法对金属表面改性：

（1）浸渍硅烷化法。通过有机硅烷的特殊结构，金属工件经硅烷处理后，表面会吸附一层类似于磷化晶体的三维网状结构的超薄有机纳米膜（50～500nm），同时在界面形成结合力很强的Si-O-Me共价键（其中Me为金属），可将金属表面和涂层偶合，具有很好的附着力。工艺流程：脱脂→水洗→压缩空气吹干金属表面→浸渍于硅烷溶液中→晾干。

（2）电沉积硅烷化法。优化硅烷化金属表面处理技术，根据电沉积理论，阴极电位下金属表面发生O2和H2O的去极化生成OH-，而OH-的生成促进了硅醇间的缩合反应，有利于硅烷膜的形成。工藝流程：脱脂→水洗→压缩空气吹干金属表面→硅烷溶液电沉积→晾干。 通过硅烷化处理与传统磷化处理相比较，能够省去表调及磷化前后的水洗工序，处理时间大大缩短，并减少了污水处理量。

硅烷化处理相比传统的处理工艺有以下优势：

（1）硅烷化金属表面处理工艺路线相比传统工艺省去了表调和磷化前后两道水洗工序，减少了废水的排放量，减轻了环境污染程度，降低了生产成本。

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（2）在使用温度方面，由于硅烷成膜过程为常温化学反应，因为在日常使用中槽液无须加热即可达到理想处理效果。此方面相比较来说，为行业应用节省了大量能源并减少了燃料废气排放。

（3）硅烷化反应中无沉淀反应，所以在日常处理中不产生沉渣，消除了前处理工序中的固体废物处理问题并有效地延长了槽液的倒槽周期。

（4）在配槽用量方面，硅烷化较磷化工艺也减少了20%～50%，更关键的是在每平方米单耗方面硅烷化的消耗量为传统磷化工艺的15%-20%。在处理时间上硅烷化较磷化也有较大幅度的缩短，从而提高了生产率，降低了设备持续运作成本。

（5）电沉积硅烷化金属表面处理工艺除具有硅烷化金属表面处理工艺的优点外，还可以通过对沉积过程电化学参数的调节，实现对硅烷化膜结构的可控制备。

（6）通过对现有磷化处理设备的简单改造，投入少量资金，即可将磷化金属表面生产线改装成硅烷化和电沉积硅烷化金属表面处理生产线。金属表面处理工业正由“耗能、耗电的重污染行业”向“绿色环保、节能减排行业”迈进。 3 硅烷化表面处理的优势与应用前景

金属表面硅烷化处理技术是一项绿色且新式的金属处理技术，利用它可以对金属表面抑或是非金属材料表面进行处理。

硅烷化处理技术与传统的磷鈍化处理技术、铬钝化处理技术相比较，它具有诸多的优势：一是在应用此技术时，不会产生对人体有害的物质或者气体，在技术处理之后，也不会产生废弃物，更无须采用除渣措施，对于环境来讲也是无毒无害的。二是应用这一技术的过程中，处理液可以重复使用，操作也较便捷，无须再完成表调、钝化等其他环节，进而会大大提升处理效率[4]。三是这一处理技术的应用可以提高金属表面的附着力，应用更为高效环保。 当前各行各业对金属表面进行处理时，已经意识到了硅烷化表面处理技术的优势，并将这一技术的优势在实践应用中凸显出来。以铜表面硅烷化处理技术为例，我国对于铜金属的技术保护手段也有所提升，运用这一硅烷化技术处理方式，可以提升铜电极的抗腐蚀性能，运用这一技术处理方式之后，还使铜出现较强的抗腐蚀能力。

由此可见，这一技术处理方式可以对铜金属表面形成较好的保护，还会有效地延长铜金属的使用寿命，进而提升铜金属的性能，最终有效的提升铜金属的使用效率[5]。 4 结束语

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随着社会的发展以及时代的进步，现阶段各行各业在发展的过程中，都越发提升了对金属表面处理技术的需求，由于需求的提升，需要不断推进新式的，绿色环保的金属表面硅烷化技术的研发，在克服传统金属表面处理技术缺陷的基础上填补以往技术处理方式中的不足，提升技术处理水平和处理效率，满足各行各业对金属表面处理的需求。 参考文献

[1] 王一建，钟金环，黄乐.金属工件涂装前处理技术的现状与展望[J].涂料工业，2018，39（12）：24-27.

[2] 张荣发，巢强花，赵芳.植酸在镁铝合金防护中的应用现状[J].材料工程，2017（11）：71-74.

[3] 李文刚，张晓丰，吕勤秀.LF21铝合金稀土转换膜的开裂及其钼酸盐后处理[J].腐蚀与防护，2019（4）：56-58.

[4] 硅烷偶联剂在防腐涂层金属预处理中的应用研究[J].材料科学与工程学报，2017，23（1）：146-150.

[5] 王雪明.硅烷偶联剂在金属预处理及有机涂层中的应用[D].济南：山东大学，2018.