作為一種全新的前處理涂裝底層替代技術，硅烷在金屬表面處理方面的應用已取得了很大進展。本文主要介紹了金屬表面硅烷處理機理，以及通過在現代汽車工業中對硅烷技術和磷化處理在參數控制、生產維護、工藝管理等方面的比較，硅烷表面處理技術在滿足磷化技術要求的同時，它以常溫處理、管理便捷、維護低成本、無毒無污染等諸多優勢，在現代工業的涂裝前處理工序中，完全可以作為磷化的綠色替代技術得到推廣應用。

　　關鍵詞：硅烷技術； 磷化技術； 前處理

　　1.引言

　　磷化處理不改變零件的機械性能、強度、磁性等，還有較高的電絕緣性，膜與基體金屬結合強度高，是涂裝前的良好底層能進一步提高零件的耐腐蝕能力。近年隨著汽車工業的異軍突起，磷化--這一已有百年歷史的表面前處理技術更是得到了進一步的繁榮和發展。但是隨著能源緊缺和《中華人民共和國清潔生產促進法》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，已經無法滿足節能環保、降本增效這一現代工業發展的方向。為此，在滿足傳統磷化處理工藝優點的同時，又能做到工藝簡單、環保、綜合成本低的金屬表面硅烷化處理應運而生，其憑借諸多優勢有望成為磷化的綠色替代工藝。

　　金屬硅烷處理技術是20世紀80年代以來，美國和歐洲部分機構開始研究，目前德國Chemetall（凱密特爾集團）、美國Ecosil公司硅烷前處理部分產品已在歐洲及北美地區國家使用使用，并有完全取代傳統磷化工藝的趨勢。Chemetall公司已在我國上海、長春、重慶等地成立了凱密特爾集團分公司，進行相關產品的推廣應用，并在鋼鐵、家電、汽車零件公司等行業得到了認可和應用。

　　2.金屬表面硅烷處理機理

　　2.1硅烷的單分子結構

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

　　2.2金屬表面硅烷處理機理

　　硅烷在水溶液中通常是以水解的形式存在，其水解平衡反應式如下：

　　主要的水解產物為SiOH基團，當溶液中形成足量的活性SiOH基團，該溶液就可進行金屬硅烷處理。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共價鍵，其反應式如下：

　　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基團之間的凝聚反應在金屬表面上形成具有Si-O-Si三維網狀結構的硅烷膜，其縮合反應式如下：

　　硅烷網狀結構模型如圖2所示：

　　一般來說，共價鍵Si-O-Me間的作用力可達700Kj/mol，從而使得網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反應結合在一起，形成牢固的化學鍵。這樣，基材、硅烷和油漆之間可以通過化學鍵形成穩固的膜層結構。

　　3.汽車工業前處理硅烷與磷化對比

　　3.1工藝流程對比

　　3.1.1磷化工藝流程：

　　3.1.2硅烷工藝流程：

　　3.1.3磷化和硅烷的生產維護對比

　　1）磷化工藝

　　a）日常檢測控制項目：表調槽液的PH值，磷化槽液的TA(總酸度點數)、FA（游離酸度點數）、AC（促進劑點數）、PH(磷化軸封液)，其中AC每隔2h進行檢測一次隨時調整。必要時還要對磷化液的鋅、鎳等離子進行控制。

　　b)槽液生產維護要點：每班生產前，提前90分鐘以上開啟加熱系統和循環攪拌系統，并且在生產過程中攪拌不應停止。生產前，在未開啟磷化循環泵前開啟磷化除渣泵進行除渣工作至少30min，然后才能進行正常生產。

　　c)槽液倒槽清洗：表調至少半月、磷化一個季度進行掏槽清洗處理。

　　2）硅烷工藝

　　a)日常檢測控制項目：活化點（2.0-4.8點），PH值（3.8-5.5），電導率（<5500μs/cm）。

　　b)槽液生產維護要點：PH值和電導率要每天多次測量，PH值測量要求用對氟離子穩定的PH計，槽液通過監測PH、電導率活化點來控制。

　　c)槽液倒槽清洗：因硅烷處理無殘渣產生，槽液不必進行徹底清理，只需在在保證槽液有良好溢流的情況下，每周（或根據生產）溢流更換10% 的槽液，調整好活化點、PH值后即可進行正常生產。

　　4.金屬硅烷處理的優勢與不足

　　4.1金屬硅烷處理的優勢

　　4.1.1技術性能優越：耐蝕性和涂層的附著力硅烷處理膜都優于磷化膜，磷化膜的重量一般為2-3g/m2，而硅烷膜重0.1g/m2，試驗表明硅烷膜具有優良的防銹能力，在工序間，不出現泛黃生銹現象，質量穩定，與涂層的結合強度高。

　　4.1.2適合環保生產

　　1）硅烷處理中不含鋅、鎳等有害重金屬及其它對人體有害成分（尤其鎳已經被證實對人體危害較大，世界衛生組織規定2016年后鎳需要達到零排放。）。

　　2）在硅烷處理中，不會產生含磷物質，從而不會對水體造成富氧污染，有利于環保生產。

　　3）不需要亞硝酸鹽促進劑，從而避免了亞硝酸鹽及其分解產物對人體及水體的危害。

　　4.1.3成本控制優勢較為明顯

　　1）硅烷處理是無渣的，無需進行殘渣處理，從而節約磷化的除渣設備和磷化殘渣處理費用。

　　2）硅烷處理沒有表調，節約費用、縮短工藝流程，可提高生產能力，對新投資線還可以節約初期投資費用和場地空間。

　　3）硅烷常溫運行，10-35℃在我國大部分地區無需溫度控制就可生產，在我國北方冬天只要稍微加熱就可達到工藝要求，有利于節約能源消耗。

　　4.1.4生產工藝管理便捷

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

　　2）硅烷處理與現有工藝設備不沖突，無需設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、電導率、活化點，不存在磷化卻需要控制總酸度TA、游離酸度FA、促進劑AC，必要時還需要鋅、鎳、錳等離子的濃度，同時無表調也無需進行管理，從而簡化了工藝管理。

　　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用已取得了重大發展， 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上的大量應用。該工藝存在的不足主要有:

　　4.2.1 只能作為底層膜層：若沒有進一步涂裝處理， 單獨使用硅烷對金屬進行防護的效果不好。盡管它與基體具有良好的結合力， 但由于涂層較薄， 且非抑制劑不能產生自修復功能， 因此其防護效果有限。

　　4.2.2對金屬表面狀態要求嚴格：硅烷處理技術對金屬基體表面和硅烷槽液清潔性要求相對較高， 金屬表面油污及槽液雜質離子都將影響硅烷膜層的防護性能。

　　4.2.3硅烷溶液穩定性有待提高：硅烷溶液存放時間相對較短， 易發生縮聚而失效， 使得工業上的大規模應用受限。

　　5.結語

　　隨著現代工業經濟的不斷發展，節能減排、綠色生產已經成為現代工業可持續發展的必然要求，硅烷雖然在目前的技術條件下還不是很完美，但作為新型的環保前處理技術，其諸多的優勢，不失為一種較好的磷化替代技術，為實現環境友好型工業生產提供了多樣的選擇，在今后的工業發展中具有廣闊的發展前景