内容发布更新时间 : 2024/12/28 11:15:24星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

金属表面硅烷化处理的研究现状

李晓媛，李莉

摘要：随着人们对管饱的日益重视，硅烷偶联剂金属表面处理技术逐渐成为研究重点。本文简要介绍了硅烷偶联剂的结构以及成膜机理，概述了硅烷化处理技术最新的研究进展并对该技术的应用进行了展望。

关键字：硅烷偶联剂；表面处理；环保

1.引言

当前在涂装行业中，喷漆、喷粉或电泳前处理多采用磷化工艺，传统的磷化使用温度大多为30~50℃，因此需要辅助加热设备及热源对磷化槽进行加热；磷化处理后产生的大量磷化渣也需要一套除渣装置与之配套；并且工艺过程含锌、锰、镍等重金属离子。这些都导致磷化的污染较重且成本较高。随着国家对涂装行业的环保性要求以及使用成本的方面的考虑，寻找一种新型的环保、节能、低排放、地使用成本的表面处理技术成为人们研究的重点。

硅烷偶联剂用于金属表面处理的早期理论出现于1985年，即“不经阳极化处理等高成本表面处理，硅烷偶联就可以防腐蚀并能提高金属附着力”的论断。硅烷化处理是以硅烷偶联剂为主要原料对金属或非金属材料进行表面处理的过程。其与传统磷化相比具有以下多优点；无有害重金属离子、磷化沉渣、无需加热，处理时间短，处理步骤少，可省去毕表调工序，槽液可重复使用，有效提高油漆对基材的附着力，可共线处理铁板、镀锌板、铝板等多种基材。

2.硅烷偶联剂的结构与机理

硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的有机化合物，它最大的特点就是含有有机和无机官能团，能够同时与阴极和非极性物质产生结合力。硅烷偶联剂的化学通式为Y-R-SiX3，式中Y是通过碳原子与硅相连的非水解性有机官能团，可与粘结剂机体中的树脂发生反应从而提高相容性，如氨基、乙烯基、环氧基、巯基、丙烯酰氧丙基等；R为具有饱和和不饱和键的碳链，将Y和Si原子连接起来；X为水解性基团，如卤族、烷氧基、异丙烯氧基等。这些基团水解形成的硅醇能与金属表面的氧化物或烃基反应，从而在金属表面形成Si-O-Si三维网络结构的硅烷莫，防止金属的腐蚀。现在市售的硅烷偶联剂都是烷氧基为水解性基团的硅烷，主要原因是烷氧基水解产物是醇，为中性，比较稳定。简言之，正因为硅烷偶联剂分子中存在这两种功能团，才使得两种性质相差悬殊的物质能够通过它连接起来，从而改善了金属基材和涂层间的结合力[4,5,6]。

硅烷偶联剂在使用前通常会进行水解。硅烷膜的形成一般为以下步骤[7,8]；

（1）SiX基水解成SiOH

（2）SiOH基团与金属表面的MeOH基团（其中，Me=金属）形成氢键而快速附于金属表面，形成Me-O-Si键。 （3）SiOH之间脱水缩合形成SI-O-Si键。

经过硅烷化反应金属表面上就形成一层致密的具有Me-O-Si和Si-O-Si特征结构的保护膜，改硅烷膜在烘干过程中和后道的电泳漆

或喷粉通过有机官能团间的交联反应结合在一起，形成牢固的化学键，最终形成更稳定的膜层结构[4]，从而发幅度提高金属的耐蚀性。 3.硅烷化处理的发展现状

美国和欧洲对硅烷前处理的研究均始于上世纪90年代，辛辛那提大学的Van Ooij WJ教授课题组率先对双胺硅烷、双硫硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、BTSE的水解工艺、在铝合金表面的成膜工艺、膜的性质及涂层结合后的防腐蚀作用做了详细研究，并取得大量研究成果及专利[9,10]。现在德国凯密特公司和美国依科公司的硅烷表面处理技术已在欧洲和美国获得广泛应用[11].

近年来，我国技术人员也着手对硅烷化金属表面技术进行研究。

一方面研究各种影响硅烷膜形成的因素；赵平[12]等研究了金属基体、溶剂、溶液PH、固化温度和时间与硅烷品种对硅烷膜的影响，它认为硅烷偶联剂的三维网状结构能够使有机涂层、涂料涂层和金属基体都发生化学键键合，极大地提高涂层附着力。因此，只要选用适当的硅烷偶联剂对金属表面进行预处理，就可以获得有优异涂装和防腐效果的超薄有机硅烷膜。经过龚建民[13]等对DTMS和γ-APS两种硅烷的水解工艺及在铝合金表面的应用进行的详细研究发现；以乙醇与去离子水的混合溶剂作为硅烷偶联剂的水解介质时，硅烷溶液的稳定性会随着水解液中硅烷浓度的增大、水解时间的延长而降低。而且这两种硅烷水解时均存在最佳的溶液配比；PH值越高对水解越有利，反之亦然；水解的最佳温度在20℃-40℃。徐溢等[14]人利用反射吸收红外光谱对金属基体表面硅烷成膜的研究表明；处理时间在2min