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硅烷偶聯(lián)劑在涂裝前處理中的應(yīng)用
引　言
工件在涂裝前需進(jìn)行除油、除銹、化學(xué)成膜、鈍化等前處理,以提高工件耐蝕性和涂裝質(zhì)量�；瘜W(xué)成膜以發(fā)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(shí)間防護(hù)作用,并能提高基材對涂層的附著力。由于化學(xué)轉(zhuǎn)化膜大多為無機(jī)鹽膜,膜層較薄、致密性差,長時(shí)間工序間存放需進(jìn)行封閉處理。在傳統(tǒng)的皂化封閉工藝中發(fā)現(xiàn),附著在工件上的皂液不易清洗干凈,嚴(yán)重影響了涂層附著力。采用硅烷偶聯(lián)劑代替皂化對發(fā)黑工件進(jìn)行鈍化處理,使工件的耐蝕性有了大幅提高,涂層附著力達(dá)到0級,較好解決了這一難題。

1　硅烷偶聯(lián)劑的偶聯(lián)機(jī)理[1]硅烷偶聯(lián)劑是一類具有特殊結(jié)構(gòu)的化合物,其分子中同時(shí)具有能和無機(jī)物質(zhì)材料化學(xué)結(jié)合的反應(yīng)基團(tuán)以及與有機(jī)物質(zhì)材料結(jié)合的基團(tuán),可用通式ＹＲ(ＣＨ2)ｎＳｉＸ3表示。Ｙ為有機(jī)官能團(tuán),與有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)而結(jié)合;Ｘ為烷氧基,水解后生成硅醇ＲＳｉ

硅烷偶聯(lián)劑作用機(jī)理

通過使用硅烷偶聯(lián)劑,在無機(jī)物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)的界面之間架起“分子橋”,把兩種性質(zhì)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(dāng)發(fā)黑后的工件浸入硅烷偶聯(lián)劑的封閉液時(shí),工件表面吸附的硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)入發(fā)黑膜的骨架內(nèi)空隙處發(fā)生水解反應(yīng)生成硅醇基,與發(fā)黑膜上羥基結(jié)合生成—ＳｉＯ—Ｍ(Ｍ為無機(jī)表面),同時(shí)一部分有機(jī)官能團(tuán)又于空隙處與涂層有機(jī)物結(jié)合;硅烷偶聯(lián)劑各分子之間的硅醇基相互縮合,齊聚形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膜覆蓋于發(fā)黑膜表面,這種具有疏水性的緊密結(jié)構(gòu)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(jī)理鋼鐵的氧化處理又稱高溫發(fā)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(jī)溶劑除油化學(xué)除油熱水洗流動冷水洗酸洗流動冷水洗化學(xué)氧化回收槽浸洗流動冷水洗封閉處理

2.1.3　膜的性質(zhì)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(xiàn)黑色或藍(lán)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(shí)間短,因此必須進(jìn)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(jìn)行浸油處理。肥皂液由于水質(zhì)硬,帶有腐蝕性,易使氧化膜出現(xiàn)白斑,同時(shí)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(jìn)行浸油。鉻酐系有毒致癌物,鉻酐廢液的排放易造成環(huán)境污染。

2.2.3　偶聯(lián)鈍化利用硅烷偶聯(lián)劑的特殊結(jié)構(gòu),采用架“分子橋”的形式,在氧化膜表面生成含硅醇基的有機(jī)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(lián)劑,加入10ｍｌ蒸餾水,6ｍｌＨＡｃ攪拌反應(yīng)15ｍｉｎ,放出熱量,冷至室溫后加入90ｍｌ蒸餾水、適量穩(wěn)定劑,并用8%ＨＡｃ調(diào)ｐＨ至5.6～6.6之間。2)封閉參數(shù)的選擇[3](1)最佳封閉劑濃度試驗(yàn)條件:溫度(25±1)℃,時(shí)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(jìn)行性能測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù),封閉劑濃度控制在2%左右較為適宜。(2)最佳封閉時(shí)間試驗(yàn)條件:溫度(25±1)℃,濃度2%,ｐＨ值6.0。合理控制封閉時(shí)間對實(shí)際產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用十分重要,不同封閉時(shí)間對氧化膜的性能影響見表2�！　∮杀碇薪Y(jié)果看出,偶聯(lián)劑擴(kuò)散到氧化膜空隙內(nèi)需要一定時(shí)間,但時(shí)間過長,效果不會增加或增加緩慢。實(shí)際生產(chǎn)以90～120ｓ為宜。(3)最佳ｐＨ值試驗(yàn)條件:溫度(25±1)℃,濃度2%,時(shí)間90ｓ。ｐＨ值的選擇和穩(wěn)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(shí),封閉劑效果很差,涂層附著力降低,最佳ｐＨ值應(yīng)控制在6.0～7.0之間。同時(shí)在使用過程中應(yīng)及時(shí)補(bǔ)加封閉劑,以維護(hù)溶液ｐＨ值的穩(wěn)定性。(4)最佳封閉溫度試驗(yàn)條件:濃度2%,時(shí)間90ｓ,ｐＨ值6.0。不同溫度條件下的封閉劑性能測試。

3　結(jié)　論采用硅烷偶聯(lián)劑對氧化后的工件進(jìn)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(huán)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(qiáng),節(jié)約能源,環(huán)保性好,適合表面處理行業(yè)工程化應(yīng)用。
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