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摘要：本文介紹了硅烷處理技術(shù)的作用原理，綠色環(huán)保的硅烷處理技術(shù)可在鋁表面形成一層厚度為納米級轉(zhuǎn)化膜，與有機涂層匹配，可作為替代傳統(tǒng)的六價鉻或三價鉻鈍化處理工藝。通過鋁材彩涂試驗和生產(chǎn)實際應用，結(jié)果表明：硅烷處理技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保、反應時間快、涂漆附著力、耐蝕性、機械性能優(yōu)越的特點，該硅烷處理工藝適用于現(xiàn)有的鉻化生產(chǎn)線及設(shè)備，鋁材彩涂加工后各項性能指標完全達到技術(shù)要求，可作為替代現(xiàn)有鉻鈍化工藝，應用在鋁材彩涂的涂裝前處理生產(chǎn)中，是一項節(jié)能、環(huán)保的鋁材前處理技術(shù)。
關(guān)鍵詞：節(jié)能環(huán)保，鋁材，彩涂，硅烷處理
一.前言
金屬卷材彩涂工藝已有近100年歷史，國內(nèi)在上世紀80年代正式開始彩涂工藝，隨著中國經(jīng)濟發(fā)展，近十年來，該工藝得到快速發(fā)展，在建筑、汽車、家用電器、辦公用具等方面有著廣泛的用途[1]。
在鋁材彩涂生產(chǎn)中，鋁卷能連續(xù)通過脫脂清洗、化學轉(zhuǎn)化膜、涂漆和固化等步驟。其中，表面處理最主要的環(huán)節(jié)即是化學轉(zhuǎn)化膜處理，目前多采用鉻鈍化工藝處理。這種處理方法存在較大缺陷，鉻鈍化處理本身含有鉻，處理后仍需大量溢流水對鋁件進行漂洗。其中，六價鉻已經(jīng)證實是致癌重金屬，因此在歐盟的ROHS指令中對其含量有嚴格的規(guī)定;而相對環(huán)保的三價鉻仍含有一定毒性且在環(huán)境中仍然會轉(zhuǎn)化為六價鉻。目前，在鋁卷材彩涂業(yè)中仍大量使用三價鉻甚至六價鉻鈍化工藝[2]。
為了適應對于環(huán)境日益嚴格的要求，同時在生產(chǎn)處理過程中節(jié)約資源。以盡量少的化學物質(zhì)消耗量和常溫不加熱處理，使人們清醒的認識到采用無磷、無鉻、無重金屬、無渣、常溫處理工藝的重要性，因此尋找一種能夠替代傳統(tǒng)的鉻鈍化處理的新材料具有積極深遠的意義[3]。
二.技術(shù)原理
在發(fā)現(xiàn)硅烷偶聯(lián)劑卓越的防腐性能以前，硅烷作為膠粘劑或附著力促進劑被廣泛應用于玻璃或陶瓷強化高聚復合材料中。硅烷防銹性能系統(tǒng)全面地研究始于20世紀90年代初，通過研究發(fā)現(xiàn)，硅烷可以有效地用于金屬或合金的防腐。硅烷處理技術(shù)是一類主要以硅烷偶聯(lián)劑的有機/無機復合物，硅烷的基本結(jié)構(gòu)為：R'(CH2)nSi(OR)3。其中-OR是可水解基團，R'是有機官能團。
硅烷在水溶液中的水解平衡反應式可簡單表示為：
水解后的硅烷通過其SiOH基團與金屬表面的MeOH基團(Me表示鋁，鐵等金屬)形成氫鍵而快速吸附于金屬表面。
一方面硅烷在金屬界面上形成Si-O-Me共價鍵。硅烷與金屬之間的結(jié)合是非常牢固的;另一方面，剩余的硅烷分子通過SiOH基團之間的縮聚反應形成Si-O-Si鍵：
圖1：金屬表面硅烷成膜過程
鋁材表面經(jīng)硅烷處理后，表面吸附了一層具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的超薄有機納米膜層(20~200nm)，同時在界面形成結(jié)合力很強的Si-O-Al共價鍵，可將鋁表面和涂層偶合，具有牢固的附著力，同時與涂層共同提供了良好的耐腐蝕性[4]。
硅烷技術(shù)成本低廉，為工業(yè)化應用帶來了應用先決條件，經(jīng)過不斷發(fā)展技術(shù)日趨成熟，對各種生產(chǎn)條件、工件材質(zhì)都有了更廣泛和成熟的應用。硅烷技術(shù)有望給鋁材鉻化技術(shù)帶來革命性的變革。
目前硅烷技術(shù)在國內(nèi)家電行業(yè)及鋁塑板行業(yè)成功應用。我公司的硅烷技術(shù)已經(jīng)成功升級到第三代技術(shù)，已經(jīng)在國內(nèi)鋁塑板行業(yè)成熟應用，國內(nèi)達到領(lǐng)先水平，得到了業(yè)內(nèi)廣大用戶單位和專家的一致認可和好評。
三.硅烷技術(shù)在鋁板彩涂上的應用與性能測試
3.1鋁材彩涂硅烷應用工藝
我公司研制的鋁材彩涂硅烷處理劑PSi-2在鋁卷材彩涂工藝上得到成功應用，已穩(wěn)定運行超過24個月。硅烷化處理的工藝流程分別如下：
⑴酸性清洗→水洗→水洗→直噴純水洗→硅烷處理→烘干→輥涂;
⑵堿性清洗→水洗→水洗→酸出光→水洗→水洗→直噴純水洗→硅烷處理→烘干→輥涂。
根據(jù)卷材表面狀態(tài)選擇不同的清洗方案，一般地，選用酸性清洗工藝可節(jié)省生產(chǎn)處理時間。
3.2鋁材彩涂性能測試
鋁材彩涂后的性能測試按照YS/T431《鋁及鋁合金彩色涂層板、帶材》標準進行。
1)涂層附著力
按GB/T9286的規(guī)定劃格，劃格間距為1mm。將粘著力大于10N/25mm的粘膠帶覆蓋在劃格的涂層上，壓緊以排去粘膠帶下的空氣，以垂直于涂層表面的角度快速拉起粘膠帶，然后按GB/T9286評級。
2)耐沖擊性
按GB/T1732的規(guī)定進行試驗，測量沖擊后鋁試件涂層既元開裂或脫落、正反面鋁材也無明顯裂紋的最大沖擊高度。
3)耐鹽酸性、耐堿性、耐硝酸性
均按照GB/T17748的要求進行試驗，觀察試驗后的試樣是否有脫落、起泡、粉化等異常變化。
4)T彎試驗
使用T型彎曲儀來測試涂膜的T型彎曲性能，檢查涂層有無開裂或脫落。
5)鹽霧試驗
參照GB/T1771的規(guī)定進行試驗，然后按GB1740的有關(guān)規(guī)定進行評級。以全部試樣中性能最差者作為試驗結(jié)果。
6)水煮試驗
將試樣置于水中煮沸2h后，觀察鋁塑板涂層是否有脫落、鼓泡、開裂、變色等外觀上的異常現(xiàn)象。
7)高溫水煮試驗
把試樣置于水中，于高壓釜中加溫至137℃，恒溫30min后取出，冷卻后目視檢查，觀察鋁塑板涂層是否有脫落、變色等現(xiàn)象。
鋁材硅烷處理后彩涂性能測試的結(jié)果見表1。
四.應用效益及成本方面分析比較
在表2中，比較了鋁材硅烷處理工藝和傳統(tǒng)鉻化處理的使用情況。
由表2結(jié)果并綜合各項生產(chǎn)應用工藝實際情況，應用硅烷處理工藝，其技術(shù)優(yōu)勢有：
1)硅烷處理常溫運行無需加熱，可以節(jié)能降耗;
2)硅烷工藝處理時間短，硅烷成膜效率高，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能;
3)硅烷處理鋁材表面積大，化學品消耗少，使用成本低;
4)硅烷處理槽液監(jiān)控簡單，無需除渣，使用便捷;
5)硅烷處理材料不含重金屬等有害物質(zhì)，甚至可達標直排，是綠色環(huán)保型產(chǎn)品。
鋁材硅烷處理工藝與鉻化工藝比較，鋁材免水洗硅烷系處理工藝具有工藝操作簡單，硅烷處理后免水洗，同時實現(xiàn)了在常溫下進行工藝處理，與鉻化工藝比較，縮短了工藝周期，降低了資源消耗，節(jié)約了設(shè)備占地面積。硅烷處理技術(shù)的綜合成本與鉻化工藝相比，具有明顯的優(yōu)勢，可節(jié)約20%以上。
在污水處理上解決了鋁工業(yè)固體廢棄物減量化和無害化的根本問題，硅烷處理技術(shù)杜絕了有毒鉻化物對環(huán)境的危害，徹底消除了原六價鉻鈍化工藝對周邊群眾身體健康的威脅，帶動了行業(yè)的技術(shù)進步，推動了行業(yè)實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，對產(chǎn)業(yè)的帶動和提升作用具有重要的戰(zhàn)略意義。
四.結(jié)論
硅烷處理技術(shù)在鋁材彩涂前處理中的應用可實現(xiàn)涂裝工藝無鉻、無磷，不含重金屬等有害物質(zhì)，同時還能降低能耗，為實現(xiàn)涂裝表面處理的無磷無重金屬環(huán)保目標帶來希望，隨著其技術(shù)進一步成熟與完善，硅烷技術(shù)將給傳統(tǒng)的鉻化表面處理技術(shù)帶來重大變革，創(chuàng)造更大的社會和經(jīng)濟效益。
參考文獻：
[1]孫玉福;新編有色金屬材料手冊;北京：機械工業(yè)出版社，2010.
[2]劉清玲，尚雪嶺，李紅玲;鋁及鋁合金涂裝前處理的研究現(xiàn)狀及展望;材料保護，2011，9：55-57.
[3]朱祖芳;鋁型材涂裝前無鉻化學轉(zhuǎn)化處理技術(shù)的工業(yè)化時間;鋁型材技術(shù)(國際)論壇文集，2010.
[4]王一建，鐘金環(huán)，陸國建，朱丹青，WimVanOoij;金屬件涂裝前納米級轉(zhuǎn)化膜處理工藝技術(shù);現(xiàn)代涂料與涂裝，2012;15(4)：58-62
