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          京山匯成金屬制品有限公司

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          鋼桶表面涂裝前處理硅烷化技術

          2021-09-18 15:35:16

          1 機理

          硅烷是一類含硅基的有機/無機雜化物,在水溶液中通常水解生成Si-OH,Si-OH之間脫水縮合成含Si-OH的低聚硅氧烷;低聚物中的Si-OH與金屬表面的Me(OH)n基團(Me表示金屬)發生縮水反應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(共價鍵間的作用力可達到700 kJ/mol),與金屬之間的結合力非常牢固;另一方面,剩余的硅烷分子通過與SiOH基團之間的縮聚反應在金屬表面形成具有Si-O-Si三維網狀結構的硅烷膜。該硅烷膜通過交聯反應再與涂層(電泳漆或粉末涂層)結合在一起,形成牢固的化學鍵(硅烷膜與涂層相容性好)。這樣,基材-硅烷-涂層之間通過化學鍵形成穩定的膜層結構。這便是硅烷處理能取代涂裝性磷化和鉻處理的原因。

          硅烷膜還能起到封閉磷化膜上大量微孔的作用,形成連續、完整、致密的復合膜。該復合膜的耐蝕能力極強(熱鍍鋅板磷化膜+硅烷膜耐中性鹽霧5個周期,表面仍未腐蝕,顯著優于單磷化膜和單硅烷膜的),并能保持磷化膜的微觀表面粗糙特征(因為硅烷膜極薄,厚度只有200~300μm)。


          2 特性

          硅烷化處理技術應用于金屬表面處理具有顯著的優勢。


          2.1 對金屬材質適應性強

          硅烷化技術適用于處理冷軋鋼板、鍍鋅鋼板、鋁材、鋅-鋁合金及其他金屬基材等,其中鍍鋅鋼板處理效果略差些??蓪崿F多種基材共線生產工藝,處理效果與處理方式有關(硅烷噴淋效果優于浸漬,因后者串槽性更大)。


          2.2 污染性小

          硅烷化處理工藝無有毒金屬(Zn,Ni等)、無磷及其他有害成分,也不需用亞硝酸鈉之類的有害成分作促進劑,使用非常安全可靠,對環境污染小。


          2.3 與涂層配套性好,質量優

          硅烷膜與涂層配套性好,其耐蝕性與磷化膜的相當。鹽霧腐蝕試驗表明:鋼桶的硅烷膜的耐鹽霧腐蝕時間≥1000h,達到磷化膜的耐蝕效果。又如鍍鋅鋼桶的硅烷膜+漆膜經500h鹽霧試驗,硅烷膜可剝離寬度幾乎為零(用劃刀劃叉,沿劃痕邊緣部位剝離,考察其可剝離寬度);磷化膜+漆膜經500h鹽霧試驗,可剝離寬度略大。


          2.4 過渡性好

          無需改造原有設備,可將磷化生產線直接過渡為硅烷線,不但占地面積?。谆嫉孛娣e較大),而且還可省去表面調整工序(原表面調整槽可改為水洗槽或空置)和磷化后的2道水洗工序。


          2.5 槽液管理簡單

          (1)槽液調控簡化。減少了現場加料和檢測的工作量,硅烷槽只需檢測pH值、電導率;而磷化槽和表面調整槽需要日常檢測、調整或換槽(磷化槽1年換1次;表面調整槽7~15天換1次)。

          (2)槽液和設備清理容易。硅烷化處理過程中無沉淀產生,可減少槽液清渣工作量,并解決了固體廢棄物的處理問題;而磷化槽和噴嘴需要定期清渣。


          2.6 綜合成本低

          (1)用料費用少。以某制桶廠處理涂裝200升鋼桶10000只計算,硅烷化原料消耗費用略低于磷化的(前者約0.11元/只,后者約0.17元/只)。

          (2)產能高。由于工序較少,且處理時間較短,有助于提高企業的產能。

          (3)熱耗低。硅烷化可在常溫下進行,僅冬天需加熱到≥15℃,熱能消耗大約為10元/km2。磷化處理溫度需控制在35~40℃(這是涂裝性磷化的Z佳溫度),以35℃計算,磷化熱能消耗大約為50元/km2。

          (4)電耗省。硅烷化不需要表面調整步驟,可節省大量電能。

          (5)水耗少。磷化耗水量為4L/只,硅烷化節省水50%。

          (6)廢水處理費用少。以國內1條年生產能力為100萬只的鋼桶磷化線為例,其廢水處理費用比硅烷化多4.9萬元/年。

          盡管硅烷化用于涂裝前處理具有諸多的優點,但不是所有硅烷都能與金屬形成良好的結合力,必須選擇能適用于多種金屬表面處理的硅烷產品。


          3 應用

          3.1 工藝流程

          3.1 某鋼桶硅烷化(冷軋鋼板)

          預脫脂→脫脂→2道水洗去→離子水洗→硅烷化→水洗→去離子水洗→烘干(水洗槽定時溢流)


          3.2 工藝配方

          3.2.1 硅烷劑基本組分

          通常分為建槽劑、補槽劑、槽液調整劑(分酸性、堿性兩種,降低或升高pH值)、殺菌劑(抑制藻類生長)、活化劑(改善硅烷膜外觀質量)等塑劑,配套使用。例如:有一種用于熱鍍鋅層磷化膜的硅烷封閉劑選用BTESPT硅烷,其配方為BTESPT 4mL/L,乙醇90mL/L,H2O 6mL/L。


          3.2.2 配槽濃度

          視硅烷產品和材質不同而異,一般為1.47%~10%(體積濃度)。普通鋼桶冷軋鋼板10%,磷化后封閉0.5%~1.5%。


          3.2.3 配槽步驟

          (1)清槽 配槽前嚴格清洗設備(包括管道),確保槽內清潔,無渣、無污物或其他化學品殘留,尤其將磷化線直接過渡到硅烷線的設備,更需要清洗干凈。有條件的話,Z后1道用蒸餾水清洗,這樣可延長槽液的使用壽命。

          (2)投藥品 在1000L槽內注入電導率<30μs/cm的去離子水到70%液位,分別加入981211kg,992514.7kg,99600.8kg,充分攪拌,補加去離子水至工作液位,調整pH值在規定范圍內,運行槽液。槽體用不銹鋼槽或內補PVC或PE的鐵槽。


          3.2.4 工藝參數

          (1)pH值 依據不同硅烷化工藝調節pH值,控制范圍為3.8~5.5;處理冷軋鋼板時,pH值為5.8~6.5。定時檢測pH值是非常重要的,可以用帶電極的pH計來測量。降低pH值可在攪拌的情況下少量添加9960;提高pH值可在攪拌的情況下少量添加9950。

          (2)溫度 控制在20~30℃(多金屬)。

          (3)電導率 控制在3500~4000μs/cm。

          (4)時間 噴淋≥20s 浸漬0.5 min~2.5min。

          (5)噴淋壓力 水洗0.10~0.15MPa;硅烷處理0.08~0.10MPa。


          3.3 槽液維護

          3.3.1 調槽方法

          為了達到Z佳硅烷化效果,必須保持硅烷的體積濃度在規定范圍內,通常以0.1%的量補加硅烷劑(如9812和9925)。槽液的濃度通過監測pH值、電導率、硅烷點來控制。生產表明:9925硅烷劑日耗量為9812硅烷劑的2.5倍,每天要多次測量pH值和電導率。


          3.3.2 維護要點

          (1)防止槽液被污染。一是要使用無磷脫脂劑(因PO3-4對硅烷槽污染性Z大),并要求脫脂劑除油效果好;二是脫脂后工件表面要徹底水洗干凈,否則脫脂液被帶到槽液中會破壞槽液平衡,導致硅烷用量上升;三是入槽前一定用去離子水洗。

          (2)防止槽液生長藻類。如果槽液長時間不使用,有必要添加殺菌劑。

          (3)槽液使用的水質要好。


          3.4 操作注意問題

          (1)處理冷軋鋼板時,會有少量渣(渣量為磷化渣量的1%)。處理面積大時要裝過濾袋除渣。

          (2)焊接處不能形成致密的硅烷膜(磷化同樣如此),與涂層結合力較差。原因是焊點面與硅烷間發生縮合反應,因而不能成膜。

          (3)添加藥劑時,使用添加泵。

          (4)定期換槽,換槽周期≥1年。


          4 結論

          硅烷劑在金屬表面涂裝前處理中具有良好的應用前景,并通過生產實踐不斷得到改進。但由于硅烷處理工藝要求生產條件更苛刻(與磷化工藝的相比),加之產品售價仍偏高,欲要使硅烷工藝在金屬表面涂裝前處理中達到目前國內涂裝性磷化的應用水平,還需要經歷較長的成熟期,必須進一步加強硅烷產品的研究與應用,縮小與國外硅烷產品的差距,提升國內硅烷工藝的整體水平。


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