硅烷技术在前处理中的实际应用

硅烷技术在前处理中的实际应用

张 茹 陈 慕 祖

（上海凯密特尔化学品有限公司 上海 201315）

摘要：硅烷处理替代传统磷化处理在节能、环保等方面有突出优点。本文通过案例描述了硅烷在实际使用中所采用的工艺、控制、性能以及综合成本的情况。

关键词：硅烷 前处理 磷化

Oxsilan Pretreatment Technology Applid in Genery Industry

Zhang ru, Chen muzu

Shanghai Chemetall Chemical Co., Ltd, Shanghai, 201315

Abstract: Oxsilan as a new generation pretreatment technology, compares traditional Zink phosphating, it is an energy-saving and environment friendly pretreatment process. This article introduced the whole process, parameter control, performance and cost differences as zink phosphating.

Key Words: Oxsilan, pretreatment, phosphating 1前言

传统磷化在金属防腐方面有优良的性能，但是磷化处理因为含有锌、镍、锰等有害重金属，处理温度较高，废水、废渣处理较复杂而面临日益严峻的形势。

硅烷化处理是目前技术发展较成熟的可取代磷化的前处理技术。硅烷处理与传统磷化相比具有以下多个优点：无镍、锌、锰等有害重金属离子，不含磷，无需加温。硅烷处理过程无渣，处理时间短，控制简便。处理步骤少，可省去表调及钝化工序，槽液使用寿命长，维护简单。有效提高油漆对基材的附着力，可共线处理铁板、镀锌板、铝

2

板等多种基材。

金属表面硅烷处理的机理

在发现硅烷卓越防腐性能以前，硅烷作为胶粘剂被广泛应用于玻璃或陶瓷强化高聚复合材料中。系统而全面的硅烷防锈性能的研究始于二十世纪九十年代初①。通过研究发现，硅烷可以有效地用于金属或合金的防腐。

硅烷是一类硅基的有机／无机杂化物，其基本分子式为：R ’( CH2 ) nSi (OR)3 。其中OR 是可水解的基团，R ’是有机官能团。

硅烷在水溶液中通常以水解的形式存在：

-Si(OR)3+H2O≒Si(OH)3+3ROH 硅烷水解后通过其SiOH 集团和金属表面的MeOH 集团（Me=金属）通过缩水反应而快速吸附于金属表面，

SiOH+MeOH = SiOMe+H2O 一方面硅烷在金属界面上形成

Si-O-Me 共价键，一般来说，共价键间的作

用力可达700kj/mol，硅烷与金属之间的结

合是非常牢固的。另一方面，剩余的硅烷分

子则通过SiOH 集团之间的缩聚反应在金属

表面上形成具有Si-O-Si 三维网状结构的硅烷膜②

（图1）。

图1：硅烷在金属表面成膜模型

该硅烷膜在烘干过程中和后道的电泳

漆、或喷粉通过交联反应结合在一起，形成

牢固的化学键。这样，基材、硅烷和油漆之

间可以通过化学键形成稳固的膜层结构。

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金属表面硅烷处理的特点

3.1 硅烷处理不含锌、镍等有害重金属

及其他对有害成分。镍已经被证实对人体危

害较大，世界卫生组织WHO 规定，2016

年后镍需达到零排放，要求磷化废水、磷化

蒸汽、磷化打磨粉尘中不得含镍。

3.2 硅烷处理是无渣的。渣处理成本为0，减少设备维护成本。

磷化渣是传统磷化反应的必然伴生物。比如一条使用冷轧板的汽车生产线，每处理一辆车（以100平米计），就会产生约600克含水率为50%的磷化渣，一条10万辆车的生产线每年产生的磷化渣就有60吨。

3.3 不需要亚硝酸盐促进剂，从而避免

了亚硝酸盐及其分解产物对人体的危害；

3.4产品消耗量低，仅是磷化的10-20

分之一；

3.5 较少的生产步骤和较短的处理时

间有助于提高工厂的产能；新建生产线可缩

短，节约设备投资和占地面积；

3.6 常温，节约能源。硅烷槽液不需要

加温，传统磷化一般需要35℃~55℃；

3.7 与现有设备工艺不冲突，无须设备

改造可直接替换磷化；与原有涂装处理工艺

相容，能与目前使用的各类油漆和粉末涂装

相匹配。

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硅烷处理与磷化处理之间的区别：

4.1 磷化与硅烷处理技术在使用条件

方面的区别如下：

项

目

磷化 硅烷 温度

35-55℃ 室温 成渣量

3-12g/m2

0g/m2

倒槽周期

2-6个月 无 耗水量/m2

4升

2升

检测参数 磷化：游离酸、PH 、电导

型的硅烷前处理工艺。笔者曾参与了某空调机箱前处理工艺转换，该厂原来使用磷化处理时的工艺如下：

热水洗-预脱脂-主脱脂-水洗一-水洗二-表调-磷化-水洗三-水洗四-烘干-喷粉

在使用硅烷处理后，选用的处理工艺为：

热水洗-预脱脂-主脱脂-水洗一-水洗二-纯水直喷-硅烷处理-水洗三-水洗四-烘干-喷粉

5.2 该线硅烷的处理条件为：

总酸、促进剂、率、活化点 氟硅酸含量、锌、镍、锰含量等 表调：PH 和电导率 钝化：PH ，锆点

4.2 磷化产品与硅烷产品在实际应用时在成本方面也存在一些差异：

项目 膜重 处理面积

磷化 2-4g/m 30-40m /kg磷化产品

2

2

硅烷 0.04-0.4 g/m 500-2500m /kg依硅烷产品和工艺而不同

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处理方式： 喷淋 温度： 时间：

室温 2分钟

每公斤槽液处理面积：2000m 2 PH ：

5.3 该线使用硅烷处理成品满足以下性能：

测试项目 附着力试验

测试标准 QJ/GD63.05-02

漆膜抗冲击试验

(GB/T1732-93)

中性盐雾试验

GB/T2423.17-1993

测试结果 0级，无漆膜脱落 50kg ，合格，无开裂 500小时：合格

处理时间 除渣 水洗 表调槽 钝化槽 磷化层流泵 磷化除渣泵 设备占地面积 纯水

2-5分钟 需要 需水洗 需要 有需要 需要 需要 大 需要

0.5-2分钟 不需要 可无水洗 不需要 不需要 不需要 不需要 小 需要

3.8-4.5-5.5

5

金属表面硅烷处理实例 5.1 应用工艺

随着硅烷技术的不断推广，很多厂家都将原来的传统磷化前处理工艺改成了环保

由上表可以看出，硅烷处理与磷化处理具备相当的抗腐蚀性能和油漆结合力。

5.4 该线使用硅烷处理后综合成本下降：

5.4.1无表调，节约表调槽所需化学品。（该线原本无钝化步骤）。

5.4.2硅烷槽工作温度降低至室温, 热能耗下降，节约成本计算如下：

磷化（以磷化温度40-45度计算），目前国内一般磷化线热能消耗在80元/千平方米。硅烷（仅冬天加热到15度以上），预计热能消耗在10元/千平方米。

热能方面：磷化比硅烷贵了100元/千平方米，节约热能约0.07元/m2。

5.4.3硅烷槽循环泵的数量减少，电能耗下降，节约成本计算如下：

磷化一般有4个30KW/H泵，每年电费（以电价1元计算）4*30*6000小时=72万元；而硅烷只需要运行1个泵，每年电费（以电价1元计算）1*30*6000小时=18万元，年处理面积约360万平方米，计节约电能0.15元/平方米。

5.4.4该厂废水处理压力很大改善。据统计，该条生产线在使用硅烷处理后废水处理所需化学品比原来降低了40-50%。原因是硅烷处理不产生有害重金属废弃物，仅需调节酸碱性后即可排放。 6

硅烷处理在实际应用中的一些注意点： 6.1 需使用纯水。为了得到性能优良的漆膜性能，同时为了延长槽液使用寿命，硅烷槽液需使用纯水。

6.2不可使用铸铁槽体。为了减少对槽体的侵蚀及由此引起的硅烷有效份损失，槽体建议使用铸铁外的其他材质，如304以上不锈钢、有玻璃钢内衬或硬PVC 和PE 内衬的铸铁槽体。

6.3老线改造时需清理磷化渣。

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结语

硅烷作为新型环保前处理技术，在国际

上已经得到广泛应用，凯密特尔硅烷产品在白色家电、汽车零部件、农用及重型车等行业都已有数十条生产线稳定运行。随着硅烷技术的不断发展，硅烷产品已经逐步通过国内外轿车生产线的认可，预计第一条硅烷前处理轿车生产线将于2008年底在法国雷诺启动生产。在国内也有格力电器、海信、博世、辉门等客户。

硅烷技术由于良好的性能，在未来将代替传统磷化技术，给国内前处理业带来发展的新高潮。

参考文献： 1

W.J.VAN Ooij and T .F. Child,

CHEMTECH, 28, 1998, p26

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朱丹青，Wim J van Ooij 新型环保

防锈技术：金属的有机硅烷表面处理工艺