新型环保防锈技术：金属的有机硅烷表面处理工艺.pdfVIP

新型环保防锈技术：金属的有机硅烷表面处理工艺 朱丹青，Wim J. van Ooij 辛辛那提大学材料系，辛辛那提，俄亥俄州 45221-0012 提要：本文简要综述了近年来关于新型环保有机硅烷防锈技术研究的成果，其中 包括防腐性能测试结果，相关机理研究以及近期研究热点。总体说来，该工艺过 程简单，无毒性无污染，应用广泛。经硅烷处理过的金属表面不仅具有优异的防 腐性能，而且对常用有机涂层有良好的胶粘性能。本研究显示了该技术有望取代 传统铬钝化工艺而成为新一代金属防腐技术。 关键词：金属防护，有机硅烷，铝合金，热扎钢，镀锌钢板 1．简介 作为一种主要的金属防腐技术，半个多世纪以来，铬钝化工艺被广泛的应有 于不同的工业领域中，诸如，汽车工业，飞机工业和船舶工业等。然而铬化物中 所含的 6 价铬离子(Cr6+) 的毒性和致癌性严重阻碍了该工艺的继续使用。随着近年 来人们对环保意识的加强，一股开发研制“绿色防腐技术”的热潮在全球范围内 掀起。关于铬化合物的替代物(或称“绿色防腐剂”) 的研究开发正方兴未艾。本 文所要介绍的硅烷便是其中最具潜力的一种。总体来说，以有机硅烷为主的金属 表面防锈技术具有以下优点：工艺过程简单，无毒性无污染，适用广泛，经硅烷 处理过的金属表面的防腐性及对有机涂层的胶粘性能优异。 1 硅烷是一类硅基的有机/无机杂化物，其基本分子式为：R’(CH ) Si(OR) 。其 2 n 3 中 OR 是可水解的基团，R’是有机官能团。在发现其卓越防腐性能以前，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。据报道，经过少量硅烷 处理的玻璃强化体与高聚物基体形成的界面具有很好的粘接强度，因此大大提高 了复合材料的整体机械性能 [1–2] 。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[3–15]。通过这些研究发现，硅烷可以有效地用于如下金属或合金 的防护：铝及铝合金，锌及锌合金（包括镀锌钢板），铁及铁合金（包括普通碳 钢及不锈钢），铜及铜合金，镁及镁合金。 硅烷在使用以前通常需要进行水解。常用的方法是制成硅烷水溶液。其水解 平衡反应式可简单表示为 ≡Si(OR) + H O ≡Si(OH) + 3ROH (1) 3 2 3 其中，主要的水解产物为 SiOH 。当溶液中形成了足量的活性 SiOH 基团，该溶 液便可以用作金属的表面处理了。应当注意的是，上述水解反应是逐步进行的 [16] 。 硅烷的金属表面处理过程如下：工业用碱液清洗金属→清水冲洗金属表面→ 浸泡于硅烷溶液中 5–30 sec→空气中晾干。硅烷在金属表面的成膜过程如图 1 所 示。在浸泡过程中，水解后的硅烷分子(≡Si(OR) )通过其 SiOH 基团与金属表面 3 的MeOH 基团(其中, Me = 金属)形成氢键而快速吸附于金属表面(如图1(a))。在随 2 后的晾干过程中，SiOH 基团和 MeOH 基团进一步凝聚，在界面上生成 Si-O-Me 共价键，其平衡反应式如下： ≡SiOH + MeOH ≡Si-O-Me≡ + H O (2) 硅脘液 金属表面 界面 2 i i i