一种金属表面硅烷化处理剂及其应用
文献发布时间：2023-06-19 19:28:50
技术领域
本发明涉及金属表面涂装技术领域，具体涉及一种金属表面硅烷化处理剂及其应用。
背景技术
汽车零部件、家用电器的涂装工艺，一般可分为两大部分：一是金属的表面前处理；二是涂装、喷漆施工。传统磷化处理在涂装前处理过程中被广泛使用，但是磷化处理存在废水、废渣处理较为复杂的环保问题。
硅烷化处理是目前较成熟的可取代磷化的前处理技术，硅烷化处理不仅避免了传统磷化处理的缺点，还具有如下优点：处理时间短，处理步骤少，控制简便；同时可省去表调及钝化工序，且槽液使用寿命长；可以提高油漆对基材的附着力，并共线处理铁板、镀锌板、铝板等多种基材；但硅烷化处理也存在着如下缺点：现有硅烷化处理剂对金属表面处理后所形成的硅烷膜与后续涂层易脱离；耐腐蚀性相比传统磷化工艺还有一定差距，不能满足家电等各行业的要求；现有硅烷化处理工艺缺乏一定的工业化价值，市场上并没有推广开来。
中国专利文献CN108250950A公开了一种亲水高耐蚀型钢铁表面硅烷化处理剂及其合成方法，该硅烷化处理剂由硅烷溶液、合成配合剂、缓冲体系组成，但硅烷溶液和合成配合剂的制备过程较为复杂，硅烷化处理剂性质难以保持稳定。
中国专利文献CN101476118A公开了一种通用金属表面硅烷化处理剂及其制备方法和应用，将预处理后的金属直接浸没于水相中25分钟，取出后在80～160℃干燥30～50分钟，该专利公开的金属表面处理方法固化时间和硅烷浸渍时间过长，老化成膜温度高，不利于工业化生产。
目前，急需开发一种通用性和实用性强的硅烷化处理剂及应用工艺，使硅烷化处理更适用于工业化生产。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种金属表面硅烷化处理剂及其应用，能够极大提升基体与有机涂层的结合力，相较于单一硅烷膜防腐效果更好，且硅烷膜固化温度低、时间短，适合于工业生产。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种金属表面硅烷化处理剂，由硅烷处理剂A和硅烷处理剂B组成；
硅烷处理剂A的制备方法如下：将乙烯基硅烷、硅酸酯类硅烷混合得硅烷混合液，将硅烷混合液与去离子水和醇类溶剂按体积比5：55～60：35～40混合，在室温下进行水解反应1.5～2h，即得硅烷处理剂A；
硅烷处理剂B的制备方法如下：将氨基硅烷与去离子水和醇类溶剂按体积比5：55～60：35～40混合，在室温下进行水解反应1.5～2h，即得硅烷处理剂B。
优选的，乙烯基硅烷为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷或乙烯基三乙酰氧基硅烷中的一种或多种。
优选的，硅酸酯类硅烷为正硅酸甲酯和/或正硅酸四乙酯。
优选的，氨基硅烷为氨丙基三甲氧基硅烷和/或氨丙基三乙氧基硅烷。
优选的，醇类溶剂为甲醇、乙醇或正丙醇中的一种或多种。
优选的，硅烷混合液中乙烯基硅烷、硅酸酯类硅烷的体积比为3：2～2：3。
本发明还要求保护一种所述金属表面硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，包括以下步骤：
(1)金属预处理：将金属在60～70℃下用脱脂剂处理5～30min，然后水洗；在10～40℃下用除锈剂处理5～30min，然后水洗、吹干；
(2)硅烷膜的制备：将预处理后的金属浸入硅烷处理剂A中，取出沥干；再浸入硅烷处理剂B中，取出吹干即可。
优选的，步骤(2)中，金属浸入硅烷处理剂A中的时间为30～120s。
优选的，步骤(2)中，金属浸入硅烷处理剂B中的时间为30～120s。
优选的，金属为钢、镀锌钢板、铝、铝合金中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明提供了一种金属表面硅烷化处理剂，其中含有乙烯基和氨基，这些基团可以匹配绝大部分有机涂层，能够极大提升基体与有机涂层的结合力。
2)本发明提供了一种金属表面硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，先采用硅烷处理剂A处理金属然后用硅烷处理剂B，若先用硅烷处理剂B后用硅烷处理剂A，则金属表面残留的碱性氨基硅烷会影响处理剂A的水解稳定性；本发明采用的双硅烷浸渍处理工艺，产生的双层硅烷膜相比单一硅烷膜防腐效果更佳。
3)本发明提供的金属表面硅烷化处理剂中醇类溶剂含量较高，溶剂挥发快，金属经过处理剂浸渍后用暖风快速吹干即可完成固化，避免了常规硅烷化处理老化温度高、时间长的缺点；醇类含量高有利于硅醇溶液的稳定性，但醇含量过高的体系具有高度易燃性，醇蒸汽含量达到一定限度甚至可能引起爆炸，因此本发明将醇类溶剂的含量控制在40％以下。
4)氨基硅烷水解呈碱性，可以催化硅酸酯类硅烷水解形成SiO
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合实施例，对本发明作进一步的详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如无特殊说明外，本发明中的化学试剂和材料均通过市场途径购买或通过市场途径购买的原料合成。
碳钢购自东莞市粤港模具钢材有限公司，型号为s35c；
除锈剂为二合一除油除锈剂，型号为F-101；
脱脂剂购自深圳市金腾龙实业有限公司，型号为赢创Tomamine AO-455。
实施例1
一种硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，具体步骤如下：
(1)将35mL甲醇、3mL乙烯基三甲氧基硅烷、2mL正硅酸甲酯与60mL去离子水混合均匀，室温下水解反应1.5h，得到硅烷处理剂A；
(2)将35mL甲醇、5mL氨丙基三甲氧基硅烷与60mL去离子水混合均匀，室温下水解反应1.5h，得到硅烷处理剂B；
(3)用脱脂剂在60℃下处理碳钢试样表面5min，然后用去离子水冲洗干净，接着用除锈剂在室温下处理碳钢试样表面5min，用去离子水冲洗干净，并用压缩空气吹干；
(4)将预处理后的金属浸入硅烷处理剂A中30s后取出沥干，再浸入硅烷处理剂B中30s后取出沥干，暖风快速吹干即可。
实施例2
一种硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，具体步骤如下：
(1)将40mL甲醇、3mL乙烯基三甲氧基硅烷、2mL正硅酸甲酯与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应1.5h，得到硅烷处理剂A；
(2)将35mL甲醇、5mL氨丙基三甲氧基硅烷与60mL去离子水混合均匀，室温下水解反应1.5h，得到硅烷处理剂B；
(3)用脱脂剂在70℃下处理碳钢试样表面5min，然后用去离子水冲洗干净，接着用除锈剂在室温下处理碳钢试样表面5min，用去离子水冲洗干净，并用压缩空气吹干；
(4)将预处理后的金属浸入硅烷处理剂A中30s后取出沥干，再浸入硅烷处理剂B中30s后取出沥干，暖风快速吹干即可。
实施例3
一种硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，具体步骤如下：
(1)将35mL甲醇、3mL乙烯基三甲氧基硅烷、2mL正硅酸甲酯与60mL去离子水混合均匀，室温下水解反应1.5h，得到硅烷处理剂A；
(2)将40mL甲醇、5mL氨丙基三甲氧基硅烷与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应1.5h，得到硅烷处理剂B；
(3)用脱脂剂在60℃下处理碳钢试样表面5min，然后用去离子水冲洗干净，接着用除锈剂在室温下处理碳钢试样表面5min，用去离子水冲洗干净，并用压缩空气吹干；
(4)将预处理后的金属浸入硅烷处理剂A中30s后取出沥干，再浸入硅烷处理剂B中30s后取出沥干，暖风快速吹干即可。
实施例4
一种硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，具体步骤如下：
(1)将40mL甲醇、3mL乙烯基三甲氧基硅烷、2mL正硅酸甲酯与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应1.5h，得到硅烷处理剂A；
(2)将40mL甲醇、5mL氨丙基三甲氧基硅烷与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应1.5h，得到硅烷处理剂B；
(3)用脱脂剂在60℃下处理碳钢试样表面5min，然后用去离子水冲洗干净，接着用除锈剂在室温下处理碳钢试样表面5min，用去离子水冲洗干净，并用压缩空气吹干；
(4)将预处理后的金属浸入硅烷处理剂A中30s后取出沥干，再浸入硅烷处理剂B中30s后取出沥干，暖风快速吹干即可。
实施例5
一种硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，具体步骤如下：
(1)将40mL甲醇、3mL乙烯基三甲氧基硅烷、2mL正硅酸甲酯与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应2h，得到硅烷处理剂A；
(2)将40mL甲醇、5mL氨丙基三甲氧基硅烷与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应2h，得到硅烷处理剂B；
(3)用脱脂剂在60℃下处理碳钢试样表面5min，然后用去离子水冲洗干净，接着用除锈剂在室温下处理碳钢试样表面5min，用去离子水冲洗干净，并用压缩空气吹干；
(4)将预处理后的金属浸入硅烷处理剂A中30s后取出沥干，再浸入硅烷处理剂B中30s后取出沥干，暖风快速吹干即可。
实施例6
一种硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，具体步骤如下：
(1)将40mL甲醇、3mL乙烯基三甲氧基硅烷、2mL正硅酸甲酯与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应2h，得到硅烷处理剂A；
(2)将40mL甲醇、5mL氨丙基三甲氧基硅烷与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应2h，得到硅烷处理剂B；
(3)用脱脂剂在70℃下处理碳钢试样表面5min，然后用去离子水冲洗干净，接着用除锈剂在室温下处理碳钢试样表面5min，用去离子水冲洗干净，并用压缩空气吹干；
(4)将预处理后的金属浸入硅烷处理剂A中60s后取出沥干，再浸入硅烷处理剂B中30s后取出沥干，暖风快速吹干即可。
实施例7
一种硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，具体步骤如下：
(1)将40mL甲醇、3mL乙烯基三甲氧基硅烷、2mL正硅酸甲酯与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应2h，得到硅烷处理剂A；
(2)将40mL甲醇、5mL氨丙基三甲氧基硅烷与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应2h，得到硅烷处理剂B；
(3)用脱脂剂在60℃下处理碳钢试样表面5min，然后用去离子水冲洗干净，接着用除锈剂在室温下处理碳钢试样表面5min，用去离子水冲洗干净，并用压缩空气吹干；
(4)将预处理后的金属浸入硅烷处理剂A中60s后取出沥干，再浸入硅烷处理剂B中60s后取出沥干，暖风快速吹干即可。
对比例1
一种硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，具体步骤如下：
(1)将40mL甲醇、5mL氨丙基三甲氧基硅烷与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应2h，得到硅烷处理剂B；
(2)用脱脂剂在60℃下处理碳钢试样表面5min，然后用去离子水冲洗干净，接着用除锈剂在室温下处理碳钢试样表面5min，用去离子水冲洗干净，并用压缩空气吹干；
(3)将预处理后的金属浸入硅烷处理剂B中30s后取出沥干，暖风快速吹干即可。
对比例2
一种硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，具体步骤如下：
(1)将40mL甲醇、3mL乙烯基三甲氧基硅烷、2mL正硅酸甲酯与55mL去离子水混合均匀，室温下水解反应2h，得到硅烷处理剂A；
(2)用脱脂剂在60℃下处理碳钢试样表面5min，然后用去离子水冲洗干净，接着用除锈剂在室温下处理碳钢试样表面5min，用去离子水冲洗干净，并用压缩空气吹干；
(3)将预处理后的金属浸入硅烷处理剂A中30s后取出沥干，暖风快速吹干即可。
对比例3
一种硅烷化处理剂在金属表面处理中的应用，具体步骤如下：
用脱脂剂在60℃下处理碳钢试样表面5min，然后用去离子水冲洗干净，接着用除锈剂在室温下处理碳钢试样表面5min，用去离子水冲洗干净，并用压缩空气吹干。
在模拟海水溶液中采用腐蚀电化学方法测得实施例1～7、对比例1～3中经过处理后的碳钢的腐蚀速度，采用GB/T5210-2006《色漆和清漆拉开法附着力试验》测得实施例1～7、对比例1～3中经过处理后的碳钢与涂层的粘接强度，具体数据见表1。
表1
通过实施例1～7与对比例1～3对比分析可以看出，双层硅烷处理工艺相比单层硅烷处理工艺效果更好，金属经硅烷化处理后防腐效果及粘接强度有明显的提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。