不锈钢金属表面硅烷化处理的应用研究
硅烷偶联剂处理金属表面
硅烷偶联剂是一种具有特殊结构的有机硅化合物，它可以在金属表面形成一层致密的保护膜，提高金属的耐腐蚀性、抗氧化性和耐磨性。
同时，硅烷偶联剂还可以增强金属与涂层之间的附着力，提高涂层的抗脱落性能。
使用硅烷偶联剂处理金属表面可以提高金属的表面能，使其更容易被润湿和附着，从而改善涂层的附着力和耐久性。
此外，硅烷偶联剂还可以与无机填料反应，改善其与有机聚合物的相容性，提高复合材料的性能。
在金属表面处理中，硅烷偶联剂的应用范围广泛，可用于钢铁、铝、铜等金属表面的处理。
例如，在钢铁表面处理中，硅烷偶联剂可以通过化学反应在钢铁表面形成一层致密的保护膜，提高钢铁的耐腐蚀性和抗氧化性。
在铝表面处理中，硅烷偶联剂可以改善铝表面的润湿性和附着力，提高涂层的附着力和耐久性。
总之，使用硅烷偶联剂处理金属表面可以提高金属的耐腐蚀性、抗氧化性和耐磨性，同时还可以改善金属与涂层之间的附着力，提高涂层的抗脱落性能。
金属表面处理 锆化 硅烷
金属表面处理锆化硅烷1. 引言1.1 金属表面处理的重要性金属表面处理是指对金属表面进行改性处理，以提高其耐腐蚀性、耐磨性、耐疲劳性和美观性等性能。
金属制品在实际使用中常常会受到氧化、腐蚀、磨损等因素的影响，严重影响其使用寿命和效果。
而金属表面处理技术可以有效地解决这些问题，保护金属制品，延长其使用寿命，提高其性能表现。
金属表面处理的重要性主要体现在以下几个方面：金属表面处理可以有效防止金属制品因腐蚀而失效，延长其使用寿命，降低维护成本；金属表面处理可以提高金属制品的外观质量，提升其市场竞争力；金属表面处理可以改善金属制品的耐磨性和耐疲劳性，提高其使用效果；金属表面处理是实现金属材料功能多样化的重要手段，满足不同领域对金属制品性能的需求。
金属表面处理技术在工业生产和日常生活中具有重要意义，对于提高金属制品的质量、性能和使用寿命起着关键作用。
随着技术的发展和不断创新，金属表面处理技术将会迎来更加广阔的发展前景。
1.2 锆化和硅烷的介绍锆化是一种常用的金属表面处理技术，通过在金属表面形成一层锆化层，能够提高金属的耐腐蚀性和耐磨损性，同时提高金属的表面硬度。
锆化技术可以应用于各种金属材料，如铝、镁、钢铁等，广泛用于航空航天、汽车制造、电子等领域。
锆化和硅烷技术都是重要的金属表面处理方法，它们能够有效提升金属材料的性能和使用寿命，为各个行业提供优质的金属制品。
在金属表面处理领域，锆化和硅烷技术的应用和研究不断深入，为金属制品的品质提升和技术创新提供了有力支持。
2. 正文2.1 金属表面处理技术概述金属表面处理技术是一种通过特定的方法使金属表面获得特定性能的工艺。
金属在使用过程中会受到各种外界因素的影响，如氧化、腐蚀和磨损等，这些都会降低金属的使用寿命。
金属表面处理技术的应用变得至关重要。
金属表面处理技术有很多种，常见的包括镀层、涂覆、氧化、硝化等。
这些处理方法可以改善金属表面的耐腐蚀性、抗磨损性、导热性等性能，从而延长金属的使用寿命。
硅烷化处理及其在金属表面处理中的应用分析
通过硅烷化处理与传统磷化处理相比较，能够省去表调及磷 化前后的水洗工序，处理时间大大缩短，并减少了污水处理量。
1 硅烷化处理的原理 硅烷化处理是以有机硅烷为主要原料对金属或非金属材料
进行表面处理的过程，该过程通过引入硅烷基与基材形成共价 键连接，在金属表面形成高致密的保护膜。
硅烷是一类含硅基的有机/无机杂化物，其基本分子式为 X-R-SiY3，其中的Y指的是与硅原子连接的可水解基团，其中 R则是指非水解脂肪族链，其中的X指的是可以和有机材料实现 反应的基团，例如乙烯基以及氨基等[2]。
TECHNOLOGY AND INFORMATION
工业与信息化
硅烷化处理及其在金属表面处理中的应用分析
汪洋 包英俊 中国船舶重工集团第七一五研究所 浙江 杭州 311400
摘 要 工业生产中，将耐腐蚀的有机物涂覆在金属表面，经固化成膜后制备的有机涂层具有屏蔽、缓蚀及电化学 保护三方面的作用，防腐效果好。由于涂料具有选择性宽、可用范围广、节约能源、应用施工方便等优点，是现今 最有效、最经济和研究最多的表面防护方法之一。对工作表面进行强化热处理，可在不改变零件内部组织和性能的 前提下，达到工作心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。本文结合硅烷化处理剂的制备及金属表面处理方法 的对比，来分析硅烷化处理方法的优势和应用情况。 关键词 硅烷化；金属表面；处理工艺；应用分析
硅烷化处理相比传统的处理工艺有以下优势： （1）硅烷化金属表面处理工艺路线相比传统工艺省去了 表调和磷化前后两道水洗工序，减少了废水的排放量，减轻了 环境污染程度，降低了生产成本。 （2）在使用温度方面，由于硅烷成膜过程为常温化学反 应，因为在日常使用中槽液无须加热即可达到理想处理效果。 此方面相比较来说，为行业应用节省了大量能源并减少了燃料 废气排放。 （3）硅烷化反应中无沉淀反应，所以在日常处理中不产 生沉渣，消除了前处理工序中的固体废物处理问题并有效地延 长了槽液的倒槽周期。 （4）在配槽用量方面，硅烷化较磷化工艺也减少了 20%～50%，更关键的是在每平方米单耗方面硅烷化的消耗量 为传统磷化工艺的15%-20%。在处理时间上硅烷化较磷化也有 较大幅度的缩短，从而提高了生产率，降低了设备持续运作成 本。 （5）电沉积硅烷化金属表面处理工艺除具有硅烷化金属 表面处理工艺的优点外，还可以通过对沉积过程电化学参数的 调节，实现对硅烷化膜结构的可控制备。 （6）通过对现有磷化处理设备的简单改造，投入少量资 金，即可将磷化金属表面生产线改装成硅烷化和电沉积硅烷化
不锈钢金属表面硅烷化处理的应用研究
不锈钢金属表面硅烷化处理的应用研究徐方流（江苏兴达钢帘线股份有限公司，江苏兴化225700）显著的环保优势是不锈钢金属表面硅烷化处理技术的主要特点，金属表面进行有机硅烷溶液处理的一个过程就是金属表面硅烷化处理的本质，为了更好的对不锈钢金属表面硅烷化处理进行应用，就需要进行详细的分析。
一、不锈钢金属表面硅烷化处理工艺的优点不锈钢金属表面利用有机硅的特殊分子结构进处理的过程就是不锈钢金属表面硅烷化处理，这种处理方式具有很多的工艺优点，主要包括以下几点。
首先，在对不锈钢金属表面进行硅烷化处理时，有害或者磷等重金属离子不会应用在其中。
其次，该表面处理的工艺比较容易控制，并且时间短、流程简单。
再次，在不锈钢金属表面硅烷化的处理过程中，不会进行加温操作，也不会有沉渣的产生，这样就能够循环使用槽液。
然后就是还能够使得基材与油漆的结合率得到提升。
最后，不锈钢金属表面硅烷化处理能够对多种基材进行共线处理，例如铝、锌以及铁等。
由于不锈钢金属表面硅烷化处理工艺的优点很多，这就使得被广泛的应用在普通工业中。
此外，在进行不锈钢金属表面硅烷化制备时，其制备工艺会谁硅烷膜性能造成很大的影响。
硅烷偶联剂水解时间、硅烷液浓度、金属基体在硅烷液的浸渍时间、硅烷液PH 值、处理后老化时间以及老化温度等都是影响不锈钢金属表面硅烷膜性能的主要影响因素。
二、不锈钢金属表面硅烷化处理的应用（一）硅烷处理技术原理。
化学官能团是硅烷分子主要含有的，并且通常其化学官能团有两种。
一种化学官能团能够个无机材料表面的羟基发生化学反应，形成共价键，例如玻璃纤维、金属氧化物、金属以及硅酸盐等。
另一种化学官能团可以与树脂发生化学反应，形成共价键。
为了能够有效的提高复合材料的性能，就可以将性质不同的两种材料进行有机的结合。
在硅烷处理技术的成膜过程中，首先先进行硅烷偶联剂的水解，水解完成之后就能够得到Si-O-Me 共价键，主要是由硅烷联合水解后得到的硅醇与金属基体表面存在的MeOH 所反应生成的。
金属表面硅烷化处理的研究现状
Ｓ ｉ ＯＨ￣ ∞‰ ｍ ４ － ＯＨ（ ∞ “４
钠等 被限 制排放 的物 质 ， 且处理 温度 较高 、 废 水和废 渣的无 害化 转化 过程较 为
。
并对 硅烷 化处 理 中的 电泳硅 烷膜 进行 了初 步实 验 。 ［ 关键词］ 有机 硅 烷偶联 剂 ， 表 面 处理 ， 涂 装 中图 分类号 ： Ｔ Ｇ １ ７ ４ ． ４ ４ 文献标 识码 ： Ａ
，
文 章编号 ： １ ０ ０ ９ —９ １ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） ２ ７ — ０ ０ ６ ９ — ０ ２
复杂 等原 因 ， 其 应用 正面 临着 日益加 大的环 保压 力 。 而硅烷 处理 技术 则克服 了 上述 缺点 ， 为涂 装前 处理领 域带 来 了一场革 命性 的变革 ， 硅 烷前 处理 技术 的处
瓤 ～ ０一 譬 嘴 啪Ｅ 锕 ÷ 越： Ｏ
（ ３ ）
理 效 果 已经 与锌 系磷 化效 果相 当 。
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｌ ａ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ Ｍｅ ｔ ａ ｌ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ
ＺＨＯＮＧ Ｚｈｉ —ｓ ｈｕ ｎ， ＺＨＡＯ Ｐｉ ｎｇ， ＹＡＮＧ Ｇｕｏ —ｙｉ ， ＹＡＮ Ｇ Ｙａ－ｐｅ ｎｇ， ＬＩ Ｕ Ｙａ ｎｇ
Ｓ ｉ ＯＨ（ 反应 式 （ １ ） ） ， 并与表 面带 羟基 的金属 （ Ｍｅ ） 发生缩 合反 应实 现成膜 （ 反应 式 （ ２ ） ） ； 同时 硅醇 之 间亦 可 发生相 互缩 合形 成 网状结 构 （ 反应 式（ ３ ） ） ， 并对 金 属起
金属硅烷前处理技术
金属硅烷前处理技术
金属硅烷前处理技术是一种将金属表面处理成硅烷基化合物的技术。
该技术主要用于金属的防腐蚀和提高表面润滑性能。
金属硅烷前处理技术的主要步骤包括清洗、活化和硅烷基化处理。
清洗步骤主要是将金属表面的油脂、氧化物和污垢等污染物清除，以保证后续处理的有效性。
活化步骤是通过化学活化剂处理金属表面，增加表面活性，使硅烷化剂能够更好地与金属反应。
硅烷基化处理是使用硅烷化剂对金属表面进行处理，形成硅烷基化合物层。
硅烷基化合物具有较好的黏附性和耐腐蚀性，能够有效地防止金属被氧化、腐蚀和磨损，同时还能提高金属表面的润滑性能。
金属硅烷前处理技术广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域，可以提高产品的质量和耐用性，延长使用寿命。
同时，该技术还能够减少对环境的污染，提高生产效率，具有较好的经济效益和社会效益。
金属表面处理硅烷
金属表面处理硅烷1. 介绍金属表面处理是一种常用的工艺，用于改善金属表面的性能和延长金属制品的使用寿命。
硅烷是一种有机硅化合物，具有优良的表面活性和耐候性，被广泛应用于金属表面处理中。
本文将介绍金属表面处理硅烷的原理、方法和应用。
2. 原理硅烷通过与金属表面发生化学反应或物理吸附，形成一层有机硅膜，从而改变金属表面的性质。
硅烷分子中的有机基团与金属表面发生键合，形成化学键，使得硅烷分子牢固地附着在金属表面上。
同时，硅烷分子中的疏水基团和亲水基团可以形成一层紧密的有机硅膜，改变金属表面的润湿性和防腐性。
3. 方法金属表面处理硅烷的方法主要包括溶液处理和气相处理两种。
3.1 溶液处理溶液处理是将硅烷溶液涂覆在金属表面上，通过溶液中的硅烷分子与金属表面发生反应，形成有机硅膜。
常用的溶液处理方法包括浸渍法、喷涂法和浸涂法。
3.1.1 浸渍法浸渍法是将金属制品浸入硅烷溶液中，使其与硅烷分子发生反应。
浸渍时间和温度可以根据金属的性质和要求进行调整。
浸渍后，金属制品需经过洗涤和干燥等处理，以去除多余的硅烷分子和溶剂。
3.1.2 喷涂法喷涂法是将硅烷溶液喷涂在金属表面上，形成均匀的硅烷膜。
喷涂可以使用喷枪或喷雾器进行，喷涂后需干燥和固化，以形成稳定的硅烷膜。
3.1.3 浸涂法浸涂法是将硅烷溶液涂覆在金属表面上，通过浸涂和干燥等处理，形成硅烷膜。
浸涂法适用于金属表面较大的制品，如板材和管道等。
3.2 气相处理气相处理是将硅烷蒸气暴露在金属表面上，使硅烷分子在金属表面发生反应，形成有机硅膜。
气相处理方法包括化学气相沉积法和物理吸附法。
3.2.1 化学气相沉积法化学气相沉积法是将硅烷蒸气与金属表面接触，通过化学反应在金属表面形成硅烷膜。
该方法需要控制蒸气压力、温度和反应时间等参数，以获得理想的硅烷膜。
3.2.2 物理吸附法物理吸附法是将硅烷蒸气暴露在金属表面上，通过物理吸附形成硅烷膜。
该方法不需要化学反应，适用于一些对环境要求较高的场合。
硅烷化和磷化的防锈能力
硅烷化和磷化的防锈能力
硅烷化和磷化是两种常见的金属表面处理方法，它们都可以用
于提高金属材料的防锈能力。
首先我们来看硅烷化，硅烷化是利用
硅化合物对金属表面进行化学处理，形成一层硅化合物的保护膜，
从而防止金属表面与空气中的水和氧气发生反应，减少金属的氧化
腐蚀。
硅烷化处理后的金属表面具有良好的耐腐蚀性能，能够在潮
湿或腐蚀性环境中保持较长时间的良好外观和性能。
而磷化是将金属表面处理成磷化层，磷化层可以有效地减少金
属与外界环境的接触，从而减少金属的氧化反应，提高金属的耐腐
蚀性能。
磷化层通常具有较高的硬度和耐磨性，能够有效地延长金
属的使用寿命，并且可以提高金属表面的润滑性能，降低摩擦系数，减少磨损。
总的来说，硅烷化和磷化都是有效的金属表面处理方法，可以
提高金属材料的防锈能力。
它们可以在不同的工业领域中得到广泛
应用，例如汽车制造、航空航天、建筑等领域，以保护金属制品免
受腐蚀和氧化的影响。
当然，选择何种方法还需要根据具体的金属
材料和使用环境来进行综合考虑和选择。
金属表面改性硅烷化处理研究进展
山东化工SHANDONG CHEMICAL IDUSTRY・72・2021年第50卷金属表面改性硅烷化处理研究进展刘颖1>2，王修春2,江荣岩1（1.山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南250101；2.齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省科学院新材料研究所山东省轻质高强金属材料重点实验室，山东济南250014）摘要:硅烷化处理是以硅烷偶联剂为主要原料的新型表面处理技术，常用于涂装前处理以提高金属基体与有机涂层的结合力或将其直接作为防腐蚀涂层’单纯的硅烷膜膜层较薄、表面有缺陷及裂纹，影响了其对金属的防护性能,需要对其进一步改性’综述了近年来国内外对硅烷化处理改性工艺的研究，详述了各种改性工艺对硅烷膜性能的影响,对耐蚀机理进行阐述，指出各种改性工艺存在的不足并提出进一步的研究方向’双层硅烷膜、添加纳米粒子、无机缓蚀剂、有机缓释剂以及硅烷与树脂复配等工艺明显提高了硅烷膜的性能，将多种改性工艺相结合可得到综合性能更加优异的硅烷膜’但还需要进一步研究改性机理,提高硅烷膜对不同基体的适用性及与涂装体系的配套性’关键词：硅烷化处理;改性处理;纳米粒子;缓蚀剂;耐蚀性中图分类号:TG174.4文献标识码:A文章编号:1008-021X（2021）03-0072-07Research Progress of Modified Silanization Treatment on Metal SurfaceLin Ying1,2,Wang XiucCun2,Jiang Rongya$(1.School of Material Science and Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan250101,China；2.Shandong Provincial Key Labomtom of HRhsOength LRhtweRht Metal/v Materials,Advanced Materials enstitute,Qilu University of Technology!Shandong Academy of Sciences),Jinan250014,China)Abstrach:Silanization treatoent which used the silane coupling aaent as the main material had become a new type of surface treatoent technology.It was commonly utilized in coating pretreatoent to improve the adhesion between the meol/v substrate and the oryanic coating or directly used as the anticorrosion film.However,pure silane fTni showed poor corrosion resistance because of the thin thickness and the defects/cracks on the surface.As a result,further modifications of the silane-based films were necessary before the application.In this paper,various modOications of the silanization treatoents in the world such as the double -eayee)oeanefoem,addotoon ofnanopaetocee),onoeganocgoeganoccoeo)oon onhobotoeand)oeanegee)on compo)oteweee)ummaeozed.Efectofdofeeentmodofocatoon)on thepeefoemanceofthe)oeane-ba)ed foem)and theeeeeeantcoeo)oon ee)otancemechanom) weeedocu)ed on detaoeand thedoadeantage)ofeaeoou)modofocatoon method)weeeaeoondocated.Themodofocatoon mechanom) )houed befuethee)tudoed on depth,toompeoeethecoeo)oon ee)otancepeefoemance,theappeocaboeotytodofeeent)ub)teate)and thecompatoboeotywoth thecoatong)y)tem ofthe)oeane-ba)ed foem.Ke e words:silanization；modification treatment；nanopar/cles;corrosion inhibitor；corrosion resistance随着无辂无磷钝化技术的推进，绿色、环保的硅烷化处理技术引起了人们的广泛关注,有望替代辂酸盐钝化及磷化处理〔7」。
金属表面硅烷化处理应用的研究
第１８卷 第５期２ ０ １ １年１ ０月 金属功能材料Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｖｏｌ．１８， Ｎｏ．５Ｏｃｔｏｂｅｒ， ２０１１金属表面硅烷化处理应用的研究许育东１，陈云帮１，石 敏１，王 雷１，庞志成１，丁 宁２（１．合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥２３０００９；２．安徽蚌埠钰诚五金工贸有限公司，安徽蚌埠２３００２３）摘 要：与磷化技术处理相比，硅烷化金属表面处理技术是一种有效的、环保的有机表面处理技术，是对金属材料表面进行有机硅烷溶液处理的过程。
概述了硅烷化处理的原理及制备工艺对对硅烷膜性能的影响，并对硅烷化金属表面处理技术进行了展望。
关键词：硅烷偶联剂；耐腐蚀；表面处理中图分类号：ＴＧ１５６．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－８１９２（２０１１）０５－００６６－０４Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆＳｉｌａｎｅ ｏｎ ＭｅｔａｌｓＸＵ Ｙｕ－ｄｏｎｇ１，ＣＨＥＮ Ｙｕｎ－ｂａｎｇ１，ＳＨＩ Ｍｉｎ１，ＷＡＮＧ Ｌｅｉ １，ＰＡＮＧ Ｚｈｉ－ｃｈｅｎｇ１，ＤＩＮＧ Ｎｉｎｇ２（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００１，Ａｎｈｕｉ，Ｃｈｉｎａ．２．Ｂｅｎｇｂｕ Ｙｕｃｈｅｎｇ Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ＆Ｔｒａｄｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｎｇｂｕ ２３００２３，Ａｎｈｕｉ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｌａｎｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｍｅｔａｌ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ａ ｍｏｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ ｆｒｉｅｎｄｌｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃ－ｔｉｖｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｐｈｏｓｐｈａｔｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｓｐｅａｋｉｎｇ，ｓｉｌａｎｅ ｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｉｓ ａｃｔｕａｌｌｙ ａｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ａ ｓｉｌａｎｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｌｓ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｍａｉｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｉｌａｎｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌａｎｅ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｍａｉｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅａｄｓ ｏｆ ｓｉｌａｎｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｍｅｔａｌｓ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｌａｎｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｇｅｎｔ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ基金项目：合肥工业大学博士学科点专项科研基金。
硅烷化处理及其在金属表面处理中的应用分析
硅烷化处理及其在金属表面处理中的应用分析作者：汪洋包英俊来源：《科学与信息化》2020年第21期摘要工业生产中，将耐腐蚀的有机物涂覆在金属表面，经固化成膜后制备的有机涂层具有屏蔽、缓蚀及电化学保护三方面的作用，防腐效果好。
由于涂料具有选择性宽、可用范围广、节约能源、应用施工方便等优点，是现今最有效、最经济和研究最多的表面防护方法之一。
对工作表面进行强化热处理，可在不改变零件内部组织和性能的前提下，达到工作心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。
本文结合硅烷化处理剂的制备及金属表面处理方法的对比，来分析硅烷化处理方法的优势和应用情况。
关键词硅烷化;金属表面;处理工艺;应用分析金属表面镀层具有防腐蚀，提高耐磨性、导电性及增加美观等作用。
钢结构经热镀锌处理后，在室外环境下，标准厚度的锌层可保持年不必修补，广泛应用于铁塔、铁路、公路保护、船用构件、建筑钢结构的防腐处理。
表面处理是指在基体材料表面上人工制备一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺[1]。
磷化和钝化工艺是目前最典型、广泛应用的表面处理工艺。
表面处理技术对金属保护起到了明显的作用，但也存在不少问题。
例如，有机涂层中毒性挥发成分对人体有严重危害，喷砂处理会产生大量粉尘，铬酸盐处理和磷化工艺均存在较为严重的环境污染等问题。
因此，开展硅烷化处理剂的制备研究并将其应用在金属表面的处理过程中会改变当前传统的处理模式，更加环保节能。
1 硅烷化处理的原理硅烷化处理是以有机硅烷为主要原料对金属或非金属材料进行表面处理的过程，该过程通过引入硅烷基与基材形成共价键连接，在金属表面形成高致密的保护膜。
硅烷是一类含硅基的有机/无机杂化物，其基本分子式为X-R-SiY3，其中的Y指的是与硅原子连接的可水解基团，其中R则是指非水解脂肪族链，其中的X指的是可以和有机材料实现反应的基团，例如乙烯基以及氨基等[2]。
金属表面硅烷化试剂可以在极难融合的环境下，将有机物以及材料进行连接，要想将这一过程实现全面的分析和研究，仅凭单一的理论内容很难完整，因此要将各理论有机统一，并对金属处理技术的作用进行分析，这样才能使技术分析更为科学合理。
金属表面处理环保新技术硅烷化处理
金属表面处理环保新技术——硅烷化处理[摘要] 硅烷化处理是以有机硅烷水溶液为主要成分对金属或非金属材料进行表面处理的过程。
在涂装行业，涂装前的表面处理以磷化为主，硅烷化处理与传统磷化相比具有节能、环保和降低成本的优点。
本文简述了硅烷化处理的特点、基本原理、施工工艺等。
[关键词] 硅烷；表面处理；磷化硅烷化处理是以有机硅烷为主要原料对金属或非金属材料进行表面处理的过程。
硅烷化处理与传统磷化相比具有以下多个优点：无有害重金属离子，不含磷，无需加温。
硅烷处理过程不产生沉渣，处理时间短，控制简便。
处理步骤少，可省去表调工序，槽液可重复使用。
有效提高油漆对基材的附着力。
可共线处理铁板、镀锌板、铝板等多种基材0 基本原理硅烷含有两种不同化学官能团，一端能与无机材料（如玻璃纤维、硅酸盐、金属及其氧化物）表面的羟基反应生成共价键；另一端能与树脂生成共价键，从而使两种性质差别很大的材料结合起来，起到提高复合材料性能的作用。
硅烷化处理可描述为四步反应模型，（1）与硅相连的3个Si-OR基水解成Si-OH；（2）Si-OH之间脱水缩合成含Si-OH的低聚硅氧烷；（3）低聚物中的Si-OH与基材表面上的OH形成氢键；（4）加热固化过程中伴随脱水反应而与基材形成共价键连接，但在界面上硅烷的硅羟基与基材表面只有一个键合，剩下两个Si-OH或者与其他硅烷中的Si-OH缩合，或者游离状态。
为缩短处理剂现场使用所需熟化时间，硅烷处理剂在使用之前第一步是进行一定浓度的预水解。
①水解反应：在水解过程中，避免不了在硅烷间会发生缩合反应，生成低聚硅氧烷。
低聚硅氧烷过少，硅烷处理剂现场的熟化时间延长，影响生产效率；低聚硅氧烷过多，则使处理剂浑浊甚至沉淀，降低处理剂稳定性及影响处理质量。
②缩合反应：成膜反应是影响硅烷化质量的关键步骤，成膜反应进行的好坏直接影响涂膜耐蚀性及对漆膜的附着力。
因此，对于处理剂的PH值等参数控制显的尤为重要。
并且对于硅烷化前的工件表面状态提出了更高的要求：1、除油完全；2、进入硅烷槽的工件不能带有金属碎屑或其他杂质；3、硅烷化前处理最好采用去离子水。
金属表面硅烷前处理技术的研究进展
，2018，32 （ 增刊） ： 98 ～ 102 SILICONE MATEＲIAL
金属表面硅烷前处理技术的研究进展
高子茹，文宇佳，易生平，廖 俊，王晓玲* ，黄 驰，张先亮
（ 武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072）
素 电化学辅助沉积技术是由 L . Shapiro 等人
提出的阴极电沉积局部碱化机理发展而来，其 基本原理为： 对体系施加一个阴极电位使溶液 局部 碱 化，较 高 浓 度 的—OH 催 化 硅 烷 缩 合， 从而促进硅烷沉积在阴极表 面，形 成 硅 烷 膜 层［18－ 19］。
（ 4） 甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷 （ KH 560）1 ∶2 时膜层防腐效果最佳［16］。韩佳佳研究 发现，采用 KH 560 与 3 －氨基丙基三甲氧基硅 烷 （ PTMS） 体积 比 为 1 ∶2 的 处 理 液 制 得 的 硅 烷膜，其腐蚀电流密度比单一膜层下降 1 个数 量级［17］。 2. 2 电化学辅助沉积硅烷膜制备方法及影响因
增刊
高子茹等． 金属表面硅烷前处理技术的研究进展
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（ 2） （ 3）
水、醇按一定比例配制成硅烷溶液，硅烷溶液 水解一定时间，再将金属基材在硅烷溶液中浸 渍约数分钟后取出。硅烷膜层的性能与硅烷种 类、硅烷 浓 度、硅 烷 溶 液 pH 值、 水 解 时 间、 浸渍 时 间、固 化 时 间、固 化 温 度 等 有 关［8－17］。 张琳琳等人探索了低乙醇含量的 γ－氨丙基三乙 氧基硅烷 （ KH 550） 改性铝合金的工艺，发现 处理液中 硅 烷、水、乙 醇 体 积 比 为 5 ∶55 ∶40， 涂膜后 在 180℃ 下 加 热 40 min， 能 得 到 完 整、 均匀、耐蚀性较好的硅烷膜，该工艺在保证膜 层性能的同时亦满足工业化生产中低成本、安 全 的 需 求［14］。 此 外 ， 复 合 硅 烷 膜 层 也 被 广 泛 研 究。J. Song 等人在铝基材表面制备了 KH 550 / 1，2－ 双 （ 三 乙 氧 基 硅 基） 乙 烷 （ BTSE） 复 合 膜层，该膜层能为铝基材提供 更 好 的 防 腐 保 护，同时提出防腐保护效果与在铝基材表面形 成 的 硅 氧 烷 薄 膜 的 疏 水 性 有 关［15］。 胡 巧 玲 探 究 了正硅酸乙酯 （ TEOS） 和硅烷偶联剂γ－缩水
不锈钢化学钝化及硅烷处理的耐蚀性研究
基本内容
结论： 本研究通过对比和分析不同处理条件下的不锈钢耐蚀性测试结果，证实了化 学钝化和硅烷处理对不锈钢耐蚀性的积极影响。同时，本研究也为优化不锈钢防 护措施提供了理论支持和实践指导，有助于提高不锈钢在各种工业领域的应用效 率和延长其使用寿命。
基本内容
然而，本研究仍存在一定的局限性。首先，实验过程中仅选用了一种不锈钢 牌号（304不锈钢），未来研究可以拓展至其他不锈钢牌号，以验证化学钝化和 硅烷处理的普适性。其次，本研究主要了化学钝化和硅烷处理对不锈钢耐蚀性的 影响，未涉及其他性能如耐磨性、硬度等方面的变化。未来研究可以综合考虑这 些因素，以更全面地评估化学钝化和硅烷处理对不锈钢性能的影响。
引言
引言
金属表面处理技术对于提高金属材料的性能和延长其使用寿命具有重要意义。 其中，硅烷化防护处理是一种常用的表面处理技术，通过在金属表面形成一层硅 烷膜，有效提高金属材料的耐腐蚀性和耐磨性。近年来，随着金属表面处理技术 的不断发展，金属表面硅烷化防护处理技术也得到了广泛应用和研究。
硅烷化防护处理技术介绍
3、钝化工艺
（3）涂敷钝化剂：将钝化剂涂抹在设备表面，确保涂敷均匀； （4）固化处理：将设备在室温下静置一定时间，使钝化剂在设备表面形成稳 定的氧化膜；
3、钝化工艺
（5）清洗：用清水冲洗设备表面，去除残留的钝化剂。 结论 奥氏体不锈钢设备的化学清洗和钝化对于设备的正常运行和使用寿命至关重 要。通过化学清洗，可以清除设备表面的污垢、腐蚀产物和微生物等杂质，提高 设备的传热效率和防止微生物污染；通过钝化处理，
2、清洗剂选择
（3）使用安全、环保； （4）经济实用。 常用的化学清洗剂包括：氢氧化钠、碳酸钠、磷酸三钠、柠檬酸、草酸等。 在实际操作中，应根据污染物的性质和清洗要求选择合适的清洗剂。
不锈钢表面处理技术的研究及其应用
不锈钢表面处理技术的研究及其应用不锈钢表面处理技术起源于19世纪末，经过近百年的发展和完善，已成为现代制造业中不可或缺的重要技术之一。
不锈钢表面处理技术的研究和应用，对于提高不锈钢的功能和外观质量，延长不锈钢的使用寿命，扩大不锈钢的应用范围，具有重要的意义。
1. 不锈钢表面处理技术的分类不锈钢表面处理技术主要有机械法、化学法和电化学法三种。
机械法即采用机械手段对不锈钢表面进行加工，包括打磨、抛光、喷砂、喷丸、切割等。
化学法则是使用化学药品对不锈钢表面进行处理，包括酸洗、酸蚀、碱洗等。
电化学法通过电解的方式进行表面处理，在不锈钢表面形成一层保护膜，包括电镀、阳极氧化、阳极电化学刻蚀等。
2. 不锈钢表面处理技术的优点和不足不锈钢表面处理技术，不仅可以提高不锈钢的耐腐蚀性和机械性能，还可以美化不锈钢的外观，使其具有更高的装饰性。
然而，不同的不锈钢表面处理技术，也存在各自的不足之处。
例如，机械法处理时会产生划痕和研磨痕迹；化学法处理时可能会对环境造成污染；电化学法的处理成本较高。
因此，在选择不锈钢表面处理技术时，需要根据具体情况进行综合考虑，选取最适合自己需求的处理方式。
3. 不锈钢表面处理技术的应用不锈钢表面处理技术已被广泛应用于建筑、家居、汽车、机械、电子、化工、医疗器械、食品加工等行业。
以下是几种常见的不锈钢表面处理技术及其应用：3.1 珠光抛光珠光抛光是一种机械法处理技术，可以在不锈钢表面形成细小且均匀的亮光，提高不锈钢的装饰性。
其应用于家居、建筑、家具、汽车等行业。
3.2 电镀电镀是一种电化学法处理技术，可以在不锈钢表面形成一层金属镀层，提高其耐腐蚀性和装饰性。
其应用于电子、航空航天、汽车等行业。
3.3 阳极氧化阳极氧化是一种电化学法处理技术，可以在不锈钢表面形成一层氧化膜，提高其耐腐蚀性。
其应用于航空航天、机械、电子等行业。
3.4 喷砂喷砂是一种机械法处理技术，可以在不锈钢表面形成一层均匀的磨砂效果，增加其粗糙度和抗污性。
不锈钢硅烷化钝化装备使用计划方案
不锈钢硅烷化钝化装备使用计划方案一、实施背景不锈钢作为一种重要的金属材料，广泛应用于制造各种机械设备和建筑材料。
然而，在使用过程中，不锈钢表面容易受到氧化、污染等影响，导致其耐腐蚀性能下降，降低使用寿命。
为了提高不锈钢的耐腐蚀性能，硅烷化钝化技术应运而生。
该技术通过在不锈钢表面形成一层硅烷化膜，可以有效地提高不锈钢的耐腐蚀性能和抗污染能力。
因此，本文旨在探讨不锈钢硅烷化钝化装备的使用计划方案，以提高不锈钢的使用寿命和经济效益。
二、实施计划步骤1.确定适用范围：该技术适用于各种不锈钢材料的表面处理，如不锈钢管、板、棒等。
2.采购硅烷化钝化装备：根据实际需求，选择合适的硅烷化钝化装备，包括硅烷化剂、钝化剂、清洗剂等。
3.进行表面处理：将不锈钢材料置于硅烷化钝化装备中，进行表面处理。
处理过程包括清洗、硅烷化、钝化等步骤。
具体操作方法可参考装备说明书。
4.测试效果：对处理后的不锈钢材料进行耐腐蚀性能测试和抗污染能力测试，检验处理效果。
5.达到收益：通过硅烷化钝化技术，提高不锈钢的耐腐蚀性能和抗污染能力，延长使用寿命，降低维护成本，提高经济效益。
三、适用范围该技术适用于各种不锈钢材料的表面处理，如不锈钢管、板、棒等。
四、创新要点1.采用硅烷化钝化技术，形成一层硅烷化膜，提高不锈钢的耐腐蚀性能和抗污染能力。
2.采用专业的硅烷化钝化装备，操作简单，效果明显。
3.通过硅烷化钝化技术，延长不锈钢的使用寿命，降低维护成本，提高经济效益。
五、预期效果经过硅烷化钝化处理后，不锈钢的耐腐蚀性能和抗污染能力将得到明显提高，使用寿命将得到延长，维护成本将得到降低，经济效益将得到提高。
六、达到收益通过硅烷化钝化技术，提高不锈钢的耐腐蚀性能和抗污染能力，延长使用寿命，降低维护成本，提高经济效益。
七、优缺点优点：1.提高不锈钢的耐腐蚀性能和抗污染能力。
2.延长使用寿命，降低维护成本，提高经济效益。
3.操作简单，效果明显。
缺点：1.硅烷化钝化装备比较昂贵。
钢材表面硅烷处理后的防腐蚀性能研究
[ 7 ] V an O o ijW J, Zhu D. E ffect o f a m ine func tiona l g roup on co rrosion rate o f iron coa ted w ith film s o f organo func tiona l silanes[ J]. Corros ion, 2001( 157): 413~ 420.
烘干 10 m in, 表面再喷涂 ( 60 # 5) m 聚酯涂层。 1. 3 CuSO4点滴试验
配制 4% CuSO 4溶液, 对试板 C、D 进行点滴试验。 点滴后观察记录 CuSO4液滴颜色开始发生变化的时间。
1Hale Waihona Puke 4 线性极化测试测试 A、B、C 3种无聚酯涂层试板的腐蚀速率, 评 价不同处理方式对提高基材耐蚀性的作用。试验溶液 为 3%N aC ,l 温度为室温。测试前试板 B、C 浸入试验 溶液中 2 h, 试板 A 在放入试验溶液后立即进行测试。
M achu试验结果见 图 3。从图 3 可 以看出, 经过 SCA 和 铬酸 盐处 理的 试板 涂 聚 脂后 划 痕 腐蚀 宽 度 要比 直接涂聚脂的试板的宽度小的多, 未经过处理而直接 涂聚脂的试板 表面的涂 层已经被 严重破坏 并且翻卷 起。
图 3 马丘试验结果
硅烷可与金属基体形成极强的 M e - O - S i键, 而 硅烷的有机部分又可与表面聚合物涂层系统形成化学 键, 硅氧烷键的形成可大大提高表面聚合物涂层与基
zhongyao 胡吉明 金属表面硅烷化防护处理及其研究现状
定稿日期:2005204208基金项目:国家自然科学基金重大项目(50499336),国家自然科学基金(50571090)及浙江省自然科学基金(Y404295)作者简介:刘亻京,男,1986年生,在读研究生,研究方向为电化学与金属腐蚀与防护金属表面硅烷化防护处理及其研究现状刘 亻京1 胡吉明1 张鉴清1,2 曹楚南1,2(11浙江大学化学系杭州310027;21中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室沈阳110016)摘要:综述了一种新型的金属表面防护处理技术———硅烷化处理的研究现状.对硅烷膜的制备工艺、表征及膜覆盖电极的性能进行了详细介绍.文中也同时探讨了硅烷溶液的水解与失效问题,这两个基础问题的研究有助于了解金属表面硅烷膜的形成,并对制备工艺的优化起到决定性作用.最后还介绍了更具发展潜力的电沉积制备硅烷膜技术并提出了展望.关键词:硅烷 防腐蚀 工艺 水解与失效中图分类号:TG 178 文献标识码:A 文章编号:100524537(2006)01200592061前言传统的金属表面防护处理技术如铬酸盐钝化、磷酸盐转化等对环境并不友好,例如高价铬离子有很强的毒性、磷酸盐则是水体富营养化的元凶之一.随着环保呼声的高涨,迫切需要研发新型表面处理工艺,其中金属表面硅烷化处理所用试剂合成简单且对环境友好,是一种理想的表面防护处理技术.该技术利用硅烷试剂(通式为X -Si (OR )n ,其中X 代表官能团,R 为烷基,通常R 为-CH 3或-CH 2CH 3,n =2或3)水解生成硅醇(X -Si (OH )n ),硅醇与金属(Me )表面结合及自身交联在金属表面形成一层致密的保护膜,从而大幅度提高金属的耐蚀性.硅烷化处理过程主要经过以下反应[1,2]:硅烷水解:-Si —OR ′+H 2O →-Si -OH +R ′OH(1)硅醇在金属表面吸附:-Si —OH +Me -OH →Me —O —Si -+H 2O(2)硅醇在金属表面交联形成具有空间网状结构的保护膜:-Si —OH +HO —Si -→-Si —O -Si —+H 2O(3)表1列出了一些商用硅烷的结构及其用于金属表面防护处理技术的研究文献.可知,对不同硅烷处理各种不同金属及合金的工艺、一些工艺参数对处理件耐蚀性的影响[1～25]、金属表面硅烷膜的形成机理[26～30]和结构表征[1,4,6～11,19～21,26～32]等问题已有大量研究,而对硅烷试剂的水解与失效研究[2,31,33～42]虽已取得一些成果,但还有待于进一步探索.本文对上述问题及其研究现状将做详细介绍.2硅烷化处理工艺211常规制备工艺金属表面硅烷化处理的工艺流程较为简单.传统方法为配制一定浓度(硅烷、水、乙醇的比例)的硅烷溶液,在一定温度下水解数天后即可用于金属表面处理,处理时将金属片投入硅烷溶液,数秒后取出,然后再吹干、固化.近来文献报道的硅烷膜电沉积制备[12,13],是通过将金属片作为工作电极电解硅烷溶液从而实现硅烷在其表面吸附,其溶液制备和固化等工艺与传统方法相同.为获得单纯防护性的硅烷膜,一般选用无官能团的硅烷试剂(如B TSE 、B TSPS 等),而为了提高基体与有机涂层的结合力,常选用与涂层匹配的带特定官能团的硅烷(如对环氧系列涂层,一般选用γ-GPS 等),此功能性硅烷膜也可涂覆在非官能团硅烷膜上,该技术称为两步法成膜工艺(two -step ),得到的双层膜既有一定的耐蚀性,又与有机涂层有较好的结合力.近期又开发出了复合硅烷膜技术[11,14～16],实现一次性制备两类硅烷膜,结果显示复合膜的性能具有协同效应.此外,Que 等人[17,18]还研究了硅烷涂层与其他无机涂层的结合应用.值得一提的是,Van Ooij 研究组开发出在硅烷膜中复合纳米颗粒(SiO 2、Al 2O 3[25]等),以提高膜的耐蚀性与机械性能.第26卷第1期2006年2月 中国腐蚀与防护学报Journal of Chinese Society for Corrosion and ProtectionT able1Structure of some commercial silanessilane structure ref1 bis-1,2-[triethoxysilyl]ethane(BTSE)(H5C2O)3Si-CH2CH2-Si(OC2H5)3[1,3,4] bis-1,2-[trimethoxysilylpropyl]amine(BTSPA)(H5C2O)3Si-(CH2)3-NH-(CH2)3-Si(OC2H5)3[5] bis-1,2-[triethoxysilylpropyl]tetrasulfide(BTSPS)(H5C2O)3Si-(CH2)3-S4-(CH2)3-Si(OC2H5)3[5,6]γ-aminopropyltriethoxysilane(γ-APS)(H5C2O)3Si-(CH2)3-NH2[7]γ-ureidopropyltriethoxysilane(γ-U PS)(H5C2O)3Si-(CH2)3-NH-CO-NH2[8]γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane(γ-GPS)CH2OCHCH2-O-(CH2)3-Si(OCH3)3[7,9] vinyltriethoxysilane(VS)(H5C2O)3Si-CH=CH2[8] methyltrimethoxysilane(MS)CH3-Si(OCH3)3[10] propyltrimethoxysilane(PS)CH3CH2CH2-Si(OCH3)3[11]21111制备工艺对硅烷膜性能的影响 从工艺流程看,影响金属表面硅烷化处理效果的主要因素包括硅烷种类、浓度、硅烷溶液p H值、溶剂成分、水解时间与温度,以及硅烷膜的固化温度、固化时间等.其中硅烷溶液p H值、溶剂成分、硅烷浓度、水解时间与温度主要与硅烷溶液的水解与失效反应有关,而固化温度和固化时间主要影响硅醇在金属表面的成膜.硅烷试剂的选择是金属表面硅烷化处理需要面对的首要问题,含不同官能团的硅烷处理金属可能.一般认为B TSE等无官能团硅烷膜对金属的保护效果较好,而APTMS等含有机官能团的硅烷膜能增强金属基体与有机涂层的结合力,适于和有机涂层结合使用[19].另外,同种硅烷试剂在不同金属表面的形成机制与性能也不尽相同.例如,研究发现B TSPS能显著提高铝及镁的耐蚀性,却不能用于镀锌钢铁的表面处理中[15].p H值主要通过影响硅烷溶液的水解与缩聚反应速率,进而影响硅烷膜的性能.较一致的认为酸性和碱性条件下均有利于硅烷的水解反应[33,35],而碱性条件似乎更能促进缩聚反应的进行[35].因此,合理的p H值选取应考虑抑制硅烷溶液缩聚反应的发生[3],同时使硅烷溶液有合适的水解速率.根据这一原则,摸索出了一些防护用硅烷溶液的最佳p H 值范围:B TSE(4～5)[4,19]、B TSPS(6～615)[24],对于功能性硅烷膜的制备p H值的适用范围则可以更宽一些,如γ-APS(4～11)[19],B TSPA(315～915)[5].另外在选取p H值时,还应考虑金属基体在溶液中的稳定性,例如对Al及Zn基金属而言,溶液p H值就不能太大.一般认为硅烷膜的厚度随硅烷溶液浓度升高而增大[20],从而提高处理件耐蚀性,然而硅烷浓度太高会促进硅烷溶液的絮凝而使其失效[21],因此需同时考虑处理件的耐蚀性和溶液的稳定性.水含量除了影响硅烷的水解与缩聚外,还影响其溶解性,而醇溶剂除了对硅烷分子起到助溶和分散作用外,还可抑制硅烷的水解,起到调节水解速率的作用.固化是金属表面硅烷处理工艺的一个重要环节,未经固化处理的硅烷膜几乎没有耐蚀性[1].与固化相关的工艺参数有固化温度和固化时间.一般认为固化温度太低所得硅烷膜结构疏松且含水较多,而固化温度过高则可能改变膜的交联状态,甚至导致在基体与硅烷膜间形成新的物相,使硅烷膜耐蚀性下降[21].Franquet等人[1]研究了固化时间对硅烷膜耐蚀性的影响,发现随着时间的延长,膜的厚度先减小后趋于不变,耐蚀性则先增加后趋于恒定.硅烷膜的性能是上述各因素共同作用的结果,研究各处理条件对硅烷膜结构性能的影响规律有助于得到更高效的硅烷化处理工艺,同时也为硅烷成膜机理和动力学研究提供有用的信息.21112硅烷膜的表征与防护机制 通过对硅烷膜进行表征得到膜的空间结构状态及硅醇分子在金属表面的吸附机制与成膜动力学,同时通过膜覆盖金属电极在腐蚀介质中耐蚀性及腐蚀行为的测试,进而得到硅烷膜的防护机制,是硅烷化处理中的重要研究内容.上述工作借助于一些表面分析与电化学测试来完成.Bertelsen等[9]测试了铝合金表面γ-GPS膜的反射红外光谱(RA IR)并对各谱峰对应的化学键进行了分析,指出硅烷膜中含有-OH、-CH2-、C=O、Si-OH、Si-O-Si等基团.徐溢等[32]也用同样方法研究了铝表面硅烷膜,提出硅烷与金属表面之间是以化学键结合,膜的厚度只在一定时间内增长,且膜的性能和固化温度有关.RA IR具有测试简06中国腐蚀与防护学报第26卷单、不破坏样品等优点,适于原位检测硅烷膜的变化,缺点是仅能给出某些化学键的半定量信息.通过X射线光电子能谱(XPS)谱峰对应的结合能可以确定一些基团,同时通过峰面积积分和相关计算又能定量得到硅醇在金属表面的表面分数(百分含量).Harun等[11]报道了经几种常用硅烷处理的钢材表面XPS测试中结合能与基团的关系并对峰面积作了积分.Abel等[7]研究了硅烷在铝表面的吸附,并根据XPS测量结果提出溶剂中水含量减少会降低硅烷在铝表面的有效吸附,以及各种硅烷膜漂洗方法对膜厚度的影响.Subramanian等[19]利用RA IR、XPS等方法研究了氨基对铁表面硅烷膜形成的影响,提出硅烷膜表面存在-N H+3会吸引具有侵蚀性的Cl-,且使膜的导电性增加,会降低膜的耐蚀性.椭圆光谱(SE)和红外椭圆光谱(IRSE)技术是研究硅烷膜厚度十分有效的方法.Franquet 等[1,4,20,32]分别利用SE和IRSE研究了硅烷溶液浓度、p H值、温度以及金属在硅烷溶液中的浸泡时间、固化等因素对硅烷膜厚度的影响并对两种方法的结果作了对比.IRSE的优点是能同时得到膜的化学结构和形态信息.飞行时间———二次离子质谱(TOF-SIMS)是一种新型表面分析技术,目前应用于硅醇与金属的吸附成膜研究.Bexell等[26]用该技术研究了B TSE 膜的表征,提出硅烷膜最外层结构取决于金属基体的种类,当有醇作溶剂时,醇上的烷氧基会与硅烷上的烷氧基发生相互取代,B TSE在金属表面形成一层连续的膜,-OH、-OC2H5基团朝外,其缩合主要经过1～3个Si-O-Si桥,也有分子内缩合发生.他们还研究了γ-MPS和B TSE两步处理Al、Zn 等金属和合金,发现两步处理后膜的厚度反而小于单一B TSE膜,且γ-MPS完全覆盖在B TSE表面[27].Quinton等[28～30]结合XPS和TOF-SIMS 测试发现了硅醇在Al、Fe表面的吸附不是单向过程,而是振荡变化的.他们提出了硅烷在金属表面可能的吸附机理,并观察到浸泡时间30s～35s时,γ-APS质子化的氨基在金属表面的吸附所占比例最高.TOF-SIMS能测量体系中各原子浓度随时间的变化,适于研究硅醇的吸附成膜动力学等.电化学方法是研究材料腐蚀和失效的最常用方法,目前研究硅烷膜的电化学方法主要有极化曲线和电化学阻抗谱等技术[6,10,21].极化曲线测试表明硅烷膜在金属表面仅起到物理阻挡层的作用而并未改变金属腐蚀的电极过程动力学[21,24].而电化学阻抗谱测试则可为研究硅烷膜耐腐蚀机理提供信息,同时还可为硅烷膜的耐蚀性提供无损、定量的评价方法.Van Ooij等[6]提出了硅烷膜在金属表面吸附的三种可能结构并提出了相应的电化学阻抗谱模型,认为硅醇可能在金属自身氧化膜表面形成多孔的膜,也可能在硅烷膜与金属氧化膜之间还存在一个“未知相(unknown phase)”.本研究组认为该未知相可能是测试介质中侵蚀性Cl-在多孔硅烷膜下与基体形成的盐膜层,并根据实验结果提出了相应的等效电路模型[21].212硅烷膜的电化学沉积制备传统的硅烷膜制备一般采用浸涂的方法,即将金属试样浸泡于经一定时间水解后的硅烷/水/醇溶液中,几十秒至几十分钟后取出吹干,再经一定温度一定时间固化即可.硅烷膜的电化学辅助制备则是金属试样在硅烷溶液浸泡过程中,在其表面施加一定的电位,从而提高硅烷膜的耐蚀性.1999年,Mandler等人[12]用电化学辅助技术在导电玻璃及金表面成功沉积了甲基三甲氧基硅烷(MS),2003年他们研究组又将该技术用于铝表面的防护处理[13],结果显示采用电化学辅助沉积制备的硅烷膜耐蚀性较传统浸涂法有显著提高.遗憾的是,上述工作中研究者们选取的硅烷种类[四甲氧基硅烷(TEOS)、苯基三甲氧基硅烷(PTMS)等]并不是常见的防护用硅烷试剂.最近,我们首次通过电化学辅助技术在铝合金表面制备了一系列金属表面防护常用的硅烷膜[22,23].Mandler等人[12,13]认为,在金属表面施加阴极电位后电极表面局部溶液的p H值升高,有利于硅醇缩聚反应的进行,从而促进硅醇在金属表面缩聚形成交联聚合产物[-Si-O-Si-]n,提高了金属的耐蚀性,由于其改变的只是金属表面小部分溶液的p H值,因而不会影响本体溶液的稳定性,克服了处理液p H值升高导致其产生絮凝而失效的缺点.最近,我们研究了电化学技术在铝合金表面制备B TSE硅烷膜工艺,发现在阴极电位下沉积得到该种膜的耐蚀性得到明显提高,而在阳极电位下沉积后合金的耐蚀性甚至比未沉积硅烷膜的裸基体还差.得到了B TSE在铝合金表面沉积的最佳电位为-018V(vs SCE),且在沉积过程中电极的电化学行为具有振荡现象[22].作为金属表面硅烷化处理的一种新技术,硅烷膜的电化学辅助制备具有重要的学术价值和应用前景.首先,通过对沉积过程电化学参数的在线监测及硅烷膜的表征,可以更深入的探讨电化学辅助沉积机理,如施加电位及改变电位波形对硅烷膜结构及耐蚀性的影响等.其次,通过膜耐蚀性测试及与有机涂层结合力测试,可以对制备工艺中溶液参数与电化学参数进行优化,得到性能更好的硅烷膜.此外,传统浸涂工艺很难对硅烷膜的结构性能进行控制,而通过对沉积过程电化学参数的调节,则可以实现硅烷膜的可控制备.目前对电化学辅助沉积硅烷膜的研究报道还较少.3硅烷试剂的水解与失效硅烷水解生成硅醇是其在金属表面成膜的前提,处理金属时溶液中硅醇的浓度将直接影响处理件的耐蚀性[20].硅烷的失效则是其应用的一大障碍,实验发现一般硅烷水溶液体系在数天内即发生肉眼能见的絮凝,某些甚至仅能稳定一天.促进水解并尽可能减少失效是研究者们所希望的.对硅烷的水解与失效机制研究主要集中在近些年,并取得了一些进展.311硅烷的水解用于金属表面防护处理的硅烷一般含有三个烷氧基(如γ-APS、B TSE),研究表明该类硅烷试剂的水解一般分步进行,其水解基元反应如下[33]: R-Si(OR′)3+H2O→R-Si(OH)(OR′)2(4)R-Si(OH)(OR′)2+H2O→R-Si(OH)2(OR′)(5)R-Si(OH)2(OR′)+H2O→R-Si(OH)3(6)Satoshi等[35]用量子计算的方法研究了三烷氧基硅烷的水解反应,提出了各水解产物的结构模型和结构参数.他们还提出了酸和碱对三烷氧基硅烷水解的影响机理及相应的水解产物结构的改变.由于硅烷的水解过程需要一定时间,围绕其动力学的研究便十分重要.而硅烷水解动力学研究的关键问题则是各中间产物的实时定量检测,对此人们尝试了一些现代仪器分析方法并取得了一些成果,表2列出了硅烷水解的一些研究方法.T able2S ome techniques used for silane hydrolysis investigation techniques silanes ref1 FTIR TEOS[36] FT-Raman Spectroscopyγ-GPS、γ-APS[37] NMRγ-GPS[9,34]γ-GPS、γ-APS、3-methacry2loxypropyltrimethoxy silane[2]LC-ICP-AESγ-GPS、γ-APS[33] 以上方法中,较为成功的是K ozerski等人采用的LC-ICP-AES联用技术[33].由于液相色谱C18反相柱能很好的分离硅烷水解的各中间产物,而等离子体原子发射光谱检测器则能对其进行良好的定量分析.他们测定了p H值在6197～9100、一定离子强度下γ-APS和γ-GPS水解中间产物浓度随时间的变化,并用非线性回归方法拟合得到了相应条件下各基元反应的反应速率常数(k).其结果证明硅烷的水解是单向连续反应且第一步反应为速度控制步骤(RDS).312硅烷的失效硅烷的失效是硅烷水解产生硅醇的副反应,它消耗了溶液中的硅醇,因此硅烷用于表面处理时应尽量避免失效的发生.一般认为硅烷的失效主要包含酯化、缩合和去质子化,其反应方程式如下[39]:酯化(esterification):-Si-OH+ROH→-Si-OR+H2O(7)缩合(condensation):-Si-OH+HO-Si-→-Si-O-Si-+H2O(8)去质子化(deprotonation):-Si-OH+OH-→SiO-+H2O(9)如何控制合理的水解时间使得硅烷溶液中-Si-OH含量最高,以及如何降低硅烷的失效以提高硅烷试剂的利用率受到了广泛关注.然而目前对硅烷失效的研究还只局限于单羟基硅醇及2～3个多羟基硅醇(表3).例如,Λef ík 等[39]用29Si-NMR的方法研究了Me3SiOH在碱性乙醇-水溶液中的酯化、缩合和去质子化反应并得到了Me3SiOH在该条件下的酯化、缩合反应平衡常数,且指出了它们随体系中水的摩尔分数的变化规律.Satoshi等[35]用量子计算的方法研究了三羟基硅醇的缩合机理,提出了一水缩合、二水缩合及相应的反应物和产物分子结构的变化.Britt等[38]则研究了硅烷在空气-水界面上的水解与缩合.Beari 等[2]研究了三烷氧基硅烷在稀的水溶液中的三分子缩合动力学.他们利用1H-NMR和29Si-NMR 的方法,根据化学位移不同对体系中各物质进行定性,根据峰面积计算出它们的相对含量并观察了各物质含量随时间的变化,但没有得到相关反应动力学参数.总体来看,对硅醇酯化、缩合等反应的热力学研究已较完善,而相应的动力学研究较少,对硅醇缩聚及其在空间的交联等方面的研究则几乎是空白.还应该看到,对硅烷的失效研究仅停留在理论阶段.正T able3Previous works on esterification,condensation and de2 protonation reactions of silanolsreaction type solutions ref1 esterification four-functional silanols+ethanol[40]monofunctional silanols+alcohols+dioxane[41] condensation monofunctional alkoxysilanes+alcohols+H+[42]monofunctional silanols+dioxane+H+/OH-[43] deprotonation triphenylsilanol+H2O[44]因为如此,还未提出抑制(或减缓)硅烷水溶液失效的有效办法.徐溢等[31]尝试采用在硅烷溶液中加入多羟基醇(如乙二醇、丙三醇等)以提高溶液的稳定性,但制得硅烷膜的性能如何却不得而知.4展望在硅烷化处理工艺方面,人们正在探索进一步提高处理效果的方法,新的处理方法如硅烷电沉积等将是未来研究的一个热点.另外在硅烷溶液中加入添加剂、硅烷复合涂层以及硅烷化处理与其他金属表面处理方法结合使用也是金属表面硅烷化处理研究的新方向.同时,硅烷的水解与失效等基础问题也受到人们的关注.在水解动力学研究方面,电化学分析是实现在线检测的最理想方法,其具有设备简单、数据采集方便、易实现与计算机的连接等优点.如果能建立一套硅烷水解的电化学检测方法,有望得到硅烷在各种条件下的水解动力学信息.另外高效的硅烷水解催化剂和失效抑制剂的开发也将是硅烷化处理走向工业应用的关键所在.参考文献:[1]Franquet A,Le Pen C,Terryn H.Effect of bath 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protection,processes,hydrolysis,failure46中国腐蚀与防护学报第26卷。
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不锈钢金属表面硅烷化处理的应用研究
作者：徐方流
来源：《企业导报》2016年第08期
显著的环保优势是不锈钢金属表面硅烷化处理技术的主要特点，金属表面进行有机硅烷溶液处理的一个过程就是金属表面硅烷化处理的本质，为了更好的对不锈钢金属表面硅烷化处理进行应用，就需要进行详细的分析。
一、不锈钢金属表面硅烷化处理工艺的优点
不锈钢金属表面利用有机硅的特殊分子结构进处理的过程就是不锈钢金属表面硅烷化处理，这种处理方式具有很多的工艺优点，主要包括以下几点。
首先，在对不锈钢金属表面进行硅烷化处理时，有害或者磷等重金属离子不会应用在其中。
其次，该表面处理的工艺比较容易控制，并且时间短、流程简单。
再次，在不锈钢金属表面硅烷化的处理过程中，不会进行加温操作，也不会有沉渣的产生，这样就能够循环使用槽液。
然后就是还能够使得基材与油漆的结合率得到提升。
最后，不锈钢金属表面硅烷化处理能够对多种基材进行共线处理，例如铝、锌以及铁等。
由于不锈钢金属表面硅烷化处理工艺的优点很多，这就使得被广泛的应用在普通工业中。
此外，在进行不锈钢金属表面硅烷化制备时，其制备工艺会谁硅烷膜性能造成很大的影响。
硅烷偶联剂水解时间、硅烷液浓度、金属基体在硅烷液的浸渍时间、硅烷液PH 值、处理后老化时间以及老化温度等都是影响不锈钢金属表面硅烷膜性能的主要影响因素。
二、不锈钢金属表面硅烷化处理的应用
（一）硅烷处理技术原理。
化学官能团是硅烷分子主要含有的，并且通常其化学官能团有两种。
一种化学官能团能够个无机材料表面的羟基发生化学反应，形成共价键，例如玻璃纤维、金属氧化物、金属以及硅酸鹽等。
另一种化学官能团可以与树脂发生化学反应，形成共价键。
为了能够有效的提高复合材料的性能，就可以将性质不同的两种材料进行有机的结合。
在硅烷处理技术的成膜过程中，首先先进行硅烷偶联剂的水解，水解完成之后就能够得到Si-O-Me共价键，主要是由硅烷联合水解后得到的硅醇与金属基体表面存在的MeOH所反应生成的。
最后就可以通过在不锈钢金属表面的硅醇偶联交叉从而形成网状保护膜。
不锈钢金属基体能够和硅烷膜形成共价键，并且剩余的硅醇将进行脱水缩合，经过交联能够得到网状覆盖膜。
硅烷化处理技术在不锈钢金属表面硅烷化处理的应用中是非常重要的，只有明确其处理技术的原理，才能够更加的应该该技术进行不锈钢金属表面硅烷化的处理。
（二）硅烷处理对基体的一些要求。
锌、铜、铁、镁以及其金属合金的防护都会受到硅烷的作用，但是硅烷分子结构对进行硅烷化处理的不锈钢金属表面影响力较大的是金属的涂层结合力与金属集体。
相关专家对硅烷分子结构进行分析，探索其对不同金属基体的适应性，从而得出了不同分子结构的硅烷对不同金属基体的适应能力存在的差异，并且以影响预测的因素比
较的多。
不锈钢金属基体的前段处理在金属表面硅烷化处理工艺中是十分重要的，并且硅烷膜的质量与后期装涂也会直接受到金属基体前段处理效果的影响。
一般情况下，无磷脱脂剂是在金属表面硅烷化处理过程中必须使用的，通过无磷脱脂剂来对不锈钢金属表面的其他杂志或者油污等进行彻底的清洗。
清洗结束后，还应该利用含有金属对其再次清洗，从而将金属表面上的杂质与油污清洗干净。
之后还需要对除油后的金属基体进行再次的清洗，这时使用的就是含有氢氧化钠的稀碱溶液。
最后将金属基体在清水中进行浸洗，浸洗结束后才能够进行硅烷化的处理。
在不锈钢金属表面硅烷化的处理过程中，只有掌握硅烷化处理对基体的一些要求，才能够取得较好的处理效果。
（三）硅烷偶联剂选择与硅烷膜的防腐蚀性。
硅酸盐、橡胶以及以二氧化硅为填料的塑料的加工和性能的改进提高都需要利用硅烷偶联剂进行处理。
金属表面涂层的附着能力能够通过硅烷渡层来提高，同时也能够通过硅烷渡层来对金属表面进行氧化与腐蚀的保护，被当作防腐层进行使用。
在硅烷偶联剂中，具有较多的分子结构Si-O的键数，这就增加了与同金属基材结合的机会，从而使得形成的网状结构覆盖硅烷膜层变的更加的致密，并且具有良好的防腐蚀效果。
亲水性与疏水性是硅烷偶联剂的主要形式，在溶解疏水性硅烷时，为了辅助其溶解，需要在其中加入大量的有机溶剂。
在使用前需要对硅烷偶联剂进行熟化，这样能够确保硅烷在水解过程中能够得到充足的硅醇。
后期涂装效果会受到基材与硅烷膜结合程度的影响，结合的越牢，其涂装效果就越好。
此外，硅烷膜性能的主要特征之一就是耐腐蚀性，通过相关的试验分析得出，不锈钢金属表面进行硅烷化的处理够，能够使其基材的耐腐蚀性能得到大幅度的提高，并且也能够使涂层与基材的结合能力得到提高。
在不锈钢表面的处理过程中，涂装前的铬钝化与磷化等处理都能够通过金属表面硅烷化处理工艺所替代。
不锈钢金属表面硅烷化处理工艺非常的简单，并且具有较低的投入成本，处理后的金属基体性能也得到了提高。
因此，必须加强对不锈钢金属表面硅烷化的处理应用。
三、总结
综上所述，在不锈钢金属表面的处理过程中，应用较为普遍的就是硅烷化处理技术，通过该处理能够提高金属基材的防腐蚀性、涂层与基材的结合能力，在不锈钢金属表面硅烷化处理的应用中，应该重视其处理技术、处理的要求以及硅烷偶联剂的选择。