一.前言

鋁合金卷材彩涂工藝已有近100年歷史，國內(nèi)在上世紀80年代正式開始彩涂工藝，隨著中國經(jīng)濟發(fā)展，近十年來，該工藝得到快速發(fā)展，在建筑、汽車、家用電器、辦公用具等方面有著廣泛的用途。

在鋁材彩涂生產(chǎn)中，鋁卷能連續(xù)通過脫脂清洗、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂漆和固化等步驟。其中，表面處理最主要的環(huán)節(jié)即是化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理，目前多采用鉻鈍化工藝處理。這種處理方法存在較大缺陷，鉻鈍化處理本身含有鉻，處理后仍需大量溢流水對鋁件進行漂洗。其中，六價鉻已經(jīng)證實是致癌重金屬，因此在歐盟的ROHS指令中對其含量有嚴格的規(guī)定；而相對環(huán)保的三價鉻仍含有一定毒性且在環(huán)境中仍然會轉(zhuǎn)化為六價鉻。目前，在鋁卷材彩涂業(yè)中仍大量使用三價鉻甚至六價鉻鈍化工藝[2]。

為了適應(yīng)對于環(huán)境日益嚴格的要求，同時在生產(chǎn)處理過程中節(jié)約資源。以盡量少的化學(xué)物質(zhì)消耗量和常溫不加熱處理，使人們清醒的認識到采用無磷、無鉻、無重金屬、無渣、常溫處理工藝的重要性，因此尋找一種能夠替代傳統(tǒng)的鉻鈍化處理的新材料具有積極深遠的意義。

二. 技術(shù)原理

在發(fā)現(xiàn)硅烷偶聯(lián)劑卓越的防腐性能以前，硅烷作為膠粘劑或附著力促進劑被廣泛應(yīng)用于玻璃或陶瓷強化高聚復(fù)合材料中。硅烷防銹性能系統(tǒng)全面地研究始于20世紀90年代初，通過研究發(fā)現(xiàn)，硅烷可以有效地用于金屬或合金的防腐。硅烷處理技術(shù)是一類主要以硅烷偶聯(lián)劑的有機/無機復(fù)合物，硅烷的基本結(jié)構(gòu)為：R'(CH2)nSi(OR)3。其中-OR是可水解基團，R'是有機官能團。

硅烷在水溶液中的水解平衡反應(yīng)式可簡單表示為：

水解后的硅烷通過其SiOH基團與金屬表面的MeOH基團(Me表示鋁，鐵等金屬)形成氫鍵而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。硅烷與金屬之間的結(jié)合是非常牢固的；另一方面，剩余的硅烷分子通過SiOH基團之間的縮聚反應(yīng)形成Si-O-Si鍵：

從而在金屬表面形成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅烷膜，見圖1：

圖1：金屬表面硅烷成膜過程

鋁材表面經(jīng)硅烷處理后，表面吸附了一層具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的超薄有機納米膜層(20~200nm)，同時在界面形成結(jié)合力很強的Si-O-Al共價鍵，可將鋁表面和涂層偶合，具有牢固的附著力，同時與涂層共同提供了良好的耐腐蝕性[4]。

硅烷技術(shù)成本低廉，為工業(yè)化應(yīng)用帶來了應(yīng)用先決條件，經(jīng)過不斷發(fā)展技術(shù)日趨成熟，對各種生產(chǎn)條件、工件材質(zhì)都有了更廣泛和成熟的應(yīng)用。硅烷技術(shù)有望給鋁材鉻化技術(shù)帶來革命性的變革。

目前硅烷技術(shù)在國內(nèi)家電行業(yè)及鋁塑板行業(yè)成功應(yīng)用。我公司的硅烷技術(shù)已經(jīng)成功升級到第三代技術(shù)，已經(jīng)在國內(nèi)鋁塑板行業(yè)成熟應(yīng)用，國內(nèi)達到領(lǐng)先水平，得到了業(yè)內(nèi)廣大用戶單位和專家的一致認可和好評。

三. 硅烷技術(shù)在鋁板彩涂上的應(yīng)用與性能測試

3.1 鋁材彩涂硅烷應(yīng)用工藝

我公司研制的鋁材彩涂硅烷處理劑PSi-2在鋁卷材彩涂工藝上得到成功應(yīng)用，已穩(wěn)定運行超過24個月。硅烷化處理的工藝流程分別如下：

⑴酸性清洗→水洗→水洗→直噴純水洗→硅烷處理→烘干→輥涂；

⑵堿性清洗→水洗→水洗→酸出光→水洗→水洗→直噴純水洗→硅烷處理→烘干→輥涂。

根據(jù)卷材表面狀態(tài)選擇不同的清洗方案，一般地，選用酸性清洗工藝可節(jié)省生產(chǎn)處理時間。

3.2 鋁材彩涂性能測試

鋁材彩涂后的性能測試按照YS/T 431《鋁及鋁合金彩色涂層板、帶材》標準進行。

1）涂層附著力

按GB/T 9286的規(guī)定劃格，劃格間距為1mm。將粘著力大于10N/25mm的粘膠帶覆蓋在劃格的涂層上，壓緊以排去粘膠帶下的空氣，以垂直于涂層表面的角度快速拉起粘膠帶，然后按GB/T 9286評級。

2) 耐沖擊性

按GB/T1732的規(guī)定進行試驗，測量沖擊后鋁試件涂層既元開裂或脫落、正反面鋁材也無明顯裂紋的最大沖擊高度。

3) 耐鹽酸性、耐堿性、耐硝酸性

均按照GB/T17748的要求進行試驗，觀察試驗后的試樣是否有脫落、起泡、粉化等異常變化。

4) T彎試驗

使用T型彎曲儀來測試涂膜的T型彎曲性能，檢查涂層有無開裂或脫落。

5) 鹽霧試驗

參照GB/T1771的規(guī)定進行試驗，然后按GB1740的有關(guān)規(guī)定進行評級。以全部試樣中性能最差者作為試驗結(jié)果。

6) 水煮試驗

將試樣置于水中煮沸2h后，觀察鋁塑板涂層是否有脫落、鼓泡、開裂、變色等外觀上的異?，F(xiàn)象。

7) 高溫水煮試驗

把試樣置于水中，于高壓釜中加溫至137℃，恒溫30min后取出，冷卻后目視檢查，觀察鋁塑板涂層是否有脫落、變色等現(xiàn)象。

鋁材硅烷處理后彩涂性能測試的結(jié)果見表1。

表1：PSi-2硅烷處理處理鋁卷材彩涂后性能測試結(jié)果

四．應(yīng)用效益及成本方面分析比較

在表2中，比較了鋁材硅烷處理工藝和傳統(tǒng)鉻化處理的使用情況。

表2：硅烷與鉻化使用比較

由表2結(jié)果并綜合各項生產(chǎn)應(yīng)用工藝實際情況，應(yīng)用硅烷處理工藝，其技術(shù)優(yōu)勢有：

1)硅烷處理常溫運行無需加熱，可以節(jié)能降耗；

2)硅烷工藝處理時間短，硅烷成膜效率高，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能；

3)硅烷處理鋁材表面積大，化學(xué)品消耗少，使用成本低；

4)硅烷處理槽液監(jiān)控簡單，無需除渣，使用便捷；

5)硅烷處理材料不含重金屬等有害物質(zhì)，甚至可達標直排，是綠色環(huán)保型產(chǎn)品。

鋁材硅烷處理工藝與鉻化工藝比較，鋁材免水洗硅烷系處理工藝具有工藝操作簡單，硅烷處理后免水洗，同時實現(xiàn)了在常溫下進行工藝處理，與鉻化工藝比較，縮短了工藝周期，降低了資源消耗，節(jié)約了設(shè)備占地面積。硅烷處理技術(shù)的綜合成本與鉻化工藝相比，具有明顯的優(yōu)勢，可節(jié)約20%以上。

在污水處理上解決了鋁工業(yè)固體廢棄物減量化和無害化的根本問題，硅烷處理技術(shù)杜絕了有毒鉻化物對環(huán)境的危害，徹底消除了原六價鉻鈍化工藝對周邊群眾身體健康的威脅，帶動了行業(yè)的技術(shù)進步，推動了行業(yè)實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，對產(chǎn)業(yè)的帶動和提升作用具有重要的戰(zhàn)略意義。

四. 結(jié)論

本文介紹了硅烷處理技術(shù)的作用原理，綠色環(huán)保的硅烷處理技術(shù)可在鋁表面形成一層厚度為納米級轉(zhuǎn)化膜，與有機涂層匹配，可作為替代傳統(tǒng)的六價鉻或三價鉻鈍化處理工藝。通過鋁材彩涂試驗和生產(chǎn)實際應(yīng)用，結(jié)果表明：硅烷處理技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保、反應(yīng)時間快、涂漆附著力、耐蝕性、機械性能優(yōu)越的特點，該硅烷處理工藝適用于現(xiàn)有的鉻化生產(chǎn)線及設(shè)備，鋁材彩涂加工后各項性能指標完全達到技術(shù)要求，可作為替代現(xiàn)有鉻鈍化工藝，應(yīng)用在鋁材彩涂的涂裝前處理生產(chǎn)中，是一項節(jié)能、環(huán)保的鋁材前處理技術(shù)。硅烷處理技術(shù)在鋁材彩涂前處理中的應(yīng)用可實現(xiàn)涂裝工藝無鉻、無磷，不含重金屬等有害物質(zhì)，同時還能降低能耗，為實現(xiàn)涂裝表面處理的無磷無重金屬環(huán)保目標帶來希望，隨著其技術(shù)進一步成熟與完善，硅烷技術(shù)將給傳統(tǒng)的鉻化表面處理技術(shù)帶來重大變革，創(chuàng)造更大的社會和經(jīng)濟效益。