邢爱梅，王朋辉，刘环东，张一帆，李翀
（浙江五源科技股份有限公司，浙江杭州310012）
摘要：本文介绍了硅烷处理技术的作用原理，绿色环保的硅烷处理剂在钢铁表面形成纳米级分子膜，以替代传统的六价铬或三价铬铬化处理工艺。试验和实际应用表明，硅烷处理工艺具有反应时间短、节能环保、涂漆附着力、耐蚀性、机械性能好的特点。该工艺可应用于原有的铬化生产线及设备，钢板彩涂加工后能达到技术指标要求，
关键词：节能环保，卷钢，彩涂，硅烷处理，铬化
一、 前言
金属卷材彩涂工艺已有近100年历史，国内在上世纪80年代开始真正彩涂工艺，随着中国经济发展，近十年来，该工艺得到快速发展，在建筑、汽车、家用电器、办公用具等方面具有广泛的用途。
在彩涂钢板生产中，钢卷能连续通过脱脂清洗、化学转化膜、涂漆和固化等步骤。其中，表面处理最主要的环节即是化学转化，目前多采用铬钝化工艺处理。这种处理方法存在较大缺陷，铬钝化处理本身含有铬，六价铬已经证实是致癌重金属，因此在欧盟的ROHS指令中对于Cr6+的含量有严格的规定，所谓环保的三价铬仍含有一定毒性且在环境中仍然会转化为六价铬。目前，在彩涂业中仍大量使用三价铬甚至六价铬钝化的工艺。
为了适应对于环境日益严格的要求。同时在生产处理过程中节约资源。以尽量少的化学物质消耗量和常温不加热处理。使人们清醒的认识到采用无磷、无铬、无重金属、无渣、常温处理工艺的重要性。因此寻找一种能够替代传统的含铬钝化处理的新材料具有深远积极意义。一种新型的环保、节能、低排放、低使用成本的表面处理技术成为国内外广大业内技术人员研究的重点。
二、技术原理
硅烷复合膜技术是一类含硅基的有机/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。在发现硅烷卓越的防腐性能以前，硅烷作为胶粘剂或附着力促进剂被广泛应用于玻璃或陶瓷强化高聚复合材料中。硅烷防锈性能系统全面地研究始于20世纪90年代初。通过研究发现，硅烷可以有效地用于金属或合金的防腐。
硅烷在水溶液中的水解平衡反应式可简单表示为：
水解后的硅烷通过其SiOH基团与金属表面的MeOH基团(Me表示金属)形成氢键而快速吸附于金属表面。
一方面硅烷在金属界面上形成Si-O-Me共价键。硅烷与金属之间的结合是非常牢固的；另一方面，剩余的硅烷分子通过SiOH基团之间的缩聚反应形成Si-O-Si键：
从而在金属表面形成具有三维网状结构的硅烷膜，见下图1b：
图1 金属表面硅烷成膜过程
钢材表面经硅烷处理后，表面吸附了一层类似于磷化晶体的三维网状结构的超薄有机纳米膜层(20~500nm)，同时在界面形成结合力很强的Si-O-Fe共价键，可将钢铁表面和涂层偶合，具有牢固的附着力，同时与涂层共同提供了良好的耐腐蚀性。
硅烷技术成本低廉，为工业化应用带来了条件，经过不断发展技术日趋成熟，对各种生产条件、工件材质都有了更广泛和成熟的应用。硅烷技术有望给铬化技术带来革命性的变革。
我公司的硅烷技术已经成功升级到第三代技术，已经在国内彩涂钢板行业成熟应用，国内达到领先水平，得到了业内广大用户和专家的一致认可和好评。
三、硅烷技术在彩涂钢板上的应用与性能测试
我公司研制的钢材专用硅烷处理剂PSi-6在彩涂钢板工艺上得到成功的应用，硅烷化处理的工艺流程如下：
碱性清洗→水洗→水洗→热风干燥→硅烷处理→烘干→辊涂
3.1彩涂钢板性能测试
彩涂板的质量检验主要是对涂层的检验，包括涂层前处理和涂层性能的检测。涂层的检测除了附着力、柔韧性、冲击强度、硬度、光泽等力学性能外，还包括耐候等特殊保护性能。
钢板彩涂后的性能测试按照GB/T12754-2006《彩色涂层钢板及钢带》标准进行。
1) 耐冲击性
按GB/T1732的规定进行试验，测量冲击后试件涂层无开裂或脱落。
2) T弯试验
使用T型弯曲仪来测试涂膜的T型弯曲性能，检查涂层有无开裂或脱落。
3) 盐雾试验
参照GB/T1771的规定进行试验，试样起泡密度等级和起泡大小等级应不大于GB/T1766中规定的3级。
下表是用硅烷处理剂PSi-6处理镀锌板并彩涂后性能测试结果：
检验项目 |
标准要求 |
实测值 |
耐冲击性/kg·cm |
≥50 |
50 |
T弯 |
2T |
0T |
耐盐雾性/级 |
480h |
480h/1级 |
3.2相关检测图：
硅烷前处理剂PSi-6处理镀锌板+聚酯面漆
左上为T弯图，左下为耐冲击图，右侧为500小时中性盐雾图
3.3 PSi-6产品污染因子检测
产品 |
总磷（mg/L） |
化学需氧量（mg/L） |
悬浮物（mg/L） |
总锌（mg/L） |
总铬（mg/L） |
PSi-6硅烷处理剂 |
ND |
<600 |
<30 |
ND |
ND |
四、 应用效益分析比较
应用硅烷工艺，其技术优势在于：
1) 硅烷处理过程在常温下进行，可以节能降耗；
2) 硅烷工艺处理时间短，可以缩短新建生产线，降低设备投入，节省生产场地；
3) 硅烷处理剂不含重金属等有害物质，甚至可以达标直接排放，是绿色环保型产品。
4) 硅烷复合成膜效率高，化学品消耗量低；
5) 处理槽液监控简单，使用方便。
在污水处理上杜绝了有毒铬化物对环境的危害，彻底消除了原六价铬铬化工艺对周边群众身体健康的威胁，带动了行业的技术进步，推动了行业实现清洁化生产，对产业的带动和提升作用具有重要的战略意义。在生产成本方面，有机硅与铬化也有明显优势。
五、结论
硅烷技术在彩涂钢板前处理中的应用可实现涂装工艺无铬、无磷，不含重金属，同时还能降低能耗，为实现涂装表面处理的无磷无重金属环保目标带来希望，随着其技术进一步成熟与完善，硅烷技术将给传统的铬化表面处理技术带来重大变革，创造更大的社会和经济效益。
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