一.前言

金屬型材以其優異的耐久性，裝飾性和加工成型性的特點，廣泛應用于建筑等各個行業。而鋁型材因其加工性能佳、質輕等特點，用量占金屬型材的80%以上，尤其是粉末涂料涂裝的鋁型材，與陽極氧化/電泳涂裝等處理方法相比較，生產能耗明顯降低，涂層的一些機械性能卻大幅提高，且色彩豐富，更能滿足人們對多樣化和個性化的追求。

為獲得優良的涂層和型材品質，須在涂裝前對鋁型材進行必要的表面預處理。鋁合金常采用陽極氧化法和化學氧化法進行表面處理，其中化學氧化具有對鋁材疲勞性能影響小、工藝簡單等優點，常用作鋁型材涂裝的前處理工藝。目前化學氧化主要是鉻酸鹽法，眾所周知，六價鉻是致癌重金屬，在歐盟的ROHS指令中對其含量有嚴格的規定，因此尋找一種能夠替代傳統的鉻化處理的新材料具有積極深遠的意義。

二.硅烷處理技術發展和工作原理

杭州五源公司表面工程研究所于2003年開始立項研發“節能環保涂裝工程技術”，其中金屬表面硅烷處理技術衍生出涂裝前處理材料、工藝裝備和系列產品，為了加強國際化合作，推動這項新技術的市場化，五源公司2007年開始與美國依科技術公司(ECOSil)進行合作，依科公司創始人威姆教授(Prof. Wim J.van Ooij)是世界上率先提出將硅烷處理技術應用于金屬表面處理的，進行該項目研發工作已有20多年，擁有50多項專利，著有350多篇論文。并成功將硅烷技術應用于汽車、金屬制品等表面處理行業，解決了金屬表面磷化處理和六價鉻鈍化帶來的環境污染等問題，深受用戶歡迎。。經多年合作和努力，五源公司開發出的涂裝前處理材料硅烷處理產品有：

PSi-1 (鋼鐵專用)

PSi-2 (有色金屬專用)

PSi-3 (陰極電泳專用)

PSi-75（鋁型材專用） 

五源PSi-75硅烷處理劑的工作液是由納米陶瓷有機硅烷為主體，高分子材料快速交聯劑等助劑復合而成的。在清潔的鋁材表面形成一層納米膜層，與傳統的鉻化處理相比較，裸模的耐腐蝕性相應要差些，但是轉化膜較緊密，在噴涂后，漆膜的總體性能與鉻化沒有差別。其反應原理如下：

硅烷的基本結構為：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形成Si-O-Si鍵：

從而在金屬表面形成具有三維網狀結構的硅烷膜，見圖1：

圖1：金屬表面硅烷成膜過程

3.1 鋁型材硅烷技術應用工藝

我公司研制的硅烷處理劑PSi-75在鋁型材應用的工藝流程分別如下：

⑴酸性清洗→水洗→水洗→PSi-75硅烷處理→水洗→水洗→烘干→涂裝；

⑵堿性清洗→水洗→水洗→酸出光→水洗→水洗→PSi-75硅烷處理→水洗→水洗→烘干→涂裝。

根據鋁材表面狀態選擇不同的清洗方案，一般地，選用酸性清洗工藝可節省生產處理時間。五源公司研發生產的酸脫脂劑，適合噴淋與浸漬兩種處理方式，且清洗過程中可達到每分鐘1.2g/m2的刻蝕量效果，與我司PSi-75硅烷處理劑配套使用，完全能達到標準流程（即流程2）處理鋁材的涂裝性能。且PSi-75硅烷處理劑能在鋁合金表面形成淺黃灰色透明膜，解決了無鉻處理在實際應用中因不改變鋁材外觀難以辨識這一難題。

3.2 鋁型材硅烷技術應用參數及操作條件

* 可用工業自來水直接配槽（電導率<250us/cm）

* 適用于浸漬或噴淋

3.3 性能測試

1）裸膜96小時中性鹽霧測試

表1：PSi-75處理鋁型材噴涂后性能測試結果

四．應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鉻化處理的使用情況。

表2：硅烷與鉻化使用比較

綜合各項生產應用工藝實際情況，應用五源硅烷處理工藝，其技術優勢有：

1)硅烷工藝處理可用于多種金屬共線前處理，如：鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鍍鋅件及鐵件；

2)適用于噴淋及浸漬工藝；

3)硅烷處理槽液監控簡單，使用便捷；

4)硅烷處理鋁件表面呈黃灰色，肉眼即可辨識；

5)硅烷膜耐水洗，硅烷處理后可水洗，涂裝質量更有保障；

6)原有鉻化線可直接切換，無需增加純水設備；

7)硅烷處理材料不含重金屬等有害物質，甚至可達標直排，是綠色環保型產品。

鋁材硅烷處理工藝與鉻化工藝比較，硅烷處理工藝操作簡單，且在保證涂裝質量的前提下，無鉻處理技術的綜合成本與鉻化工藝相當，重要的是，在污水處理上解決了鋁工業固體廢棄物減量化和無害化的根本問題，杜絕了有毒鉻化物對環境的危害，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，帶動了行業的技術進步，推動了行業實現清潔化生產，對產業的帶動和提升作用具有重要的戰略意義。

四. 結論

本文介紹了易辨識耐水洗硅烷膜處理鋁型材的作用原理，綠色環保的硅烷處理技術可在鋁表面形成一層厚度為納米級轉化膜，與有機涂層匹配，可作為替代傳統的六價鉻或三價鉻鈍化處理工藝。通過鋁型材試驗，結果表明：硅烷處理技術具有節能環保、反應時間快、涂漆附著力、耐蝕性、機械性能優越的特點。該工藝適用于現有的鉻化生產線及設備，鋁材表面經處理形成一層有色易辨識的有機硅烷膜層，各項性能指標完全達到技術要求，可作為替代現有鉻鈍化工藝。并且該硅烷產品可以用自來水稀釋使用，硅烷膜可用自來水漂洗，處理質量更穩定可靠，應用在鋁型材的涂裝前處理生產中，是一項節能、環保的鋁材前處理技術。

由于環境保護的需要，替代劇毒的六價鉻處理已是不可動搖的技術方向。近十年來，無鉻化學轉化取代鉻化取得飛速發展，在實踐中，鈦鋯為基的無鉻體系逐漸得到工業的推廣運用，但是鈦鋯系無鉻處理劑不僅處理工件表面無色且需要增加純水設備，給工業化生產帶來一系列困難。PSi-75型硅烷處理劑可用于自來水體系，且硅烷耐水洗，處理后經水洗可避免槽液過早老化，并且在表面形成有色易辯識的納米級膜層，可以更好的滿足生產線使用工藝的需求。隨著硅烷技術的不斷更新，硅烷產品能更好地符合市場的實際需要，也將給傳統的鉻化表面處理技術帶來重大變革，創造更大的社會和經濟效益。