一.前言

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

在鋁材彩涂生產中，鋁卷能連續通過脫脂清洗、化學轉化膜、涂漆和固化等步驟。其中，表面處理最主要的環節即是化學轉化膜處理，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定；而相對環保的三價鉻仍含有一定毒性且在環境中仍然會轉化為六價鉻。目前，在鋁卷材彩涂業中仍大量使用三價鉻甚至六價鉻鈍化工藝[2]。

為了適應對于環境日益嚴格的要求，同時在生產處理過程中節約資源。以盡量少的化學物質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的鉻鈍化處理的新材料具有積極深遠的意義。

二. 技術原理

在發現硅烷偶聯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用于玻璃或陶瓷強化高聚復合材料中。硅烷防銹性能系統全面地研究始于20世紀90年代初，通過研究發現，硅烷可以有效地用于金屬或合金的防腐。硅烷處理技術是一類主要以硅烷偶聯劑的有機/無機復合物，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

鋁材表面經硅烷處理后，表面吸附了一層具有三維網狀結構的超薄有機納米膜層(20~200nm)，同時在界面形成結合力很強的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]。

硅烷技術成本低廉，為工業化應用帶來了應用先決條件，經過不斷發展技術日趨成熟，對各種生產條件、工件材質都有了更廣泛和成熟的應用。硅烷技術有望給鋁材鉻化技術帶來革命性的變革。

目前硅烷技術在國內家電行業及鋁塑板行業成功應用。我公司的硅烷技術已經成功升級到第三代技術，已經在國內鋁塑板行業成熟應用，國內達到領先水平，得到了業內廣大用戶單位和專家的一致認可和好評。

三. 硅烷技術在鋁板彩涂上的應用與性能測試

3.1 鋁材彩涂硅烷應用工藝

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用，已穩定運行超過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。

根據卷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。

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的規定進行試驗，然后按GB1740的有關規定進行評級。以全部試樣中性能最差者作為試驗結果。

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、變色等外觀上的異常現象。

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、變色等現象。

鋁材硅烷處理后彩涂性能測試的結果見表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

由表2結果并綜合各項生產應用工藝實際情況，應用硅烷處理工藝，其技術優勢有：

1)硅烷處理常溫運行無需加熱，可以節能降耗；

2)硅烷工藝處理時間短，硅烷成膜效率高，提高生產效率和產能；

3)硅烷處理鋁材表面積大，化學品消耗少，使用成本低；

4)硅烷處理槽液監控簡單，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，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，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，節約了設備占地面積。硅烷處理技術的綜合成本與鉻化工藝相比，具有明顯的優勢，可節約20%以上。

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，硅烷處理技術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

本文介紹了硅烷處理技術的作用原理，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。通過鋁材彩涂試驗和生產實際應用，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，該硅烷處理工藝適用于現有的鉻化生產線及設備，鋁材彩涂加工后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，應用在鋁材彩涂的涂裝前處理生產中，是一項節能、環保的鋁材前處理技術。硅烷處理技術在鋁材彩涂前處理中的應用可實現涂裝工藝無鉻、無磷，不含重金屬等有害物質，同時還能降低能耗，為實現涂裝表面處理的無磷無重金屬環保目標帶來希望，隨著其技術進一步成熟與完善，硅烷技術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。