硅烷偶聯劑在汽車制造中應用的最新進展

    摘要：硅烷技術可以替代磷化技術，給涂裝預處理技術帶來革命性的變革。本文介紹了硅烷技術的在汽車制造中最新應用的情況。

    關鍵詞：汽車制造、預處理、硅烷技術

    1．前言

    在各種金屬預處理方法中，磷化處理是最為廣泛采用的方法。在家用電器、自行車、摩托車和汽車等行業中，為了保證涂層優良的耐久性和防腐蝕性能，都采用磷化處理作為涂裝的前處理。但是磷化處理因為含有鋅、鎳、錳等有害重金屬以及磷、氮、亞硝酸鈉等限制排放的物質，處理溫度較高，廢水、廢渣處理較復雜而面臨日益嚴峻的環保形勢。

    硅烷化處理是目前技術發展較成熟的可取代磷化的前處理技術。硅烷處理與傳統磷化相比具有以下多個優點：無鎳、鋅、錳等有害重金屬離子，不含磷，無需加溫。硅烷處理過程無渣，處理時間短，控制簡便。處理步驟少，可省去表調及鈍化工序，槽液使用壽命長，維護簡單。有效提高油漆對基材的附著力，可共線處理鋼板、鍍鋅板、鋁板等多種基材。硅烷技術的成功應用給磷化技術帶來革命性的變革。

    2．金屬表面硅烷處理的機理

    在發現硅烷卓越防腐性能以前，硅烷作為膠粘劑被廣泛應用于玻璃或陶瓷強化高聚復合材料中。系統而全面的硅烷防銹性能的研究始于二十世紀九十年代初。通過研究發現，硅烷可以有效地用于金屬或合金的防腐。

    硅烷是一類硅基的有機／無機雜化物，其基本分子式為：R’(CH2)nSi(OR)3。其中OR是可水解的基團，R’是有機官能團。

    硅烷在水溶液中通常以水解的形式存在：

    -Si(OR)3+H2O≒Si(OH)3+3ROH

    硅烷水解后通過其SiOH基團和金屬表面的MeOH基團（Me=金屬）通過縮水反應而快速吸附于金屬表面。

    SiOH+MeOH=SiOMe+H2O

    一方面馳葉有機硅的硅烷在金屬界面上形成Si-O-Me共價鍵，一般來說，共價鍵間的作用力可達700kj/mol，硅烷與金屬之間的結合是非常牢固的。另一方面，剩余的硅烷分子則通過SiOH集團之間的縮聚反應在金屬表面上形成具有Si-O-Si三維網狀結構的硅烷膜（圖1）。

圖1：硅烷在金屬表面成膜模型

    該硅烷膜在烘干過程中和后道的電泳漆、或噴粉通過交聯反應結合在一起，形成牢固的化學鍵。這樣，基材、硅烷和油漆之間可以通過化學鍵形成穩固的膜層結構。

    3．硅烷技術處理工藝

    在普通工業中以硅烷處理取代鐵系和鋅系磷化處理已開始廣泛應用。老的生產線只要將磷化槽清洗干凈，直接投入硅烷材料就可以生產了，目前凱密特爾與歐美大部分汽車公司進行合作，在汽車生產線上開始試驗和應用。

    傳統的汽車預處理工藝流程如圖2所示：

圖2：傳統的汽車預處理工藝流程

    硅烷汽車預處理工藝流程如圖3所示：

圖3：硅烷汽車預處理工藝流程

    硅烷預處理取代了傳統的表面調整、磷化和鈍化工藝，工藝簡潔了許多，硅烷處理后可以不烘干，直接進行陰極電泳，硅烷的固化過程與電泳漆的烘烤同時完成。

 4．硅烷處理與磷化處理之間的區別：

    表1磷化與硅烷處理技術在使用條件方面的區別如下：

表1：磷化與硅烷預處理技術在使用條件方面區別

    5．硅烷預處理的技術質量

    硅烷涂層隨著處理基材不同產生不同的視覺外觀，如在鐵板上，硅烷涂層是淡黃色的；在鍍鋅板上，硅烷涂層是偏藍色的；在鋁板上，硅烷涂層是反光灰色的。

    表2經過硅烷處理的板材的防腐性能

表2：經過硅烷處理的板材的防腐性能

圖4：VDA (10 cycles) 循環試驗

    試驗表明，Oxsilan9830的防腐蝕性能與鋅系磷化的防腐蝕性能相當，優于鐵系磷化的性能。與鋯系產品相比，其性能明顯優越，圖5是在冷扎板材上，經預處理加電泳后，按照，美國通用汽車公司的GMW14872標準，經15個循環腐蝕試驗的結果。

 圖5：鋯系產品和硅烷產品循環腐蝕試驗

    6．硅烷技術的優點

    6.1硅烷技術形成的超薄有機膜可以替代傳統的磷化膜，磷化膜的重量通常為2~3g/㎡,OXSILAN涂層膜重僅僅0.1g/㎡，相差20倍左右。單耗大大降低。

    6.2Si-O-Me共價鍵分子間的結合力很強，所以產品很穩定，從而可以提高產品的防腐蝕能力。

    6.3使用方便，便于控制，槽液為雙組分液體配成，僅需要控制PH值和電導率，無須象磷化液那樣，要控制游離酸、總酸、促進劑、鋅、鎳、錳的含量和溫度等許多參數。

    6.4節約能源，可室溫或低溫操作，能源費用降低。

    6.5節省電能，由于泵的減少和功率的降低，可節省40%的電能。

    6.6處理時間短，只有磷化處理時的一半，因此可以提高產量。

    6.7優異的環保性能，無有害的重金屬，無渣、廢水排放少，處理容易，如果安裝過濾器及離子交換器，可以做到封閉循環使用。

    6.8多金屬處理工藝：冷軋板、熱鍍鋅板、電鍍鋅板、涂層板、鋁等不同板材可混線處理。

    6.9工藝簡單，流程短?？梢詼p少維修量，不需要維護表調，鈍化和除渣設備，也不需要定期清理，磷化槽及管路和噴嘴等。

    6.10綜合成本低，產品消耗量低，三廢處理成本低。歐洲Proposal工廠生產線使用磷化液時每年的費用為73萬歐元，切換Oxsilan的產品后為39萬歐元/年，節省了34萬歐元/年。

    6.11與原有涂裝工藝和涂裝設備相容，不需進行設備改造，只需更換磷化液，即可投入生產。

    6.12系統長度縮減：無需表面調整和鈍化工序，可縮短處理時間，新建生產線可減少投資和占地面積。歐洲汽車線使用硅烷和使用磷化在設備投資上可以節省220萬歐元。

    6.13硅烷處理后，不用烘干，直接進行電泳。泳透率與鋅系磷化相當。

    7．硅烷技術應用現狀及前景

    7.1目前硅烷技術已經在目前在德國、英國、瑞典、芬蘭、丹麥、法國、葡萄牙、美國、巴西、澳大利亞、新西蘭、印度尼西亞、泰國、印度和中國等國家廣泛應用。

    7.2目前OXSILAN?9830在全世界汽車行業的實驗和應用情況如下：

    7.2.12007/2008年已于歐美大部分汽車生產廠開始合作項目，全面展開測試認證工作

    7.2.2第一次汽車生產線整車批量試驗：2008年第一季度在法國雷諾（Renault）Flins工廠，目前雷諾多種車型零件及外車身板已經使用硅烷處理。

    7.2.3第一條汽車生產線正式批量生產：是2008年7月在德國歐寶（Opel）Kaiserslautern工廠進行的，提高30%生產率。

    7.2.4經過凱密特爾研發團隊數年來與歐美各大汽車廠的全面合作和共同努力，Oxsilan?技術已率先通過法國標致-雪鐵龍（PSA）的測試認可并正式投入批量生產，自2009年以來相繼在法國、西班牙、巴西、俄羅斯的汽車生產線投產，涉及車型有雪鐵龍C3、C5、C5SW、C6，Xsara(MPV)、標志207（3門、5門、Convertible、）、Hoggar（小型皮卡）、AirCross、407、407SW、407Cut等；奔馳等其他各大汽車公司的線上測試，認可工作正在按計劃進行中。

    還有許多硅烷工藝替代磷化工藝的汽車項目即將計劃在未來12個月內全面展開，這些項目大部分在歐洲，也會有部分項目在北美、亞洲（包括中國、印度、韓國等）進行，汽車前處理工藝的創新時代已到來。汽車是防腐要求最高的產品，整車生產線可以使用，其它生產線更可以放心使用了。

    7.3硅烷技術在中國的應用

    迄今為止，硅烷技術在中國的家電、汽車零部件、IT、風力發電等行業幾十家企業開始得到應用。其中僅海爾公司就有17條生產線在使用硅烷產品，其中一條已經與陰極電泳配套；沈陽曙光汽車的天成生產線，2009年2月開始使用馳葉有機硅材料（上海）有限公司的硅烷產品，配套使用陰極電泳，至今已有二年,情況良好。

    7.4硅烷技術是一項節能、環保、節省成本的優良技術，涂裝預處理技術迎來了一場革命性的變革，必將迅速替代磷化技術在金屬表面處理行業迅速得到推廣。