硅烷偶联剂对低碳钢表面环氧涂层粘接性能的影响(上)

摘　要：利用硅烷偶联剂KH-550对低碳钢表面进行预处理，制备了环氧涂层，通过对涂层粘接性能的试验，研究了硅烷偶联剂预处理工艺对低碳钢预表面环氧涂层粘结性能的影响。采用扫描电子显微镜（SEM）分析硅烷偶联剂预处理后低碳钢表面形貌。结果表明：采用混合溶剂水解12 h ，硅烷溶液质量分数为10 %，固化温度150～200 ℃，硅烷偶联剂预处理可以显著提高低碳钢表面环氧涂层的粘接性能。
关键词: 硅烷偶联剂；预处理；低碳钢；环氧涂层；粘结性能
0前言
金属表面处理对涂层粘接性能起着非常重要的作用，传统的表面处理可以分为机械处理和化学处理，只能改善和提高涂层与金属基体的物理结合力，而无法从根本上解决涂料与金属基体结合强度低的缺点。另外化学处理中的磷化、钝化等方法废物排放和处理耗费大，不可避免地对环境造成污染。所以研究开发既能有效提高涂层与金属基体的化学结合力,又能环保的表面处理方法已成为目前表面处理中的新兴课题。硅烷偶联剂(Silane coupling agents ,简称SCA) ，是指分子结构为RSiO3/ 2 (分子中O∶Si = 3∶2) 的有机硅化合物，是应用最早、最广泛的偶联剂,它架起了无机物与有机物之间的桥梁[1 ]，改进了许多材料的性能。
近年来, 硅烷偶联剂在防腐涂层金属预处理中的作用逐渐被人们所认识,国外学者自上世纪90年代在这方面已做了大量研究工作[2-3 ] 。硅烷偶联剂直接用作金属表面预处理时, 可与金属表面的氧化层形成化学键合而改变金属表面的性质, 特别对提高难上漆的金属表面的附着力具有令人瞩目的效果;因其具有无污染、处理件耐蚀性好、经硅烷处理过的金属表面对有机涂层的胶粘性能优异等特点, 目前正成为硅烷试剂应用的新兴领域[ 4-6 ]。如能实现工业化生产, 将有望取代金属表面的磷化钝化处理[ 7-8 ]，必将对金属材料表面处理行业带来深远的影响。

1试验
硅烷偶联剂对低碳钢表面环氧涂层粘接性能的影响
1.1试验材料
KH-550,南京辰工有机硅材料有限公司；乙醇(化学钝) ；去离子水自制。
普通低碳钢(Q235-A ,试样尺寸为20 mm ×30 mm )；酸洗液自制；碱洗液自制；环氧涂料自制。

1.2试验方法
（1）硅烷偶联剂的水解：室温条件下，量取一定量的水解用溶剂置于磁力搅拌器中搅拌均匀,缓慢按比例加入规定量SCA ,继续搅拌均匀,利用DDS307 数显式电导率仪在线监测溶液电导率的变化。
（2）硅烷溶液预处理：首先对金属试样进行化学法碱洗去脂和酸洗除锈,使用砂纸细化法对基体表面进行打磨处理。然后把金属试样在硅烷溶液中浸涂后放在箱式电热炉中加热固化成膜,然后自然冷却。在经过处理的低碳钢试样表面涂刷环氧涂料。
（3）粘接强度测试：按照GB/T5210 – 1985《涂层附着力的测定法———拉开法》测定硅烷预处理后环氧涂层的粘接强度。
2结果与讨论
2.1硅烷偶联剂的水解
SCA水解过程中电导率会随的硅醇的产生而逐渐增大, 溶剂因反应前后量不变而对体系电导率变化无贡献, 当水解达最大程度趋于平衡时, 相应电导率值也稳定于某最大值。 图1 所示为分别采用95% 乙醇、去离子水、混合溶剂进行水解过程电导率随时间的变化趋势的对比.。

由图可见，曲线a是SCA在95% 的乙醇中进行水解, 由于醇的存在不利于水解平衡右移, 整个过程电导率变化很小, 说明SCA水解程度低。
曲线b为SCA在去离子水中水解的电导率变化趋势，可见SCA在去离子水中的水解速度很快，水解4～ 5 h电导率达到最大，水解趋于平衡。但是，随着水解时间的延长，其电导率呈快速下降趋势，说明SCA在去离子水中水解平衡后，继而硅醇间可能相互交联发生的缩合反应，导致硅醇有效成分下降，造成SCA的水解溶液稳定性差。
曲线c是SCA在SCA：C2H5OH:H2O=1: （0.1～0.5）:1的混合溶剂中的水解电导率曲线，可以看到在混合溶剂中随时间增长电导率值增大明显, 12 h 后溶液电导率几乎不发生变化；且由于溶液中含有少量的乙醇，在水解达到平衡后在一定程度上阻止了缩聚反应的发生，保持了SCA水解稳定性。
对比a、b、c可见，选择SCA：C2H5OH:H2O=1:（0.1～0.5）:1的混合溶剂进行水解，SCA水解完全且稳定性好。