硅烷偶联剂在汽车制造中应用的最新进展

摘要：硅烷技术可以替代磷化技术，给涂装预处理技术带来革命性的变革。本文介绍了硅烷技术的在汽车制造中最新应用的情况。

    关键词：汽车制造、预处理、硅烷技术

    1．前言

    在各种金属预处理方法中，磷化处理是最为广泛采用的方法。在家用电器、自行车、摩托车和汽车等行业中，为了保证涂层优良的耐久性和防腐蚀性能，都采用磷化处理作为涂装的前处理。但是磷化处理因为含有锌、镍、锰等有害重金属以及磷、氮、亚硝酸钠等限制排放的物质，处理温度较高，废水、废渣处理较复杂而面临日益严峻的环保形势。

    硅烷化处理是目前技术发展较成熟的可取代磷化的前处理技术。硅烷处理与传统磷化相比具有以下多个优点：无镍、锌、锰等有害重金属离子，不含磷，无需加温。硅烷处理过程无渣，处理时间短，控制简便。处理步骤少，可省去表调及钝化工序，槽液使用寿命长，维护简单。有效提高油漆对基材的附着力，可共线处理钢板、镀锌板、铝板等多种基材。硅烷技术的成功应用给磷化技术带来革命性的变革。

    2．金属表面硅烷处理的机理

    在发现硅烷卓越防腐性能以前，硅烷作为胶粘剂被广泛应用于玻璃或陶瓷强化高聚复合材料中。系统而全面的硅烷防锈性能的研究始于二十世纪九十年代初。通过研究发现，硅烷可以有效地用于金属或合金的防腐。

    硅烷是一类硅基的有机／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。

    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

    硅烷水解后通过其SiOH基团和金属表面的MeOH基团（Me=金属）通过缩水反应而快速吸附于金属表面。

    SiOH+MeOH=SiOMe+H2O

    一方面辰工有机硅的硅烷在金属界面上形成Si-O-Me共价键，一般来说，共价键间的作用力可达700kj/mol，硅烷与金属之间的结合是非常牢固的。另一方面，剩余的硅烷分子则通过SiOH集团之间的缩聚反应在金属表面上形成具有Si-O-Si三维网状结构的硅烷膜（图1）。

    该硅烷膜在烘干过程中和后道的电泳漆、或喷粉通过交联反应结合在一起，形成牢固的化学键。这样，基材、硅烷和油漆之间可以通过化学键形成稳固的膜层结构。

    3．硅烷技术处理工艺

    在普通工业中以硅烷处理取代铁系和锌系磷化处理已开始广泛应用。老的生产线只要将磷化槽清洗干净，直接投入硅烷材料就可以生产了，目前凯密特尔与欧美大部分汽车公司进行合作，在汽车生产线上开始试验和应用。

    传统的汽车预处理工艺流程如图2所示：

    硅烷汽车预处理工艺流程如图3所示：

    硅烷预处理取代了传统的表面调整、磷化和钝化工艺，工艺简洁了许多，硅烷处理后可以不烘干，直接进行阴极电泳，硅烷的固化过程与电泳漆的烘烤同时完成。

 4．硅烷处理与磷化处理之间的区别：

    表1磷化与硅烷处理技术在使用条件方面的区别如下：

    5．硅烷预处理的技术质量

    硅烷涂层随着处理基材不同产生不同的视觉外观，如在铁板上，硅烷涂层是淡黄色的；在镀锌板上，硅烷涂层是偏蓝色的；在铝板上，硅烷涂层是反光灰色的。

    表2经过南京辰工硅烷处理的板材的防腐性能

图4：VDA (10 cycles) 循环试验

    试验表明，Oxsilan9830的防腐蚀性能与锌系磷化的防腐蚀性能相当，优于铁系磷化的性能。与锆系产品相比，其性能明显优越，图5是在冷扎板材上，经预处理加电泳后，按照，美国通用汽车公司的GMW14872标准，经15个循环腐蚀试验的结果。

    6．硅烷技术的优点

    6.1硅烷技术形成的超薄有机膜可以替代传统的磷化膜，磷化膜的重量通常为2~3g/㎡,OXSILAN涂层膜重仅仅0.1g/㎡，相差20倍左右。单耗大大降低。

    6.2Si-O-Me共价键分子间的结合力很强，所以产品很稳定，从而可以提高产品的防腐蚀能力。

    6.3使用方便，便于控制，槽液为双组分液体配成，仅需要控制PH值和电导率，无须象磷化液那样，要控制游离酸、总酸、促进剂、锌、镍、锰的含量和温度等许多参数。

    6.4节约能源，可室温或低温操作，能源费用降低。

    6.5节省电能，由于泵的减少和功率的降低，可节省40%的电能。

    6.6处理时间短，只有磷化处理时的一半，因此可以提高产量。

    6.7优异的环保性能，无有害的重金属，无渣、废水排放少，处理容易，如果安装过滤器及离子交换器，可以做到封闭循环使用。

    6.8多金属处理工艺：冷轧板、热镀锌板、电镀锌板、涂层板、铝等不同板材可混线处理。

    6.9工艺简单，流程短。可以减少维修量，不需要维护表调，钝化和除渣设备，也不需要定期清理，磷化槽及管路和喷嘴等。

    6.10综合成本低，产品消耗量低，三废处理成本低。欧洲Proposal工厂生产线使用磷化液时每年的费用为73万欧元，切换Oxsilan的产品后为39万欧元/年，节省了34万欧元/年。

    6.11与原有涂装工艺和涂装设备相容，不需进行设备改造，只需更换磷化液，即可投入生产。

    6.12系统长度缩减：无需表面调整和钝化工序，可缩短处理时间，新建生产线可减少投资和占地面积。欧洲汽车线使用硅烷和使用磷化在设备投资上可以节省220万欧元。

    6.13硅烷处理后，不用烘干，直接进行电泳。泳透率与锌系磷化相当。

    7．硅烷技术应用现状及前景

    7.1目前硅烷技术已经在目前在德国、英国、瑞典、芬兰、丹麦、法国、葡萄牙、美国、巴西、澳大利亚、新西兰、印度尼西亚、泰国、印度和中国等国家广泛应用。

    7.2目前OXSILAN?9830在全世界汽车行业的实验和应用情况如下：

    7.2.12007/2008年已于欧美大部分汽车生产厂开始合作项目，全面展开测试认证工作

    7.2.2第一次汽车生产线整车批量试验：2008年第一季度在法国雷诺（Renault）Flins工厂，目前雷诺多种车型零件及外车身板已经使用硅烷处理。

    7.2.3第一条汽车生产线正式批量生产：是2008年7月在德国欧宝（Opel）Kaiserslautern工厂进行的，提高30%生产率。

    7.2.4经过凯密特尔研发团队数年来与欧美各大汽车厂的全面合作和共同努力，Oxsilan?技术已率先通过法国标致-雪铁龙（PSA）的测试认可并正式投入批量生产，自2009年以来相继在法国、西班牙、巴西、俄罗斯的汽车生产线投产，涉及车型有雪铁龙C3、C5、C5SW、C6，Xsara(MPV)、标志207（3门、5门、Convertible、）、Hoggar（小型皮卡）、AirCross、407、407SW、407Cut等；奔驰等其他各大汽车公司的线上测试，认可工作正在按计划进行中。

    还有许多硅烷工艺替代磷化工艺的汽车项目即将计划在未来12个月内全面展开，这些项目大部分在欧洲，也会有部分项目在北美、亚洲（包括中国、印度、韩国等）进行，汽车前处理工艺的创新时代已到来。汽车是防腐要求最高的产品，整车生产线可以使用，其它生产线更可以放心使用了。

    7.3硅烷技术在中国的应用

    迄今为止，硅烷技术在中国的家电、汽车零部件、IT、风力发电等行业几十家企业开始得到应用。其中仅海尔公司就有17条生产线在使用硅烷产品，其中一条已经与阴极电泳配套；沈阳曙光汽车的天成生产线，2009年2月开始使用南京辰工有机硅材料有限公司的硅烷产品，配套使用阴极电泳，至今已有二年,情况良好。

    7.4硅烷技术是一项节能、环保、节省成本的优良技术，涂装预处理技术迎来了一场革命性的变革，必将迅速替代磷化技术在金属表面处理行业迅速得到推广。