硅烷技术在涂装过程中的实际应用及管理

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。介绍了硅烷技术在涂装实际应用过程中的工艺、设备和管理方面的具体要求。
关键词： 涂装； 预处理； 硅烷技术； 实际应用

0　引言

磷化处理是目前应用最为广泛的涂装前处理工艺，但由于磷化液中含有锌、镍、锰等重金属离子以及磷酸盐和亚硝酸钠等被限制排放的物质，且处理温度较高、废水和废渣的无害化转化过程较为复杂等原因，其应用正面临着日益加大的环保压力。而硅烷处理技术则克服了上述缺点，为涂装前处理领域带来了一场革命性的变革， 硅烷前处理技术的处理效果已经与锌系磷化效果相当。

从10年前第1条家电生产线使用硅烷工艺以来，硅烷工艺已经从实验室研究阶段走向了工业大生产阶段，至2011年底，全球已有几百条前处理生产线使用硅烷工艺，我国也有几十条生产线在使用硅烷工艺。行业涉及各个领域，包括家电、汽车零部件、普通工业、卡车、功能车、轿车等。在车身涂装中已经逐步进入到整车生产阶段，目前使用硅烷作为前处理工艺的轿车整车线已经有几十万台车下线，分别在法国、西班牙、巴西、俄罗斯等多个国家。我国第1条大型整车涂装线将于2012年底在武汉投产。整车涂装是防腐蚀和装饰性要求最高的涂装，硅烷工艺可以满足轿车涂装要求，自然可以很好地满足其他工业的涂装要求。

硅烷处理技术和磷化处理有相同的要求， 也有一些不同的要求。本文就硅烷技术在涂装实际应用过程中的工艺、设备和管理方面的具体要求做一些简介。

１　硅烷技术的优点
１）硅烷技术形成的薄膜可以替代传统的磷化膜，磷化膜的质量通常为2 ~ 3 g/m2，Oxsilan涂层膜质量为0.1 g/m2，相差20倍左右，单耗大大降低。
２）Si—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。硅烷处理后的防腐蚀性能优于锌系磷化的防腐蚀性能。与锆系产品相比，其性能明显优越。
３）使用方便，便于控制，槽液由双组分液体配成，仅需要控制pH、活化点和电导率，无需像磷化液那样，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。
４）节约能源，可室温或低温操作，能源费用降低。
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）处理时间短，只有磷化处理时间的一半，因此可以提高产量。
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。
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。
９）工艺简单，流程短。可以减少维修量，不需要维护表调、钝化设备，也不需要定期对磷化槽及管路和喷嘴等进行除渣清理。
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的费用为73万欧元/a，切换Oxsilan的产品后为39万欧元/a，节省了34万欧元/a，节约成本47%。
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。
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。
１３）硅烷处理后，可不用烘干、直接进行电泳。硅烷泳透力与锌系磷化相当。

２　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。磷化槽及其管道内通常结有磷化渣， 需要用专门的清渣剂彻底清洗干净，否则影响产品质量。

２.1　一般工业硅烷预处理工艺流程

一般工业硅烷预处理工艺流程为：脱脂→水洗→硅烷处理→纯水洗→烘干。

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， 硅烷处理后烘干（除去水分），直接进行喷粉或喷漆，硅烷涂层固化过程与喷粉或喷漆的烘烤同时完成，烘烤温度需在140 ℃以上，时间20 min以上。也可以硅烷处理后不水洗直接烘干后喷粉。

２.2　车身硅烷前处理主要工艺过程

车身硅烷前处理主要工艺过程见表１。

硅烷处理后不需烘干，直接进行阴极电泳。车身硅烷前处理工艺过程是一个很完整的工艺过程， 其他工艺可以适当精减。比如硅烷处理后的水洗就可以减少一些。
３　硅烷处理与磷化处理之间的区别

３．１　磷化与硅烷处理技术方面的区别

磷化与硅烷处理技术方面的区别见表２。

３．２　硅烷技术应用过程中的一些技术问题

３.2.1　脱脂

德国表面处理专家指出“虽然硅烷工艺非常简单稳定，但是在应用过程中还是需要专业的技术支持才能达到规定的防腐效果、油漆结合力及工艺适应性”。

硅烷工艺应用过程中第一点要重视的就是脱脂。由于以往磷化是在较高的温度（50 ℃）和较低的pH（3.0左右）条件下进行，车身表面的污物及油脂在这种温度和pH 条件下还可被进一步清洗除去。但是硅烷的工艺条件非常温和（室温，pH为4.5左右），这种条件基本上不具备进一步清洗的可能性。这就意味着，硅烷工艺对脱脂的要求比较高。选择高效环保的脱脂是可以达到优异的脱脂效果。

３.2.2　水洗

水洗效果对涂装质量影响非常大。水洗工艺中可以使用特殊的化学药剂，对防止闪锈非常有效。

3.2.3　水质

硅烷工艺中需要使用纯水， 脱脂水洗后最好加一道纯水洗， 以减少对硅烷槽液的污染损耗。硅烷配槽和以后的水洗都需要用纯水。

3.2.4　泳透力

硅烷处理后电泳的泳透力与磷化有所不同。由于硅烷膜层厚度明显低于磷化膜层厚度，硅烷膜层的电阻就明显低于磷化膜层，从而阴极电泳的表面成膜厚度也必将较厚。车身内腔的有效电压由于法拉第效应会下降，所以电泳在内腔表面就有可能较难上膜。德国舒巴赫博士解说道：“意识到车身内腔获得足够的电泳膜厚和车身表面获得同样电泳膜厚一样重要”。凯密特尔通过研究硅烷槽内部的化学机理而开发出了这一问题的解决方案，这一方案的成功还给了电泳供应商新的灵感：研发出专门为新型薄膜前处理技术配套的电泳产品，两者配合达到了更好的泳透力效果。所以选用硅烷工艺时必需考虑与电泳漆是否相配套。目前PPG、BASF、DuPont、Nippon等大公司都有电泳漆与硅烷技术相配套。硅烷处理后电泳的泳透力与磷化可以做到完全相当。

４　硅烷工艺处理设备

硅烷工艺与磷化工艺在设计新的涂装生产线时还是有一些区别的，流程短、设备少、槽子小、循环低是其特点。这样可以节省制造费用和运行费用。具体设计生产线时可以参考如下原则。
1）不需设计表调和钝化工艺。
２）硅烷处理槽的设计。

硅烷槽液pH为4.2 ~ 4.8，偏酸性， 槽体材质选用耐酸不锈钢为好，如316或304不锈钢， 也可选用塑料材质的材料， 如偏聚二氟乙烯（PVDF）或聚丙烯（PP）等材料。冷轧普通钢板是不行的，除非内腔涂覆防酸材料，如耐酸塑料、不锈钢薄板等。

工艺要求反应时间为1 ~ 2 min，槽体的长度可按通过时间2 min计算。循环次数要求1 ~ 2次，设计循环次数也按2次/h计算。 设计加热系统可按最高槽液温度35 ℃计算，实际运行温度为20 ~ 30 ℃。硅烷槽液清彻透明，反应时也不产生渣。但工件碰到酸性槽液会有铁离子溶出， 工件上也会携带颗粒物。所以建议系统中安装袋式过滤器， 选用孔径25 μm过滤袋或配制板框压滤机系统。

由于化学品消耗量小，硅烷槽加料量少，可以使用滴加泵滴加化学品。

硅烷槽出口安装小流量雾化喷嘴，喷淋纯水润湿，使处理表面状态均一，获得最佳电泳效果。小流量不会增加槽液溢流量。

３）节水溢流管路设计。

采用合理的溢流管路设计和管理达到节水的目的，也可保证清洗效果，具体见图1。

使用后道向前道溢流的方式即逆工序供水清洗，按照Kushener近似公式：最终稀释倍数=（Xn+1-1）/　（X-1），式中n为水洗次数，X为供水量/带出水量，可计算出同样达到500倍稀释倍数，使用后道向前道溢流方式水洗可比不使用该方式的生产线节约55%的耗水量。

５　工艺管理
５．１　脱脂工序

要求使用更有效的脱脂方式，比如喷浸结合、使用破乳型活性剂等方式，提高脱脂效率及效果，为后道硅烷处理打下良好基础。日常管理中经常注意检查脱脂效果。

５．２　硅烷槽日常管理

硅烷技术的工艺管理比较简单，控制的参数比磷化少，控制容易。
１）槽液日常控制参数：槽液温度为20 ~ 30 ℃（最大范围为15 ~ 45 ℃）；
pH为3.8 ~ 4.8；
活化点为4.1 ~ 6.8；
电导率＜4 500 μＳ/cm。
２）使用手提仪器XRF 可以直读的方式对涂层进行检测、ICP对槽液进行分析， 并可提高检测的准确度。
３）硅烷槽保留了加热设备，一般情况下不需要加热。硅烷最佳处理温度为20 ~ 30 ℃。日常工作时该温度可由脱脂载带满足，但周一或节假日恢复生产时，还需要槽液加热到该温度获得最佳前处理效果。
４）有些生产线夏季要预防细菌滋生，需添加杀菌剂。选择优质的涂装材料和良好的涂装设备，做到精心的现场管理一定可以获得优良的涂装结果。

硅烷技术经过了10年的发展， 已经积累了丰富的经验， 工艺和技术已经成熟。这项节能环保并节约成本的新技术必将迅速代替磷化工艺得到大规模的推广。