CN101318174A - 金属静电粉末喷涂前硅烷处理工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属静电粉末喷涂前硅烷处理工艺方法，特别适用于金属静电粉末喷涂行业。并在其中提供了一种环保、节能、高效的硅烷药剂。该药剂主要成分组成重量比为：乙烯基三乙氧基硅烷1％－3％，氨丙基三乙氧基硅烷1％－2％，丙基三乙氧基硅烷0％－1％，异氰酸丙基三乙氧基硅烷0.5％－1.5％，乙醇4％－8％，乙酸0.4％－1.2％，其余是去离子水。该处理方法节约能源，可在不加温条件下使用，不含有对环境有害的重金属和磷，在处理过程中不产生沉渣，槽液稳定，通过补加可长期连续使用。可同时处理铁件、镀锌件，铝件及铝合金等多种基材，能显著提高粉末涂料与金属基材的附着力。

Description

金属静电粉末喷涂前硅烷处理工艺方法

发明背景

本发明涉及的是一种金属静电粉末喷涂前的表面处理工艺方法，特别是一种含有乙酸、乙烯基三乙氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、异氰酸丙基三乙氧基硅烷、乙醇以及去离子水的硅烷溶液，金属经过此硅烷溶液处理后再进行静电喷涂是一种环保型的涂装新技术。

相关技术说明

静电喷涂是以被涂物作为阳极，一般情况下接地；涂料雾化机构作为阴极，接上电源负高压，这样在两极就形成了高压静电场。由于在阴极产生电晕放电，可使喷出粉末介质带电，并进一步雾化。已带电的粉末介质受电场力作用，沿电力线定向地流向带正电的被涂物表面，就可沉积成一层均匀、附着牢固的薄膜。粉末涂料是固体涂料，没有溶剂，不易挥发，大大减少了由于溶剂喷涂引起的污染问题。在喷涂过程当中，多余的喷粉可以利用回收系统集中收集，粉末的利用率高。静电粉末喷涂后，经过烘烤就可以得到性能优异的涂膜表面。该涂膜坚固耐用，能够耐酸、耐碱，同时具有耐磨、抗冲击性、机械强度高等优点。因静电粉末喷涂具有其鲜明优点，目前被家电、通信设备，建材、五金等行业涂装厂家广泛采用。

我国目前静电喷涂前主要应用磷化处理工艺对金属基材进行处理。但磷化处理工艺因其以磷酸、锌、锰，镍为主要原料，产生重金属、磷、亚硝酸钠等严重环境问题，因此环保型涂装前处理产品用以代替传统磷化在如今显的更加重要。硅烷处理是以有机硅烷为主要原料对金属或非金属材料进行表面处理。硅烷前处理技术做为磷化替代技术之一，目前已引起了世界涂装行业的广泛关注。与传统磷化相比，硅烷处理技术具有环保性(无有毒重金属离子、无磷)、低能耗(常温使用)，无渣等优点。

中国专利ZL02153200.1中提供了金属的非铬表面处理方法，并提及了硅烷前处理工艺方法，但该专利中未提及利用硅烷前处理技术处理钢铁的方法，并且也未提出静电粉末喷涂前硅烷处理的方法。

中国专利ZL00805195提供了脲基硅烷和多甲硅烷基官能化硅烷处理金属的方法。虽已提及适应钢铁的硅烷前处理方法，但也并未提及静电粉末喷涂前硅烷处理工艺方法。

中国专利ZL00810014中提供的乙烯基硅烷与双甲硅烷基氨基硅烷的水性混合物对金属表面的保护性处理方法以及中国专利ZL98801638中提供的使用硅烷进行金属防腐的方法同样都没有静电粉末喷涂工艺方法。

发明概述

本发明的目的在于提供一种对于传统静电粉末前处理工艺进行环保、节能、无渣化改进的方法，并且可在原有磷化处理生产线设备基本不改造的前提下完成改进。目前，静电粉末喷涂在工艺上大多采用锌系磷化前处理，经100-120℃烘干后进行静电粉末喷涂。喷涂后工件经过15-30分钟170-200℃使粉末涂料固化完成涂装。在工序上传统静电粉末喷涂工艺可描述为附图1(钢铁件、镀锌件)，图2(铝件及铝合金)所示。在磷化处理工序中，进行磷酸盐成膜之前需要表面调整，而成膜之后也需要两次新鲜水漂洗以确保工件表面无磷化液残留。由于硅烷成膜原理与磷酸盐成膜机理不同，喷涂前处理工艺采用硅烷处理后工序可改进如附图3(钢铁件、镀锌件)，图4(铝件及铝合金)所示。本发明与传统静电粉末喷涂前磷化工艺比较具有如下特点：

钢铁件及镀锌件在工序上省去表面调整工序及磷化工序和水漂洗工序；

对于铝件及铝合金省去铬钝化工序和水洗工序；

不需要加温和不产生沉淀，可省去加热设备和除渣设备；

因此，节省了设备投资以及节省生产场地。提高了生产效率。

本发明的另一目的是提供一种硅烷药剂，这种药剂可在不加温条件下使用，不含有对环境有害的重金属和磷，在处理过程中不产生沉渣，可共线处理钢铁件、镀锌件、铝件及铝合金，可显著提高静电粉末喷涂涂层附着力。粉末涂料按主要成分可分为聚酯型、还氧型、丙烯酸型，以及还氧-聚氨酯型混合体系。为实现多种类型涂层都与金属基材优异的附着力表现，在硅烷处理剂的组成上选用了四种类型硅烷进行配合使用，以达到提高各类粉末涂层附着力的目的。

本发明适用处理的金属包括：冷轧钢、热轧钢、镀锌钢、铝及铝合金。

本发明发现一种或多种完全水解的含有三个烷氧基取代基的乙烯基硅烷能有效提高各类粉末涂料对金属基材的附着力。此类乙烯基硅烷通式如下：

式中R₁、R₂、R₃取自C₁-C₄烷基，其中优选的C₁-C₂烷基。为确保乙烯基硅烷水解附产物均一稳定，R₁、R₂、R₃要求相同数量烷基取代基。

R₄取自C₀-C₆烷基，其中优选C₀-C₂烷基。本发明发现较长的分子链有利于乙烯基硅烷水解后稳定性的提高，并且长链乙烯基硅烷水解性较差，为确保最短水解时间，最优选为C₀烷基。

本发明发现单纯乙烯基体系完全水解后的稳定性不佳，因此本发明中添加一种或多种完全水解的含有三个烷氧基取代基的氨基硅烷，同时本发明还发现，氨基硅烷不仅有提高完全水解的乙烯基硅烷的储存稳定性作用，而且能大幅度提高聚酯类粉末涂料与金属基材的附着力。此类氨基硅烷通式如下：

式中R₁、R₂、R₃取自C₁-C₄烷基，其中优选的C₁-C₂烷基。为确保氨基基硅烷水解附产物均一稳定，R₁、R₂、R₃要求相同数量烷基取代基。

R₄取自C₁-C₆烷基，其中优选C₂-C₄烷基。本发明发现氨基硅烷较长分子链有利于乙烯基硅烷稳定性的提高，为确保较长稳定时间，最优选为C₃烷基。

本发明者发现硅烷处理剂中添加一种或多种完全水解的含有三个烷氧基取代基的烷基硅烷，可明显提高硅烷膜层的疏水性及耐腐蚀性。此类烷基硅烷通式如下：

式中R₁、R₂、R₃取自C₁-C₄烷基，其中优选的C₁-C₂烷基。为确保烷基硅烷水解附产物均一稳定，R₁、R₂、R₃要求相同数量烷基取代基。

R₄取自C₃-C₆烷基，其中优选C₃-C₄烷基。本发明发现较长分子链的烷基硅烷的水溶性较差，为减少溶解时间，要求最快水解，最优选为C₃烷基。

同时，本发明发现一种或多种完全水解的含有三个烷氧基取代基的异氰酸基硅烷添加到本发明中能非常有效地提高硅烷膜的均匀性，并且加强了硅烷膜在潮湿情况下的自愈合性。此外本发明发现，异氰酸基硅烷能有效提高粉末涂料附着力。适合此类异氰酸基硅烷通式如下：

式中R₁、R₂、R₃取自C₁-C₄烷基，其中优选的C₁-C₂烷基。为确保异氰酸基硅烷水解附产物均一稳定，R₁、R₂、R₃要求相同数量烷基取代基。

R₄取自C₂-C₆烷基，其中优选C₂-C₄烷基。本发明发现异氰酸基硅烷分子链长对于水解性不利，分子链太短，异氰酸基硅烷自身稳定性不佳，因此为减少水解时间，最优选为C₃烷基。

由于上述少数硅烷未水解时存在水溶性差的问题，因此在本发明中添加醇类溶剂以提高硅烷的水溶性和稳定性。其中优选为乙醇、丙三醇和异丙醇。

同时，本发明中选用硅烷水解条件要求PH≤7酸性条件下水解，因此在本发明中添加酸调节PH值。适合本发明的酸包括：乙酸、磷酸、植酸、柠檬酸，单宁酸以及硫酸。其中最优选的是乙酸。

本文所讨论的硅烷处理剂在较宽的浓度范围都能起到良好的处理效果，但优选的硅烷品种与重量比浓度范围为：

乙烯基三乙氧基硅烷：1％-3％    氨丙基三乙氧基硅烷：1％-2％

丙基三乙氧基硅烷：0％-1％      异氰酸丙基三乙氧基硅烷：0.5％-1.5％

乙醇：4％-8％                  乙酸：0.4％-1.2％

其余是去离子水。

本发明的配制方法为：在容器中先加入2/3体积的去离子水，加入计算量的乙酸以及乙醇，依次边搅拌边加入计算量的丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、异氰酸丙基三乙氧基硅烷，每加一种物质都必须充分搅拌，使其彻底混合均匀后方可再加下一种物质，最后加去离子水到规定体积，并用酸化验调整PH值后即可投入使用。

本发明的工艺参数为：

使用温度：0-45℃PH        值：5.0-6.5点

电导率：500-2000μS/cm    处理时间：5-120秒

金属基材经预处理(喷砂、脱脂、除锈、冲洗)后用本发明对工件进行表面处理，膜外观颜色随金属基材的成分区别呈现不同颜色。膜厚与处理时间无关，而是随硅烷浓度增加而增大。在静电喷涂后涂膜附着力方面，硅烷处理工件表现明显优于磷化处理工件。

该处理液工艺范围较宽，节约能源，无沉渣，与静电粉末喷涂具有优良配套性。槽液稳定，通过补加可长期连续使用。并可共线处理铁件、镀锌件，铝件及铝合金等多种基材，能显著提高粉末涂料与金属基材的附着力。

具体实施方法

实施实例一：

取700g去离子水，取4g乙酸，40g乙醇，加入到去离子水中，充分搅拌混合均匀；取10g乙烯基三乙氧基硅烷，加入去离子水中，充分搅拌混合；取10g氨丙基三乙氧基硅烷，加入水中，充分搅拌均匀；取5g异氰酸丙基三乙氧基硅烷，加入水中，充分搅拌均匀；补水至1000g。利用该复合处理液对铁件、锌件和铝件进行表面处理，浸渍、喷淋、滚涂均可，硅烷膜颜色均匀，静电粉末喷涂后涂层附着力表现良好。

实施实例二：

取700g去离子水，取8g乙酸，60g乙醇，加入到去离子水中，充分搅拌混合均匀；取5g丙基三乙氧基硅烷，加入水中，充分搅拌均匀；取20g乙烯基三乙氧基硅烷，加入去离子水中，充分搅拌混合；取15g氨丙基三乙氧基硅烷，加入水中，充分搅拌均匀；取10g异氰酸丙基三乙氧基硅烷，加入水中，充分搅拌均匀；补水至1000g。利用该复合处理液对铁件、锌件和铝件进行表面处理，浸渍、喷淋、滚涂均可，硅烷膜颜色均匀，静电粉末喷涂后涂层附着力表现良好。

实施实例三：

取700g去离子水，取12g乙酸，80g乙醇，加入到去离子水中，充分搅拌混合均匀；取10g丙基三乙氧基硅烷，加入水中，充分搅拌均匀；取30g乙烯基三乙氧基硅烷，加入去离子水中，充分搅拌混合；取20g氨丙基三乙氧基硅烷，加入水中，充分搅拌均匀；取15g异氰酸丙基三乙氧基硅烷，加入水中，充分搅拌均匀；补水至1000g。利用该复合处理液对铁件、锌件和铝件进行表面处理，浸渍、喷淋、滚涂均可，硅烷膜颜色均匀，静电粉末喷涂后涂层附着力表现良好。

Claims (7)

1.一种金属静电粉末喷涂前处理工艺方法，工艺流程包括①脱脂；②水洗；④硅烷处理；④烘干；⑤粉末喷涂；⑥烘干。其中硅烷处理剂其特征是以有机硅烷、乙酸以及乙醇为主要原料的金属静电粉末喷涂前处理药剂，其成分组成重量比为：

乙烯基三乙氧基硅烷：1％-3％  氨丙基三乙氧基硅烷：1％-2％

丙基三乙氧基硅烷：0％-1％    异氰酸丙基三乙氧基硅烷：0.5％-1.5％

乙醇：4％-8％                乙酸：0.4％-1.2％

其余是去离子水。

2.本发明适用处理的金属包括：冷轧钢、热轧钢、镀锌钢、铝及铝合金。

3.根据权利要求1所述的硅烷处理剂，其特征在于该硅烷处理剂的组分中的乙烯基三乙氧基硅烷可用结构通式如下乙烯基硅烷代替。

式中R₁、R₂、R₃取自C₁-C₄烷基，R₁、R₂、R₃要求相同数量烷基取代基。R₄取自C₀-C₆烷基。

4.根据权利要求1所述的硅烷处理剂，其特征在于该硅烷处理剂的组分中的氨丙基三乙氧基硅烷可用结构通式如下氨基硅烷代替。

式中R₁、R₂、R₃取自C₁-C₄烷基，R₁、R₂、R₃要求相同数量烷基取代基。R₄取自C₁-C₆烷基。

5.根据权利要求1所述的硅烷处理剂，其特征在于该硅烷处理剂的组分中的丙基三甲氧基硅烷可用结构通式如下三烷氧基硅烷代替。

式中R₁、R₂、R₃取自C₁-C₄烷基，R₁、R₂、R₃要求相同数量烷基取代基。R₄取自C₃-C₆烷基。

6.根据权利要求1所述的硅烷处理剂，其特征在于该硅烷处理剂的组分中的异氰酸丙基三乙氧基硅烷可用结构通式如下异氰酸基硅烷代替。

式中R₁、R₂、R₃取自C₁-C₄烷基，R₁、R₂、R₃要求相同数量烷基取代基。R₄取自C₃-C₆烷基。

7.根据权利要求1所述的硅烷处理剂，其特征在于该硅烷处理剂的组分中的乙醇可用丙三醇或异丙醇代替。

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