CN102094194A

CN102094194A - 钢铁件涂装前的硅烷化处理方法

Info

Publication number: CN102094194A
Application number: CN2009102206262A
Authority: CN
Inventors: 严川伟; 张吉阜; 王福会
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明涉及钢铁件涂装前的硅烷化处理方法，特别是涉及一种便宜、操作简单、环保无污染，且有效提高钢铁件与后续有机涂层结合强度的前处理方法，解决现有技术中存在的钢铁件与涂层的粘接问题。该方法包括首先对钢铁件进行表面打磨、抛光、脱脂等预处理；然后对脱脂后的工件进行硅烷化处理，在工件表面获得的硅烷膜具有与涂料相匹配的环氧基、氨基等官能团成分。本发明通过硅烷化处理后可实现后续涂层与钢铁件的化学键合，提高涂层结合力，并且处理过程无渣，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。

Description

钢铁件涂装前的硅烷化处理方法

技术领域：

本发明涉及钢铁件涂装前的硅烷化处理方法，特别是涉及一种便宜、操作简单、环保无污染，且有效提高钢铁件与后续有机涂层结合强度的前处理方法。

背景技术：

钢结构和构件被广泛应用于国民经济各个领域，钢的腐蚀会带来巨大的经济损失。有机涂层/涂料是最常用的钢防腐技术手段，在长期的使用过程中，有机涂层的防护性能一方面取决于涂层本身的抗腐蚀能力，另一方面取决于涂层与钢铁件的界面粘结性能，以防止涂层出现脱皮与鼓泡现象。

为提高钢铁件与(环氧)涂层的粘接强度，通常在涂装前需要对钢铁件进行前处理。传统的表面前处理方法有物理方法(如喷砂)和化学方法(如酸洗、磷化、铬酸盐钝化)。但是通过这些表面前处理后涂层与工件的界面结合方式通常为物理吸附，在长期的使用过程中，尤其是在湿性条件下，涂层很容易与基体分离而失去防护效果。并且这些处理方法普遍存在耗水量大、废物排放多、污染环境和处理费用高等缺点。

近年来，硅烷作为胶黏剂被广泛应用于玻璃或陶瓷强化高聚复合材料中，能有效提高有机材料与无机材料之间的结合强度，且其具有工艺过程简单、适用范围广、成本低，逐渐成为研究热点。

发明内容：

本发明的主要目的在于提供一种钢铁件涂装有机涂层的前处理方法，解决现有技术中存在的钢铁件与涂层的粘接问题。这种方法经济便宜，操作简单，环保，不污染环境，有效提高了涂层与钢铁件的附着力。

本发明是通过下列技术方案来实施的：

1.工艺流程

打磨、喷砂、抛光→脱脂→水洗→浸硅烷溶液→晾干/烘干→喷刷(环氧)涂料。

2.工艺规范

2.1打磨、喷砂、抛光

打磨、喷砂、抛光的目的是为了去除工件表面的粗糙物、毛刺和粘结物，细化工件表面，提高工件表面的光洁度。

2.2脱脂

脱脂的目的是去除钢铁件表面的油污，使工件表面洁净，以避免表面油脂对后续工序的不利影响。脱脂的方法可采用碱性化学除油，也可用丙酮等有机溶剂在超声波下除油。通常采用如下化学脱脂液进行脱脂处理：

NaOH 50-100g/L；

Na₂CO₃ 20-60g/L；

Na₃PO₄·12H₂O 15-30g/L；

Na₂SiO₃ 5-15g/L；

水余量。

温度 80-90℃；

时间以除尽为止。

2.3浸硅烷溶液

浸入硅烷溶液后，钢铁件表面富含-CHCH₂O或-NH₂基团，与涂料中的基团相匹配，固化过程中发生交联反应而有效提高了涂层与钢铁件的粘结强度。对于环氧涂料，可采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)硅烷偶联剂作为处理溶液，按重量百分比计，其配方如下：

KH560 5-20％(优选为8-12％)；

去离子水 1-20％(优选为5-10％)；

无水甲醇余量。

温度室温；

水解时间 0.5-4小时；

pH(甲酸调整) 4.0-5.5；

对于以胺类为固化剂的涂料体系，也可采用氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)硅烷偶联剂作为处理溶液，按重量百分比计，其配方如下：

KH550 2-20％(优选为2-8％)；

去离子水 0.25-20％(优选为1-10％)；

无水乙醇余量。

温度室温；

水解时间 2-10小时；

pH(乙酸调整) 3.5-5.5；

本发明具有以下有益效果：

1、本发明首先对钢铁件进行表面打磨、抛光、脱脂等预处理，然后对脱脂后的工件进行硅烷化处理，通过硅烷化前处理，钢铁表面形成了硅烷膜，在工件表面获得的硅烷膜具有与涂料相匹配的环氧基、氨基等官能团成分，大大增强了与后续环氧涂层的结合强度，有利于提高涂层的耐腐蚀性能与抗老化性能，而且整个工艺过程具有操作简单，成本低廉，无污染等特点。

2、本发明通过硅烷化处理后可实现后续涂层与钢铁件的化学键合，提高涂层结合力，并且处理过程无渣，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。

3、本发明可作为船用钢、桥梁用钢、碳素钢以及生铁等类型钢铁材料表面涂装前的前处理方法。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

1.材料准备：Q235钢片，采用常规的打磨、喷砂、抛光，打磨用干式喷砂机对钢铁件表面进行喷砂处理，抛光用水磨抛光机对试样表面进行打磨处理，SiC砂纸打磨至600#。

2.脱脂：NaOH 50g/L，Na₂CO₃ 25g/L，Na₃PO₄·12H₂O 30g/L，Na₂SiO₃ 12g/L，余量为水，温度80-90℃，时间以油除尽为止，脱脂后试片用自然水冲洗干净，再用去离子水冲洗干净。

3.浸硅烷溶液：硅烷溶液由偶联剂KH560、去离子水与无水甲醇的按重量比12∶16∶72配制。首先将无水甲醇与去离子水配制成醇-水溶液，加入甲酸调整pH至4.5-5.5，搅拌下加入偶联剂KH560，水解半小时后即成硅醇溶液。将试片浸入硅醇溶液中0.5-2分钟后取出，自然晾干。

4.烘干：在120℃下将浸入硅烷溶液后的试片烘干1小时，获得的硅烷膜无色透明。

5.涂覆环氧树脂：环氧树脂(E-44)与聚酰胺(650)按重量比5∶4混合后涂覆于试片，100℃下烘干2小时后固化。

未经过硅烷化处理的试片环氧涂层与基体的结合强度为26.3MPa，经过硅烷处理后结合强度为37.8MPa，结合力提高了1.44倍。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

1.材料准备：A32钢片，采用常规的打磨、喷砂、抛光，SiC砂纸打磨至600#。

2.脱脂：NaOH 100g/L，Na₂CO₃ 60g/L，Na₃PO₄·12H₂O 15g/L，Na₂SiO₃ 15g/L，余量为水，温度80-90℃，时间以油除尽为止，脱脂后试片用自然水冲洗干净，再用去离子水冲洗干净。

3.浸硅烷溶液：硅烷溶液由偶联剂KH560、去离子水与无水甲醇的按重量比5∶10∶85配制。首先将无水甲醇与去离子水配制成醇-水溶液，加入甲酸调整pH至4.5-5.5，搅拌下加入偶联剂KH560，水解1小时后即成硅醇溶液。将试片浸入硅醇溶液中0.5-2分钟后取出，自然晾干。

未经过硅烷化处理的试片环氧涂层与基体的结合强度为25.1MPa，经过硅烷处理后结合强度为34.6MPa，结合力提高了1.38倍。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

1.材料准备：Q235q钢片，采用常规的打磨、喷砂、抛光，SiC砂纸打磨至600#。

2.脱脂：NaOH 60g/L，Na₂CO₃ 20g/L，Na₃PO₄·12H₂O 20g/L，Na₂SiO₃ 5g/L，余量为水，温度80-90℃，时间以油除尽为止，脱脂后试片用自然水冲洗干净，再用去离子水冲洗干净。

3.浸硅烷溶液：硅烷溶液由偶联剂KH550、去离子水与无水乙醇的按重量比2∶5∶93配制。首先将无水乙醇与去离子水配制成醇-水溶液，加入乙酸调整pH至3.5-5.0，搅拌下加入偶联剂KH550，水解2小时后即成硅醇溶液。将试片浸入硅醇溶液中0.5-2分钟后取出，自然晾干。

4.烘干：在100℃下将浸入硅烷溶液后的试片烘干1小时，获得的硅烷膜无色透明。

5.涂覆环氧树脂：环氧树脂(E-44)与聚酰胺(650)按重量比5∶4混合后涂覆于试片，80℃下烘干2小时后固化。

未经过硅烷化处理的试片环氧涂层与基体的结合强度为20.7MPa，经过硅烷处理后结合强度为29.5MPa，结合力提高了1.42倍。

实施例4

与实施例1不同之处在于：

1.材料准备：Q12生铁片，采用常规的打磨、喷砂、抛光，SiC砂纸打磨至600#。

2.脱脂：NaOH 70g/L，Na₂CO₃ 40g/L，Na₃PO₄·12H₂O 25g/L，Na₂SiO₃ 10g/L，余量为水，温度80-90℃，时间以油除尽为止，脱脂后试片用自然水冲洗干净，再用去离子水冲洗干净。

3.浸硅烷溶液：硅烷溶液由偶联剂KH550、去离子水与无水乙醇的按重量比8∶20∶72配制。首先将无水乙醇与去离子水配制成醇-水溶液，加入乙酸调整pH至3.5-5.0，搅拌下加入偶联剂KH550，水解4小时后即成硅醇溶液。将试片浸入硅醇溶液中0.5-2分钟后取出，自然晾干。

未经过硅烷化处理的试片环氧涂层与基体的结合强度为23.7MPa，经过硅烷处理后结合强度为33.1MPa，结合力提高了1.4倍。

实施例5

与实施例1不同之处在于：

1.材料准备：Q235碳素钢片，采用常规的打磨、喷砂、抛光，SiC砂纸打磨至600#。

2.脱脂：NaOH 80g/L，Na₂CO₃ 50g/L，Na₃PO₄·12H₂O 25g/L，Na₂SiO₃ 8g/L，余量为水，温度80-90℃，时间以油除尽为止，脱脂后试片用自然水冲洗干净，再用去离子水冲洗干净。

3.浸硅烷溶液：硅烷溶液由偶联剂KH560、去离子水与无水甲醇的按重量比15∶4∶81配制。首先将无水甲醇与去离子水配制成醇-水溶液，加入甲酸调整pH至4.5-5.5，搅拌下加入偶联剂KH560，水解4小时后即成硅醇溶液。将试片浸入硅醇溶液中0.5-2分钟后取出，自然晾干。

5.涂覆环氧树脂：环氧树脂(E-44)与聚酰胺(650)按重量比5∶4混合后涂覆于试片，120℃下烘干2小时后固化。

未经过硅烷化处理的试片环氧涂层与基体的结合强度为24.1MPa，经过硅烷处理后结合强度为35.7MPa，结合力提高了1.48倍。

实施例6

与实施例1不同之处在于：

2.脱脂：NaOH 90g/L，Na₂CO₃ 30g/L，Na₃PO₄·12H₂O 20g/L，Na₂SiO₃ 12g/L，余量为水，温度80-90℃，时间以油除尽为止，脱脂后试片用自然水冲洗干净，再用去离子水冲洗干净。

3.浸硅烷溶液：硅烷溶液由偶联剂KH550、去离子水与无水乙醇的按重量比2∶10∶88配制。首先将无水乙醇与去离子水配制成醇-水溶液，加入乙酸调整pH至3.5-5.0，搅拌下加入偶联剂KH550，水解10小时后即成硅醇溶液。将试片浸入硅醇溶液中0.5-2分钟后取出，自然晾干。

未经过硅烷化处理的试片环氧涂层与基体的结合强度为22.5MPa，经过硅烷处理后结合强度为30.4MPa，结合力提高了1.35倍。

Claims

1.一种钢铁件涂装前的硅烷化处理方法，其特征在于，首先对钢铁件进行表面打磨、抛光和脱脂预处理，其次对脱脂后的工件进行硅烷化处理，通过硅烷化表面改性后，在工件表面获得与涂料相匹配的环氧基或氨基官能团成分。

2.根据权利要求1所述的钢铁件涂装前的硅烷化处理方法，其特征在于，打磨用干式喷砂机对钢铁件表面进行喷砂处理，抛光用水磨抛光机对试样表面进行打磨处理。

3.根据权利要求1所述的钢铁件涂装前的硅烷化处理方法，其特征在于，脱脂用的脱脂液采用化学脱脂液，配方为：NaOH 50-100g/L，Na₂CO₃ 20-60g/L，Na₃PO₄ 12H₂O 15-30g/L，Na₂SiO₃ 5-15g/L，余量为水；脱脂温度为80-90℃，时间以除尽为止。

4.根据权利要求1所述的钢铁件涂装前的硅烷化处理方法，其特征在于，所硅烷化表面改性时，采用的硅烷偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷KH550或γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷KH560。

5.根据权利要求4所述的钢铁件涂装前的硅烷化处理方法，其特征在于，采用硅烷偶联剂KH550的配方为：按重量百分比计，硅烷5-20％，去离子水0.25-20％，其余为无水乙醇；溶液pH值采用乙酸调整为3.5-5.5，处理温度为室温，水解时间为2-10小时。

6.根据权利要求4所述的钢铁件涂装前的硅烷化处理方法，其特征在于：采用硅烷偶联剂KH560的配方为：按重量百分比计，硅烷2-20％，去离子水1-20％，其余为无水甲醇；溶液pH值采用甲酸调整为4.0-5.5，处理温度为室温，水解时间为0.5-4小时。

7.根据权利要求5或6所述的钢铁件涂装前的硅烷化处理方法，其特征在于，采用浸渍法涂覆硅烷溶液，工件或试片的浸渍时间为0.5-5分钟，取出晾干后进行烘干，烘干温度为50-200℃，烘干时间为0.5-2小时。