CN105803440A - 一种碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂、制备方法及金属表面预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂、制备方法及金属表面预处理方法，表面预处理剂质量百分比构成为，硅烷偶联剂0.6‑1.2%；氟锆酸2.43‑4.725%；元明粉0.4‑0.8%；柠檬酸钠0.2‑1.2%；硼砂0.2‑0.8%；片碱0.1‑0.2%；镁盐9‑18%；铝盐1‑4%；乙醇3‑6%；其余为去离子水。本处理剂节能环保，工艺简单，成本低，适合碳钢、锌材、热镀锌板、电镀锌板和铝及铝合金材料的涂装前预处理，且可同槽处理，能有效增强涂层与基材的结合力，提升涂层体系的耐蚀性。

Description

一种碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂、制备方法及金属 表面预处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属表面防腐处理，具体涉及一种能同槽处理碳钢、镀锌板、铝及铝合 金的预处理剂、制备方法及金属表面预处理方法，适用于金属产品的各种工业领域，如汽 车、家电、工程机械等，属于金属涂装前预处理方法。

背景技术

[0002] 金属材料因其优越的性能，广泛的应用于生活、生产、军事等各个领域。然而，除少 数贵金属外，绝大多数金属容易被工作环境腐蚀，金属材料的腐蚀给国民经济、生产安全、 环境保护等方面带来了巨大的影响。有机涂层是金属防腐蚀最有效的方法之一，目前家用 电器、汽车行业、工程机械业、交通运输、建筑行业等均主要采用有机涂层作为防腐蚀措施。 但有机涂层大多数为高聚物，如直接涂装在金属表面，粘接性较差。另外，脱脂后金属表面 极易被氧化，生产过程中如不进行防护，工序间生产的氧化膜会影响涂层体系的耐久性能。 为暂时防锈，增强基材与有机涂层的粘结性能，基材在涂覆有机涂层前一般要先进行预处 理(又称为涂装前处理）。

[0003] 最早的金属预处理工艺-铬酸盐钝化工艺简单，适应多种金属，效果好，但由于六 价铬致癌且对环境有持久的危害性，世界各国对铬特别是六价铬的使用进行了严格的控 制。磷化是目前金属预处理使用最为普遍的工艺，磷化形成晶体型膜层，厚度2_8μπι，比表面 积大，能起到暂时防锈、增强涂层附着力和提高涂层体系耐蚀性能的作用。但是磷化工艺存 在环境污染严重(含重金属211 2+、附2+、1112+，致癌物质勵2-，含磷废水）、操作复杂（需要表调工 序，需控制总酸、游离酸，促进剂），选择性高，不能同槽处理多种金属等问题。

[0004] 随着人们环保意识的增强和环保法规的日渐严格，铬酸盐钝化、磷化工艺的使用 受到了极大的限制，研究开发同时适应多种金属的环保型预处理工艺代替磷化已迫在眉 睫。近年来发展起来的硅锆系列预处理液因其环境友好、工艺简单、能耗低被认为是最有可 能代替铬酸盐钝化和磷化的预处理工艺。但现有的硅锆技术仍然存在以下缺陷：槽液稳定 性能不好;形成的表面膜耐蚀性能低;适用性不强，不能同时处理多种金属。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种可以同槽处理碳钢、 镀锌板、铝材的表面预处理剂。本处理剂节能环保，工艺简单，成本低，适合碳钢、锌材、热镀 锌板、电镀锌板和铝及铝合金材料的涂装前预处理，且可同槽处理，能有效增强涂层与基材 的结合力，提升涂层体系的耐蚀性。

[0006] 本发明还同时提供了该处理剂的制备方法及金属表面预处理方法。

[0007] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 一种碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂，由如下质量百分比的各组分构成，硅烷偶 联剂0 · 6-1 · 2%;氟锆酸2 · 43-4 · 725%;元明粉0 · 4-0 · 8%;柠檬酸钠0 · 2-1 · 2%;硼砂0 · 2-0 · 8%; 片喊0.1-〇. 2%:镑盐9-18%:错盐1 -4%：乙醇3-6%;其余为去尚子水。

[0008] 所述的硅烷偶联剂为γ -氨丙基三乙氧硅烷、γ -缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷 中的至少一种物质。

[0009] 所述镁盐为硫酸镁或硝酸镁中的一种或两种的混合物。

[0010] 所述铝盐为硫酸铝或硝酸铝中的一种或两种的混合物。

[0011] 各组分优选的质量百分比构成为，娃烷偶联剂1%;氟锆酸2.475%;元明粉0.4%;梓 檬酸钠〇. 2%;硼砂0.5%;片碱0.1%;镁盐9%;铝盐1%;乙醇5%;去离子水80.325%。

[0012] 一种碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂的制备方法，制备步骤如下， (1) 按前述的碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂构成进行各组分备料;其中去离子 水分为三份，第一份为去离子水总质量的60%-70%，第二份为去离子水总质量的10-20%，其 余的构成第三份； (2) 将乙醇投入反应釜中，然后缓慢向反应釜中加入硅烷偶联剂，边加入边搅拌，得溶 液I; (3) 用部分氟锆酸调节第一份去离子水至pH值为3-5,并将其倒入溶液I中，在温度25-35°C下搅拌6-8小时，得溶液Π ; (4) 搅拌下，依次缓慢加入其余的氟锆酸、元明粉、柠檬酸钠、硼砂、镁盐和铝盐，得溶液 ΠΙ; (5) 将片碱加入第二份去离子水中得碱液，再将该碱液在搅拌下缓慢加入溶液m中，最 后将第三份去离子水加入，搅拌均匀即得碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂。

[0013] 步骤(4)在加入后一种组分时，需要待前一种组分加入形成的溶液澄清。

[0014] 金属表面预处理方法，其处理步骤依次为脱脂、水洗、酸洗或活化、水洗、喷淋或 浸入表面预处理液、水洗、纯水洗、烘干、喷涂或电泳或喷粉，所述表面预处理液由表面预处 理剂和水构成，表面预处理液的PH值为3.8-4.8,其中表面预处理剂为前述的碳钢、镀锌板、 铝材同槽表面预处理剂;如果为喷淋，则喷淋时间2-3分钟，喷淋压力0.5-1.5bar，如果为浸 泡，则浸泡时间5-8分钟;温度15-40 °C。

[0015] 喷淋或浸入表面预处理液环节中的金属为碳钢、镀锌板和铝材中的一种、两种或 者三种。

[0016] 当铁份点值大于0.25时，表面预处理液即失效，需换槽;其中铁份点值按如下方法 测定：用移液管取表面预处理液IOml于三角瓶中，滴加5ml硫酸（1+1)，用0.18当量的高锰酸 钾滴定至溶液呈现桃红色不消失为终点，此时消耗的高锰酸钾毫升数即为铁份点值。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： (1)本发明所用的原料均为常用物质，无磷、无重金属、无 B0D/C0D排放，完全符合欧盟 ROHS环保指令和REACH标准。

[0018] (2 )该转化液可同时处理钢铁、锌材、热镀锌板、电镀锌板和铝材等材料，在金属表 面形成膜厚为50-200纳米的黄色到蓝色的转换膜，膜层耐蚀性能好，后续可配套喷漆、喷 粉、电泳等，能有效提升漆膜层在金属表面的附着力。

[0019] (3)本发明所用的工艺简单，无需表调和封闭，处理过程中只需控制pH值;常温处 理，无需加热，能耗低。

附图说明

[0020] 图1-镀膜前后的碳钢表面形貌图（左未镀膜，右边为镀膜后）。

[0021] 图2-镀膜前后的镀锌板表面形貌图（左未镀膜，右边为镀膜后）。

[0022] 图3-镀膜前后的铝片表面形貌图（左未镀膜，右边为镀膜后）。

[0023]图4-镀膜前后表面的扫描电镜图（左为碳钢，中为镀锌板，右为铝片）。

具体实施方式

[0024]本发明碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂，由如下质量百分比的各组分构成， 硅烷偶联剂0.6-1.2%;氟锆酸2.43-4.725%(工业上通常采用质量百分浓度45%的氟锆酸，按 此换算，那么45%的氟锆酸含量为5.4-10.5，其他浓度同理换算即可）；元明粉0.4-0.8%;柠 檬酸钠〇. 2-1.2%;硼砂0.2-0.8%;片碱0.1-0.2%;镁盐9-18%;铝盐1-4%;乙醇3-6%;其余为去 呙子水。

[0025] 其中硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧硅烷(KH550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧 基硅烷(ΚΗ560)中的一种或两种的混合物。

[0026]其中镁盐为硫酸镁或硝酸镁中的一种或两种的混合物;铝盐为硫酸铝或硝酸铝中 的一种或两种的混合物。

[0027]各组分优选的质量百分比构成为，硅烷偶联剂1%;氟锆酸2.475%;元明粉0.4%;柠 檬酸钠〇. 2%;硼砂0.5%;片碱0.1%;镁盐9%;铝盐1%;乙醇5%;去离子水80.325%。

[0028]上述碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂的制备方法，步骤如下， (1) 按碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂构成进行各组分备料;其中去离子水分为 三份，第一份为去离子水总质量的60%-70%，第二份为去离子水总质量的10-20%，其余的构 成第三份；第一份水主要是加入到溶液I后，提供酸性条件，有利于硅烷水解;第二份水用 于稀释片碱，避免浓度太高的片碱加入后产生沉淀； (2) 将乙醇投入反应釜中，然后缓慢向反应釜中加入硅烷偶联剂，边加入边搅拌，得溶 液I; (3) 用部分氟锆酸调节第一份去离子水至pH值为3-5,并将其倒入溶液I中，在温度25-35°C下搅拌6-8小时，得溶液Π ; (4) 搅拌下，依次缓慢加入其余的氟锆酸、元明粉、柠檬酸钠、硼砂、镁盐和铝盐，得溶液 ΠΙ; (5) 将片碱加入第二份去离子水中得碱液，再将该碱液在搅拌下缓慢加入溶液m中，最 后将第三份去离子水加入，搅拌均匀即得碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂。

[0029] 步骤(4)在加入后一种组分时，需要待前一种组分加入形成的溶液澄清，即搅拌下 缓慢加入其余氟锆酸;缓慢加入元明粉搅拌至澄清;缓慢加入柠檬酸钠搅拌至澄清;缓慢加 入硼砂搅拌至澄清;缓慢加入镁盐搅拌至澄清;缓慢加入铝盐搅拌至澄清。形成澄清溶液即 要求加入的组分完全溶解，如果前面不能完全溶解，后续很难再溶。

[0030] 金属表面预处理方法，其处理步骤依次为:脱脂、水洗、酸洗(活化）、水洗、喷淋或 浸入表面预处理液、水洗、纯水洗、烘干、喷涂或电泳或喷粉。所述表面预处理液由表面预处 理剂和水构成，其中表面预处理剂为本发明提供的碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂。 表面预处理液浓度为5%，pH值为3.8-4.8(由本发明的表面预处理剂或10%的氢氧化钠溶液 调节槽液PH值至该范围内）。配槽时，先在槽中加去离子水至规定容积的70%处(若采用自来 水配槽须满足导电率< 200uS/cm)，边搅拌边加入本发明的表面预处理剂，搅拌至均匀；加 水稀至容积即可。

[0031] 本发明可实现多金属同槽同时处理，即喷淋或浸入表面预处理液环节中的金属可 以为碳钢、镀锌板和铝材中的一种、两种或者三种。

[0032] 为了实现更好的多金属同槽处理效果，结合本发明表面预处理剂的构成，本发明 在具体参数控制上，如果为喷淋，则喷淋时间2-3分钟，喷淋压力0.5-1.5bar;如果为浸泡， 则浸泡时间5-8分钟;槽液温度15-40 °C。

[0033] 当铁份点值大于0.25时，表面预处理液即失效，需换槽;其中铁份点值按如下方法 测定：用移液管取表面预处理液IOml于三角瓶中，滴加5ml硫酸（1+1)，用0.18当量的高锰酸 钾滴定至溶液呈现桃红色不消失为终点，此时消耗的高锰酸钾毫升数即为铁份点值。

[0034]以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

[0035] 实施例1: 每1000 kg表面预处理剂，按照以下称取以下原料： KH550 IOkg，45%氟错酸85kg，元明粉6kg，朽1檬酸钠3kg，硼砂3kg，片碱1.4kg，硫酸镁 IOOkg，硫酸铝30kg，乙醇40kg，去离子水721 · 6 kg。

[0036] 制备方法如下： 将乙醇倒入反应釜中，开启搅拌，缓慢加入IOkg KH550;用氟锆酸调节500kg去离子水 至pH值为4，并将其倒入反应釜中，控制温度25-35°C搅拌8小时;倒入其余量氟锆酸，搅拌下 加入元明粉，待溶解后加入柠檬酸钠，待溶解后加入硼砂，搅拌至溶液澄清后缓慢加入硫酸 镁和硫酸铝;取片碱溶于IOOkg去离子水中，将该碱液在搅拌下缓慢加入反应釜中，最后补 加其余121.6kg，搅拌至溶液澄清即可包装入库。

[0037] 实施例2: 每1000 kg表面预处理剂，按照以下称取以下原料： KH560 8kg，45%氟锆酸95kg，元明粉5kg，柠檬酸钠4.2kg，硼砂2.8kg，片碱1.6kg，硝酸 镁120kg，硫酸铝I Okg，乙醇36kg，去离子水717 · 4 kg。

[0038]配置方法参见实施例1。

[0039] 实施例3: 每1000 kg表面预处理剂，按照以下称取以下原料： 1«550 31^，诎560 31^;45%氟锆酸1051^，元明粉71^，柠檬酸钠41^，硼砂4.81^，片碱 1 · 8kg，硝酸镁90kg，硫酸错35kg，乙醇30kg，去离子水716 · 4kg。

[0040] 配置方法参见实施例1。

[0041] 碳钢、镀锌板、铝片在处理液中喷淋3分钟的外观如图1、2、3所示，其微观形貌如图 4所示。

[0042]其性能测试结果： (1)硫酸铜点滴试验结果如下表1所示。硫酸铜点滴参照HB5063-1996(《钢铁零件磷化 膜层质量检验》)进行。

[0043]硫酸铜点滴液成分为： 0.5mol/L CuSO4 · 5H20 40mL 10% NaCl 20mL 0.1 mol/L HCl 0.8mL 表1碳钢、镀锌板镀膜后硫酸铜点滴试验结果

(2)碳钢、镀锌板、铝片试样经实施例1处理剂处理后，用去离子水冲洗至滴水电导率小 于50yS/cm，使用PPG公司制造阴极电泳涂料进行阴极电泳处理，去离子水冲洗30s后在180 °C下干燥20min。试板性能测试结果如表2所示。

[0044] 衷2碳钢、镳锌板、铝片镳腊淦奘后件能测试结里

通]3：上还ΐ生酡测试表明，米用本友明的t贝处埋刑及处埋万'/云酡有双増强徐层与盎柯的 结合力，提升涂层体系的耐蚀性。

[0045] 本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施 方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不 同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案 所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1. 一种碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂，其特征在于：由如下质量百分比的各组 分构成，硅烷偶联剂0.6-1.2%;氟锆酸2.43-4.725%;元明粉0.4-0.8%;柠檬酸钠0.2-1.2%; 棚砂0.2 -0.8%;片喊0.1-0.2%:镑盐9-18%:错盐1 -4%：乙醇3-6%;其余为去尚子水。

2. 根据权利要求1所述的碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂，其特征在于:所述的硅 烷偶联剂为γ -氨丙基三乙氧硅烷、γ -缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的至少一种物 质。

3. 根据权利要求1所述的碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂，其特征在于:所述镁盐 为硫酸镁或硝酸镁中的一种或两种的混合物。

4. 根据权利要求1所述的碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂，其特征在于:所述铝盐 为硫酸铝或硝酸铝中的一种或两种的混合物。

5. 根据权利要求1所述的碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂，其特征在于:各组分优 选的质量百分比构成为，硅烷偶联剂1%;氟锆酸2.475%;元明粉0.4%;柠檬酸钠0.2%;硼砂 0.5%;片碱0.1%;镁盐9%;铝盐1%;乙醇5%;去离子水80.325%。

6. -种碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂的制备方法，其特征在于:制备步骤如下， (1) 按权利要求1所述的碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂构成进行各组分备料;其 中去尚子水分为三份，第一份为去尚子水总质量的60%_70%，第二份为去尚子水总质量的 10-20%，其余的构成第三份； (2) 将乙醇投入反应釜中，然后缓慢向反应釜中加入硅烷偶联剂，边加入边搅拌，得溶 液I; (3) 用部分氟锆酸调节第一份去离子水至pH值为3-5,并将其倒入溶液I中，在温度25-35°C下搅拌6-8小时，得溶液Π ; (4) 搅拌下，依次缓慢加入其余的氟锆酸、元明粉、柠檬酸钠、硼砂、镁盐和铝盐，得溶液 ΠΙ; (5) 将片碱加入第二份去离子水中得碱液，再将该碱液在搅拌下缓慢加入溶液m中，最 后将第三份去离子水加入，搅拌均匀即得碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂。

7. 根据权利要求6所述的碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂的制备方法，其特征在 于:步骤(4)在加入后一种组分时，需要待前一种组分加入形成的溶液澄清。

8. 金属表面预处理方法，其处理步骤依次为脱脂、水洗、酸洗或活化、水洗、喷淋或浸 入表面预处理液、水洗、纯水洗、烘干、喷涂或电泳或喷粉，其特征在于:所述表面预处理液 由表面预处理剂和水构成，表面预处理液的pH值为3.8-4.8，其中表面预处理剂为权利要求 1-5任一所述的碳钢、镀锌板、铝材同槽表面预处理剂;如果为喷淋，则喷淋时间2-3分钟，喷 淋压力0.5-1.5bar，如果为浸泡，则浸泡时间5-8分钟;温度15-40°C。

9. 根据权利要求8所述的金属表面预处理方法，其特征在于:喷淋或浸入表面预处理液 环节中的金属为碳钢、镀锌板和铝材中的一种、两种或者三种。

10. 根据权利要求8或9所述的金属表面预处理方法，其特征在于：当铁份点值大于0.25 时，表面预处理液即失效，需换槽;其中铁份点值按如下方法测定：用移液管取表面预处理 液10ml于三角瓶中，滴加5ml硫酸（1+1)，用0.18当量的高锰酸钾滴定至溶液呈现桃红色不 消失为终点，此时消耗的高锰酸钾毫升数即为铁份点值。