CN106283018B - 一种高温环境下阻锈用硅烷溶液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温环境下阻锈用硅烷溶液及其制备方法。包括溶液是由多种组分配制而成的混合液，每500克混合液中各组分的质量以克为单位满足：3‑(2,3‑环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，硅烷水解液，硅酸乙酯，五水偏硅酸钠，硅化镁，碳酸钠，葡萄糖酸钠，柠檬酸钠，异丙醇，余量为去离子水。本发明通过在阻锈用硅烷溶液中加入的硅酸乙酯提高了硅与碳原子连接效应，使得在金属表面生成硅烷化复合膜紧密复合；加入的硅化镁与在金属表面生成硅烷化复合膜相互复合，在硅化镁吸收热量后复合在金属表面形成的硅烷化镁复合膜，提高了金属耐高温性质，使得金属在高温环境下保持结构的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，特别是涉及一种在高温环境下的冶金成型表面进行阻锈用的硅烷溶液及其制备方法。
背景技术
钢铁材料具有很高的强度和硬度，同时具有良好的塑性和加工性，因此，它是当今世界使用量最大的一种结构材料。但是，钢铁材料无论在大气环境中长期使用或者放置，都会逐渐和周围介质发生化学作用或电化学作用，引起表面的锈蚀。轻度锈蚀可以使表面失去金属光泽，降低精度，严重时表面产生锈坑，使钢铁材料制品力学性能恶化甚至断裂，影响其使用寿命。据报道，在工业发达国家中，每年由于钢铁的腐蚀而造成的损失占国民经济总值的1.5％～4.2％；随各国不同的经济发达程度和腐蚀控制水平而异。全世界每年生产的钢铁有10％变成铁锈，30％的钢铁设备因腐蚀而损坏。
在金属表面处理领域，传统的磷酸盐转化和铬酸盐钝化表面处理技术虽然可以获得良好的效果，但处理过程中排出的废液中含有锌、锰、镍、铬等重金属离子和亚硝酸盐等致癌物质，对环境污染非常严重，而金属表面硅烷化处理技术由于不涉及危害环境的物质，生产工艺能耗低、技术应用领域广泛，被认为有望取代磷酸盐转化处理和铬酸盐钝化处理，是金属表面单独防护最新发展方向，现有的技术中硅烷溶液处理过的金属工件表面形成的膜层，密度不均匀、有空洞、裂陷、与金属体的扶着力不强。
有机硅烷水溶液为主要成分对金属或非金属材料进行表面处理的过程。硅烷化处理与传统磷化相比具有以下多个优点：无有害重金属离子，不含磷，无需加温。硅烷处理过程不产生沉渣，处理时间短，控制简便。处理步骤少，可省去表调工序，槽液可重复使用。有效提高油漆对基材的附着力。可共线处理铁板、镀锌板、铝板等多种基材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温环境下阻锈用硅烷溶液及其制备方法，通过在阻锈用硅烷溶液中加入的硅酸乙酯提高了硅与碳原子连接效应，使得在金属表面生成硅烷化复合膜紧密复合；加入的硅化镁与在金属表面生成硅烷化复合膜相互复合，在硅化镁吸收热量后复合在金属表面形成的硅烷化镁复合膜，提高了金属耐高温性质。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种高温环境下阻锈用硅烷溶液，包括溶液是由多种组分配制而成的混合液，每500克混合液中各组分的质量以克为单位满足：
3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷 9-11
硅烷水解液 1.1-1.3
硅酸乙酯 0.5-0.8
五水偏硅酸钠 30-32
硅化镁 45-49
碳酸钠 2.5-2.8
葡萄糖酸钠 2.1-2.5
柠檬酸钠 0.9-1.2
异丙醇 90-95
余量为去离子水。
进一步地，所述每500克混合液中各组分的质量以克为单位满足：
3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷 10
硅烷水解液 1.2
硅酸乙酯 0.65
五水偏硅酸钠 31
硅化镁 46
碳酸钠 2.7
葡萄糖酸钠 2.2
柠檬酸钠 1.0
异丙醇 92
余量为去离子水。
进一步地，所述硅烷水解液为由下述重量份的原料组成：尿素4-5份，苯胺甲基三乙氧基硅烷3-3.5份，碳酸钠0.3-0.4份，硅酸乙酯0.2-0.3份，五水偏硅酸钠0.5-0.6份，葡萄糖酸钠1.5-1.8份，去离子水10-15份。
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备硅烷水解液；
按以下重量份计称取原料：尿素4-5份，苯胺甲基三乙氧基硅烷3-3.5份，碳酸钠0.3-0.4份，硅酸乙酯0.2-0.3份，五水偏硅酸钠0.5-0.6份，葡萄糖酸钠1.5-1.8份，去离子水10-15份；
原料称取完毕后，先将尿素用去离子水溶解，加热至90-100℃，再加入苯胺甲基三乙氧基硅烷、五水偏硅酸钠、碳酸钠、硅酸乙酯，搅拌反应40-60分钟，降温至60-70℃，再加入葡萄糖酸钠，搅拌反应30-45分钟即得硅烷水解液；
步骤二，取制备所述高温环境下阻锈用硅烷溶液所需去离子水总量的3/5，加热至75-85℃，加入步骤一制得的硅烷水解液，加入3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、硅化镁、五水偏硅酸钠、硅酸乙酯、碳酸钠、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、异丙醇原料组分，搅拌1-2小时至充分反应；
步骤三，加入剩余的去离子水定容，混合均匀，用碳酸钠调节pH为9-10，即得所述高温环境下阻锈用硅烷溶液。
进一步地，所述步骤一中硅酸乙酯先通过异丙醇溶解，溶解过程中加热至100-170℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后使用。
进一步地，所述步骤二中硅化镁先通过葡萄糖酸钠溶解，溶解过程中加热至50-60℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后，加入步骤一制得的硅烷水解液中。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的硅烷溶液中含有两个关键的官能团——R′和Si-OR。硅烷的结构式为：R′(CH2)nSi(OR)3，其中R′是硅烷特征官能团，它能跟油漆等发生反应而结合；而Si-OR能水解生成Si-OH，Si-OH能与金属材料表面的羟基脱水缩合生成共价键。一方面：硅烷膜具有一定的防腐蚀作用；另一方面，硅烷莫改善了金属表面性能，能与油漆等防腐涂层更好的结合。
2、本发明的阻锈用硅烷溶液滩喷在金属表面生成硅烷化复合膜，该过程包括三个步骤：首先，Si-OR水解生成Si-OH；其次，硅烷中的Si-OH与金属材料表面上的Me-OH形成氢键；最后，加热固化，硅烷与金属之间形成Si-O-Me键，Si-OH则发生自我缩合反应，生成Si-O-Si键，在金属表面形成网状而致密的膜。
3、本发明的阻锈用硅烷溶液中加入的硅酸乙酯提高了硅与碳原子连接效应，使得在金属表面生成硅烷化复合膜紧密复合。
4、本发明的阻锈用硅烷溶液中加入的硅化镁与在金属表面生成硅烷化复合膜相互复合，在硅化镁吸收热量后复合在金属表面形成的硅烷化镁复合膜，提高了金属耐高温性质，使得金属在高温环境下保持结构的稳定性。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液，是由多种组分配制而成的混合液，每500克混合液中各组分的质量以克为单位满足：
3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷 10
硅烷水解液 1.2
硅酸乙酯 0.65
五水偏硅酸钠 31
硅化镁 46
碳酸钠 2.7
葡萄糖酸钠 2.2
柠檬酸钠 1.0
异丙醇 92
去离子水 215.45。
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备硅烷水解液；
按以下重量份计称取原料：尿素4.5份，苯胺甲基三乙氧基硅烷3.1份，碳酸钠0.35份，硅酸乙酯0.25份，五水偏硅酸钠0.51份，葡萄糖酸钠1.7份，去离子水12份；
原料称取完毕后，先将尿素用去离子水溶解，加热至90-100℃，再加入苯胺甲基三乙氧基硅烷、五水偏硅酸钠、碳酸钠，然后将硅酸乙酯先通过异丙醇溶解，溶解过程中加热至100-170℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后加入；搅拌反应40-60分钟，降温至60-70℃，再加入葡萄糖酸钠，搅拌反应30-45分钟即得硅烷水解液；
步骤二，取215.45g去离子水总量的3/5，加热至75-85℃，加入步骤一制得的硅烷水解液，加入3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、五水偏硅酸钠、硅酸乙酯、碳酸钠、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、异丙醇原料组分，搅拌30分钟后，再将硅化镁先通过葡萄糖酸钠溶解，溶解过程中加热至50-60℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后，加入步骤一制得的硅烷水解液中，搅拌1-2小时至充分反应；
步骤三，加入剩余的去离子水定容，混合均匀，用碳酸钠调节pH为9-10，即得所述高温环境下阻锈用硅烷溶液。
制备中各原料组分可按比例同步扩大。
实施例二
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液，是由多种组分配制而成的混合液，每500克混合液中各组分的质量以克为单位满足：
3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷 9
硅烷水解液 1.1
硅酸乙酯 0.5
五水偏硅酸钠 30
硅化镁 45
碳酸钠 2.5
葡萄糖酸钠 2.1
柠檬酸钠 0.9
异丙醇 90
去离子水 318.9。
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备硅烷水解液；
按以下重量份计称取原料：尿素4份，苯胺甲基三乙氧基硅烷3份，碳酸钠0.3份，硅酸乙酯0.2份，五水偏硅酸钠0.5份，葡萄糖酸钠1.5份，去离子水10份；
原料称取完毕后，先将尿素用去离子水溶解，加热至90-100℃，再加入苯胺甲基三乙氧基硅烷、五水偏硅酸钠、碳酸钠，然后将硅酸乙酯先通过异丙醇溶解，溶解过程中加热至100-170℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后加入；搅拌反应40-60分钟，降温至60-70℃，再加入葡萄糖酸钠，搅拌反应30-45分钟即得硅烷水解液；
步骤二，取318.9g去离子水总量的3/5，加热至75-85℃，加入步骤一制得的硅烷水解液，加入3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、五水偏硅酸钠、硅酸乙酯、碳酸钠、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、异丙醇原料组分，搅拌30分钟后，再将硅化镁先通过葡萄糖酸钠溶解，溶解过程中加热至50-60℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后，加入步骤一制得的硅烷水解液中，搅拌1-2小时至充分反应；
步骤三，加入剩余的去离子水定容，混合均匀，用碳酸钠调节pH为9-10，即得所述高温环境下阻锈用硅烷溶液。
制备中各原料组分可按比例同步扩大。
实施例三
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液，是由多种组分配制而成的混合液，每500克混合液中各组分的质量以克为单位满足：
3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷 11
硅烷水解液 1.3
硅酸乙酯 0.8
五水偏硅酸钠 32
硅化镁 49
碳酸钠 2.8
葡萄糖酸钠 2.5
柠檬酸钠 1.2
异丙醇 95
去离子水 305.7。
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备硅烷水解液；
按以下重量份计称取原料：尿素5份，苯胺甲基三乙氧基硅烷3.5份，碳酸钠0.4份，硅酸乙酯0.3份，五水偏硅酸钠0.6份，葡萄糖酸钠1.8份，去离子水15份；
原料称取完毕后，先将尿素用去离子水溶解，加热至90-100℃，再加入苯胺甲基三乙氧基硅烷、五水偏硅酸钠、碳酸钠，然后将硅酸乙酯先通过异丙醇溶解，溶解过程中加热至100-170℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后加入；搅拌反应40-60分钟，降温至60-70℃，再加入葡萄糖酸钠，搅拌反应30-45分钟即得硅烷水解液；
步骤二，取305.7g去离子水总量的3/5，加热至75-85℃，加入步骤一制得的硅烷水解液，加入3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、五水偏硅酸钠、硅酸乙酯、碳酸钠、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、异丙醇原料组分，搅拌30分钟后，再将硅化镁先通过葡萄糖酸钠溶解，溶解过程中加热至50-60℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后，加入步骤一制得的硅烷水解液中，搅拌1-2小时至充分反应；
步骤三，加入剩余的去离子水定容，混合均匀，用碳酸钠调节pH为9-10，即得所述高温环境下阻锈用硅烷溶液。
制备中各原料组分可按比例同步扩大。
实施例四
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液，是由多种组分配制而成的混合液，每500克混合液中各组分的质量以克为单位满足：
3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷 11
硅烷水解液 1.3
硅酸乙酯 0.5
五水偏硅酸钠 32
硅化镁 47
碳酸钠 2.8
葡萄糖酸钠 2.5
柠檬酸钠 1.2
异丙醇 93
去离子水 308.7。
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备硅烷水解液；
按以下重量份计称取原料：尿素5份，苯胺甲基三乙氧基硅烷3.5份，碳酸钠0.4份，硅酸乙酯0.25份，五水偏硅酸钠0.6份，葡萄糖酸钠1.7份，去离子水14份；
原料称取完毕后，先将尿素用去离子水溶解，加热至90-100℃，再加入苯胺甲基三乙氧基硅烷、五水偏硅酸钠、碳酸钠，然后将硅酸乙酯先通过异丙醇溶解，溶解过程中加热至100-170℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后加入；搅拌反应40-60分钟，降温至60-70℃，再加入葡萄糖酸钠，搅拌反应30-45分钟即得硅烷水解液；
步骤二，取308.7g去离子水总量的3/5，加热至75-85℃，加入步骤一制得的硅烷水解液，加入3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、五水偏硅酸钠、硅酸乙酯、碳酸钠、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、异丙醇原料组分，搅拌30分钟后，再将硅化镁先通过葡萄糖酸钠溶解，溶解过程中加热至50-60℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后，加入步骤一制得的硅烷水解液中，搅拌1-2小时至充分反应；
步骤三，加入剩余的去离子水定容，混合均匀，用碳酸钠调节pH为9-10，即得所述高温环境下阻锈用硅烷溶液。
制备中各原料组分可按比例同步扩大。
实施例五
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液，是由多种组分配制而成的混合液，每500克混合液中各组分的质量以克为单位满足：
3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷 10
硅烷水解液 1.3
硅酸乙酯 0.5
五水偏硅酸钠 32
硅化镁 46
碳酸钠 2.7
葡萄糖酸钠 2.2
柠檬酸钠 1.1
异丙醇 90
去离子水 314.2。
一种高温环境下阻锈用硅烷溶液的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备硅烷水解液；
按以下重量份计称取原料：尿素4.2份，苯胺甲基三乙氧基硅烷3.2份，碳酸钠0.34份，硅酸乙酯0.25份，五水偏硅酸钠0.56份，葡萄糖酸钠1.57份，去离子水13份；
原料称取完毕后，先将尿素用去离子水溶解，加热至90-100℃，再加入苯胺甲基三乙氧基硅烷、五水偏硅酸钠、碳酸钠，然后将硅酸乙酯先通过异丙醇溶解，溶解过程中加热至100-170℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后加入；搅拌反应40-60分钟，降温至60-70℃，再加入葡萄糖酸钠，搅拌反应30-45分钟即得硅烷水解液；
步骤二，取314.2g去离子水总量的3/5，加热至75-85℃，加入步骤一制得的硅烷水解液，加入3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、五水偏硅酸钠、硅酸乙酯、碳酸钠、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、异丙醇原料组分，搅拌30分钟后，再将硅化镁先通过葡萄糖酸钠溶解，溶解过程中加热至50-60℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后，加入步骤一制得的硅烷水解液中，搅拌1-2小时至充分反应；
步骤三，加入剩余的去离子水定容，混合均匀，用碳酸钠调节pH为9-10，即得所述高温环境下阻锈用硅烷溶液。
制备中各原料组分可按比例同步扩大。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (4)
1.一种高温环境下阻锈用硅烷溶液，其特征在于，所述溶液是由多种组分配制而成的混合液，每500克混合液中各组分的质量以克为单位满足：
3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷9-11
硅烷水解液1.1-1.3
硅酸乙酯0.5-0.8
五水偏硅酸钠30-32
硅化镁45-49
碳酸钠2.5-2.8
葡萄糖酸钠2.1-2.5
柠檬酸钠0.9-1.2
异丙醇90-95
余量为去离子水；
该硅烷溶液的制备方法为：
步骤一，制备硅烷水解液；按以下重量份计称取原料：尿素4-5份，苯胺甲基三乙氧基硅烷3-3.5份，碳酸钠0.3-0.4份，硅酸乙酯0.2-0.3份，五水偏硅酸钠0.5-0.6份，葡萄糖酸钠1.5-1.8份，去离子水10-15份；
原料称取完毕后，先将尿素用去离子水溶解，加热至90-100℃，再加入苯胺甲基三乙氧基硅烷、五水偏硅酸钠、碳酸钠、硅酸乙酯，搅拌反应40-60分钟，降温至60-70℃，再加入葡萄糖酸钠，搅拌反应30-45分钟即得硅烷水解液；
步骤二，取制备所述高温环境下阻锈用硅烷溶液所需去离子水总量的3/5，加热至75-85℃，加入步骤一制得的硅烷水解液，加入3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、硅化镁、五水偏硅酸钠、硅酸乙酯、碳酸钠、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、异丙醇原料组分，搅拌1-2小时至充分反应；
步骤三，加入剩余的去离子水定容，混合均匀，用碳酸钠调节pH为9-10，即得所述高温环境下阻锈用硅烷溶液。
2.根据权利要求1所述的一种高温环境下阻锈用硅烷溶液，其特征在于，所述每500克混合液中各组分的质量以克为单位满足：
3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷10
硅烷水解液1.2
硅酸乙酯0.65
五水偏硅酸钠31
硅化镁46
碳酸钠2.7
葡萄糖酸钠2.2
柠檬酸钠1.0
异丙醇92
余量为去离子水。
3.如权利要求1-2任一所述的一种高温环境下阻锈用硅烷溶液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，制备硅烷水解液；
按以下重量份计称取原料：尿素4-5份，苯胺甲基三乙氧基硅烷3-3.5份，碳酸钠0.3-0.4份，硅酸乙酯0.2-0.3份，五水偏硅酸钠0.5-0.6份，葡萄糖酸钠1.5-1.8份，去离子水10-15份；
原料称取完毕后，先将尿素用去离子水溶解，加热至90-100℃，再加入苯胺甲基三乙氧基硅烷、五水偏硅酸钠、碳酸钠、硅酸乙酯，搅拌反应40-60分钟，降温至60-70℃，再加入葡萄糖酸钠，搅拌反应30-45分钟即得硅烷水解液；
步骤二，取制备所述高温环境下阻锈用硅烷溶液所需去离子水总量的3/5，加热至75-85℃，加入步骤一制得的硅烷水解液，加入3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、硅化镁、五水偏硅酸钠、硅酸乙酯、碳酸钠、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、异丙醇原料组分，搅拌1-2小时至充分反应；
步骤三，加入剩余的去离子水定容，混合均匀，用碳酸钠调节pH为9-10，即得所述高温环境下阻锈用硅烷溶液。
4.根据权利要求3所述的一种高温环境下阻锈用硅烷溶液的制备方法，其特征在于，所述步骤二中硅化镁先通过葡萄糖酸钠溶解，溶解过程中加热至50-60℃，搅拌溶解10-20分钟后，冷却至20-25℃后，加入步骤一制得的硅烷水解液中。
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