CN109338348B - 一种无磷水性金属硅烷处理剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无磷水性金属硅烷处理剂及其制备方法，所述处理剂包括：至少一种可水解的具有半胱氨酸基团的第一硅烷；至少一种可水解的不具有半胱氨酸基团的第二硅烷；至少一种金属螯合剂；至少一种聚合物；和至少一种水性溶剂。本发明的处理剂具有无磷、水性和环保的特点，可用于金属表面处理，在金属表面形成高附着力的膜，并且为金属表面提供优秀的防锈性、耐蚀性和耐盐雾性。

Description

一种无磷水性金属硅烷处理剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面处理领域，特别涉及一种无磷水性金属硅烷处理剂。
背景技术
在金属表面处理领域中，传统的磷酸盐转化和铬酸盐钝化表面处理等技术处理效果较好，但其中含有可能危害环境的锌、锰、镍等重金属离子和大量的磷。硅烷处理剂通常含有硅烷化合物R′(CH2)nSiX3，其中X是可水解基团，R′是有机官能团。硅烷在水溶液水解生成至多三个-SiOH基团，其中部分-SiOH基团可与金属表面的M-OH基团(M：表示金属)发生缩水反应而生成Si-O-M键，从而牢固地吸附于金属表面，而剩余的-SiOH基团会发生硅烷分子之间的缩聚反应而在金属表面形成具有Si-O-Si键的三维网状结构的硅烷膜，从而对金属起到保护作用。硅烷处理技术不涉及危害环境的物质，无需加热，具有生产工艺能耗低、技术应用领域广泛、不产生沉渣、处理时间短、控制简便的优点。然而，仍然需要具有更好的成膜性、防锈性、耐蚀性和附着性的无磷水性金属硅烷处理剂。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种无磷水性金属硅烷处理剂以解决前述现有技术中的问题。具体而言，本发明提供以下技术方案。
在一个方面，本发明提供一种无磷水性金属硅烷处理剂，包括
(a)1-9重量份的至少一种可水解的和/或至少可部分水解的具有半胱氨酸基团的第一硅烷；
(b)1-9重量份的至少一种可水解的和/或至少可部分水解的不具有半胱氨酸基团的第二硅烷；
(c)0.5-5重量份的至少一种金属螯合剂；
(d)1-10重量份的至少一种聚合物；和
(e)50-100重量份的至少一种水性溶剂。
所述第一硅烷和第二硅烷通常具有通式R′(CH2)nSiX3，其中X是可水解基团，R′是有机官能团，所述水解是指硅烷在水溶液中水解生成一个至三个硅羟基(-SiOH)的反应。
在一些情况下，组分(a)的第一硅烷选自结构式(1)至(4)的化合物中的一个或多个：
组分(a)还任选地包括以下式(5)和式(6)化合物中的一个或多个，
其中，X为烷氧基、烷酰氧基和卤素，所述烷氧基选自甲氧基、乙氧基和异丙氧基，所述烷酰氧基选自甲酰氧基和乙酰氧基，所述卤素选自氯和溴。
作为例子，式(1)至式(6)化合物可以参考CN102527357B的方法制备。
在一些情况下，组分(b)中的第二硅烷包括选自以下化合物中的一个或多个：含氟硅烷、环氧丙氧基烷基三烷氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基烷基三烷氧基硅烷、氨烷基氨烷基烷基二烷氧基硅烷、(环氧环烷基)烷基三烷氧基硅烷、双-(三烷氧基甲硅烷基烷基)胺、双-(三烷氧基甲硅烷基)乙烷、(环氧烷基)三烷氧基硅烷、氨烷基三烷氧基硅烷、脲基烷基三烷氧基硅烷、N-(三烷氧基甲硅烷基烷基)亚烷基二胺、N-(氨烷基)氨烷基三烷氧基硅烷、N-(三烷氧基甲硅烷基烷基)二亚烷基三胺、多(氨烷基)烷基二烷氧基硅烷、三(三烷氧基甲硅烷基)烷基的异氰脲酸酯、脲基烷基三烷氧基硅烷和乙酰氧基硅烷，其中所述烷基选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基和异丁基，所述亚烷基选自亚甲基和亚乙基，所述烷氧基选自甲氧基、乙氧基和异丙氧基。
在一些情况下，组分(b)中的第二硅烷包括选自以下化合物中的一个或多个：3-环氧丙氧基丙基三乙氧基硅烷、3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、氨乙基氨丙基甲基二乙氧基硅烷、氨乙基氨丙基甲基二甲氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)乙基三乙氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)甲基三乙氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)甲基三甲氧基硅烷、γ-(3,4-环氧环己基)丙基三乙氧基硅烷、γ-(3,4-环氧环己基)丙基三甲氧基硅烷、双(三乙氧基甲硅烷基丙基)胺、双(三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、(3,4-环氧丁基)三乙氧基硅烷、(3,4-环氧丁基)三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-脲基丙基三烷氧基硅烷、N-(3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基)亚乙基二胺、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-(γ-三乙氧基甲硅烷基丙基)二亚乙基三胺、N-(γ-三甲氧基甲硅烷基丙基)二亚乙基三胺、N-(γ-三乙氧基甲硅烷基丙基)二亚甲基三胺、N-(γ-三甲氧基甲硅烷基丙基)二亚甲基三胺、聚(氨烷基)乙基二烷氧基硅烷、聚(氨烷基)甲基二烷氧基硅烷、三(3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基)异氰脲酸酯、三(3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基)异氰脲酸酯、乙烯基三乙酰氧基硅烷、三氟丙基甲基二乙氧基硅烷、三氟丙基甲基二甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、三氟丙基三甲氧基硅烷。
在一些情况下，组分(c)的金属螯合剂选自基于乙酰丙酮酸化物、乙酰乙酸酯、丙酮酸化物、亚烷基二胺、三乙醇胺、乳酸化物、羧酸、柠檬酸化物和/或二醇的螯合剂络合物。
在一些情况下，组分(d)的聚合物选自壳聚糖、纤维素、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚乙烯基苯酚、聚乙烯基吡咯烷酮和聚天冬氨酸和其混合物，其中纤维素选自乙基纤维素和甲基纤维素。
在一些情况下，所述无磷水性金属硅烷处理剂还含有以下组分：(f)0.1-5重量份的巯基化合物，所述巯基化合物选自2-巯基乙醇、巯基乙酸、巯基乙酸钠、巯基乙酸钾及其混合物。
在一些情况下，所述无磷水性金属硅烷处理剂还含有以下组分：(g)1-9重量份的氟锆酸或氟锆酸盐，所述氟锆酸盐选自氟锆酸钠、氟锆酸钾和氟锆酸铵。
在一些情况下，所述无磷水性金属硅烷处理剂还含有以下组分：(h)0.5-5份的硝酸盐，所述硝酸盐选自硝酸钠、硝酸钾和硝酸铵。
在一些情况下，所述水性溶剂包括49-99重量份的水和1-51重量份的至少一种水溶性有机溶剂，所述水溶性有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇、乙二醇一丁基醚、乙二醇一乙醚、乙二醇一甲醚、乙二醇丙醚、乙二醇己醚、二甘醇甲醚、二甘醇乙醚、二甘醇丁醚、二甘醇己醚、丙二醇一甲醚、二丙二醇一甲醚、三丙二醇一甲醚、丙二醇一丁醚、二丙二醇一丁醚、三丙二醇一丁醚、丙二醇一丙醚、二丙二醇一丙醚、三丙二醇一丙醚、丙二醇苯醚、四氢呋喃及其混合物。
在另一个方面，本发明提供一种制备所述的无磷水性金属硅烷处理剂的方法，包括以下步骤：
步骤S100，在混合槽中将组分(a)和组分(b)加入组分(e)，搅拌下混合30-50分钟，得第一溶液；
步骤S200，向第一溶液中加入组分(c)和组分(d)，以及任选的组分(f)、组分(g)和组分(h)中的一个或多个，搅拌下混合30-50分钟，得第二溶液。
在本文中所用的术语具有其在本领域内公知的含义，然而为清楚起见，仍然给出以下定义。
术语“基本”或“基本上”并不排除“完全”的意思。如一个成分“基本上不含”Y，也可以是完全不含有Y。在限定具体数值的情况下，是指该具体数值具有以该具体数值为基础的上下浮动的范围，浮动范围可以是该具体数值的+/-5％，+/-4％，+/-3％，+/-2％，+/-1％，+/-0.5％，+/-0.2％，+/-0.1％，+/-0.05％，+/-0.01％等。如果需要，“基本”或“基本上”可以以上浮动范围代替或从本发明定义中删除。
术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”既包括提到的因素，也允许包括附加的、不确定的因素。
“大约”、“约”、“左右”在限定具体数值的情况下，是指该具体数值具有以该具体数值为基础的上下浮动的范围，浮动范围可以是该具体数值的+/-5％，+/-4％，+/-3％，+/-2％，+/-1％，+/-0.5％，+/-0.2％，+/-0.1％，+/-0.05％，+/-0.01％等。
本发明中，为简明起见而使用的数值范围不仅包括其端点值，也包括其所有的子范围和此范围内所有的单独的数值。例如，数值范围1-6不仅包括子范围，例如1-3、1-4、1-5、2-4、2-6、3-6等，也包括此范围内单独的数值，例如1、2、3、4、5、6。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的一些实施方式进行进一步的介绍，但并非意欲限制本发明的保护范围。除特别说明之外，实施例中所用试剂和设备均为常规市售产品，所用方法均为不利于内已知的常用方法。
合成例1
取3.3kg(约13.7mol)胱氨酸溶于150L 0.5mol/L的Na2CO3缓冲溶液中，然后调节pH至11.0，加至250L反应釜中，冰浴搅拌下，缓慢滴入6L(约27.4mol)γ-(2,3-环氧丙基氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH560)，滴加完毕，继续冰浴下搅拌30min，然后升温至65℃，反应24小时，反应液呈浅黄色。反应完毕，冷却至室温，用冰醋酸调节反应液pH至5.5，然后用3x150ml三氯甲烷萃取，合并有机相，无水硫酸钠脱水，真空脱除三氯甲烷后得到6.5kg产物。色谱分析表明，产物含有：9.8wt％的式(1)化合物，10.3wt％的式(2)化合物和75.2wt％的式(6)化合物，其余为多聚体和未反应的反应物等。所得产物无需进一步分离，即可作为组分(a)直接使用。
实施例1-6、对比例1-2
实施例1-6和对比例1-2的无磷水性金属硅烷处理剂的配方如下表1和表2所示。
制备实施例1-6的各个无磷水性金属硅烷处理剂的方法包括：在混合槽中将组分(a)和组分(b)加入组分(e)，搅拌下混合30-50分钟，得第一溶液；然后，向第一溶液中加入组分(c)和组分(d)，以及任选的组分(f)、组分(g)和组分(h)，搅拌下混合30-50分钟，得第二溶液，第二溶液经过滤后分装既得所述处理剂。
制备对比例1-2的各个无磷水性金属硅烷处理剂的方法包括：在混合槽中将组分(b)加入组分(e)，搅拌下混合30-50分钟，得第一溶液；然后，向第一溶液中加入组分(c)和组分(d)，以及组分(g)和组分(h)，搅拌下混合30-50分钟，得第二溶液，第二溶液经过滤后分装既得所述处理剂。
表1：实施例1-4的无磷水性金属硅烷处理剂的配方及其使用效果
表2：实施例5-6和对比例1-2处理剂的配方及其使用效果
根据表1和表2，使用添加有组分(a)的实施例1和实施例3的处理剂处理试样后的结果表明：处理后试样上形成的膜的附着力均达到了0级，试样的室内防锈期均超过了160天；而除了未添加组分(a)之外配方基本相同的对比例1和对比例2的附着力均为1级，且室内防锈期没有超过140天。可见，本发明的处理剂处理后形成的膜具有明显提高的附着力，显著改善了金属的防锈性，并且具有优良的成膜性、耐蚀性和耐盐雾性。不受任何理论的限制的限制，本发明的发明人认为组分(a)硅烷具有胱氨酸基团，其巯基可在成膜后在空气中氧化形成二硫键，从而改善了膜中三维网状结构，增加了膜的强度和致密度，因此提高了膜对金属表面的附着力，改善了防锈性。
此外，添加有含氟硅烷的实施例3的处理剂与未添加含氟硅烷的实施例1相比，室内防锈期明显较长，这可能是含氟硅烷在一定程度上改善了膜的斥水性所造成了。
成膜后，巯基化合物挥发离去，式(1)化合物中巯基在空气中逐渐氧化形成二硫键(-S-S-)，通过相互交联在膜中形成了更加致密的三维网络，由此提高了防锈性能。
本发明的处理剂具有无磷、水性和环保的特点，可用于金属表面处理，在金属表面形成高附着力的膜，并且为金属表面提供优秀的防锈性、耐蚀性和耐盐雾性。
以上通过举例说明的方式描述了本发明。但是，应当理解，本发明绝不仅仅限于这些具体实施方式。普通技术人员可以对本发明进行各种修改或变动，而这些修改和变动都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无磷水性金属硅烷处理剂，其特征在于，包括以下组分：
(a)1-9重量份的至少一种可水解的具有半胱氨酸基团的第一硅烷；
(b)1-9重量份的至少一种可水解的不具有半胱氨酸基团的第二硅烷；
(c)0.5-5重量份的至少一种金属螯合剂；
(d)1-10重量份的至少一种聚合物；和
(e)50-100重量份的至少一种水性溶剂。
2.根据权利要求1所述的无磷水性金属硅烷处理剂，其特征在于，组分(a)的第一硅烷选自结构式(1)至(4)的化合物中的一个或多个：
其中，X为烷氧基、烷酰氧基和卤素，所述烷氧基选自甲氧基、乙氧基和异丙氧基，所述烷酰氧基选自甲酰氧基和乙酰氧基，所述卤素选自氯和溴。
3.根据权利要求1或2所述的无磷水性金属硅烷处理剂，其特征在于，组分(b)中的第二硅烷包括选自以下化合物中的一个或多个：3-环氧丙氧基丙基三乙氧基硅烷、3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、氨乙基氨丙基甲基二乙氧基硅烷、氨乙基氨丙基甲基二甲氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)乙基三乙氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)甲基三乙氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)甲基三甲氧基硅烷、γ-(3,4-环氧环己基)丙基三乙氧基硅烷、γ-(3,4-环氧环己基)丙基三甲氧基硅烷、双(三乙氧基甲硅烷基丙基)胺、双(三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、(3,4-环氧丁基)三乙氧基硅烷、(3,4-环氧丁基)三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-脲基丙基三烷氧基硅烷、N-(3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基)亚乙基二胺、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-(γ-三乙氧基甲硅烷基丙基)二亚乙基三胺、N-(γ-三甲氧基甲硅烷基丙基)二亚乙基三胺、N-(γ-三乙氧基甲硅烷基丙基)二亚甲基三胺、N-(γ-三甲氧基甲硅烷基丙基)二亚甲基三胺、聚(氨烷基)乙基二烷氧基硅烷、聚(氨烷基)甲基二烷氧基硅烷、三(3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基)异氰脲酸酯、三(3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基)异氰脲酸酯、乙烯基三乙酰氧基硅烷、三氟丙基甲基二乙氧基硅烷、三氟丙基甲基二甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、三氟丙基三甲氧基硅烷。
4.根据权利要求1或2所述的无磷水性金属硅烷处理剂，其特征在于，组分(c)的金属螯合剂选自基于乙酰丙酮酸化物、乙酰乙酸酯、丙酮酸化物、亚烷基二胺、三乙醇胺、乳酸化物、羧酸、柠檬酸化物及其混合物。
5.根据权利要求1或2所述的无磷水性金属硅烷处理剂，其特征在于，组分(d)的聚合物选自壳聚糖、纤维素、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚乙烯基苯酚、聚乙烯基吡咯烷酮和聚天冬氨酸和其混合物，其中纤维素选自乙基纤维素和甲基纤维素。
6.根据权利要求1或2所述的无磷水性金属硅烷处理剂，其特征在于，还含有以下组分：(f)0.1-5重量份的含巯基化合物，所述含巯基化合物选自2-巯基乙醇、巯基乙酸、巯基乙酸钠、巯基乙酸钾及其混合物。
7.根据权利要求1或2所述的无磷水性金属硅烷处理剂，其特征在于，还含有以下组分：(g)1-9重量份的氟锆酸或氟锆酸盐，所述氟锆酸盐选自氟锆酸钠、氟锆酸钾和氟锆酸铵。
8.根据权利要求1或2所述的无磷水性金属硅烷处理剂，其特征在于，还含有以下组分：(h)0.5-5份的硝酸盐，所述硝酸盐选自硝酸钠、硝酸钾和硝酸铵。
9.根据权利要求1或2所述的无磷水性金属硅烷处理剂，其特征在于，组分(e)的所述水性溶剂包括49-99重量份的水和1-51重量份的至少一种水溶性有机溶剂，所述水溶性有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇、乙二醇一丁基醚、乙二醇一乙醚、乙二醇一甲醚、乙二醇丙醚、乙二醇己醚、二甘醇甲醚、二甘醇乙醚、二甘醇丁醚、二甘醇己醚、丙二醇一甲醚、二丙二醇一甲醚、三丙二醇一甲醚、丙二醇一丁醚、二丙二醇一丁醚、三丙二醇一丁醚、丙二醇一丙醚、二丙二醇一丙醚、三丙二醇一丙醚、丙二醇苯醚、四氢呋喃及其混合物。
10.一种制备根据权利要求1-9中任一项所述的无磷水性金属硅烷处理剂的方法，包括以下步骤：
步骤S100，在混合槽中将组分(a)和组分(b)加入组分(e)，搅拌下混合30-50分钟，得第一溶液；
步骤S200，向第一溶液中加入组分(c)和组分(d)，以及任选的组分(f)、组分(g)和组分(h)中的一个或多个，搅拌下混合30-50分钟，得第二溶液。
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