CN111777879B - 一种水溶性耐高温封闭剂及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水溶性耐高温封闭剂及制备方法，主要涉及镀锌合金后处理技术领域。封闭剂通过以下方法制得：在酸性纳米硅溶胶中先后加入助溶剂和硅烷水解抑制剂，搅拌均匀；升温至30～60℃，以1～2ml/min的速度滴加亲水性硅烷偶联剂，再以1～2ml/min的速度滴加疏水耐热型硅烷偶联剂，反应4～8h，冷却至室温℃，加入润湿剂，拌匀既得。本发明的有益效果在于：它是一种可耐250℃高温不黄变的水溶性稳定封闭剂，可以在除氢工序中保护金属镀层和钝化层。
Description
技术领域
本发明涉及镀锌合金后处理技术领域，具体是一种水溶性耐高温封闭剂及制备方法。
背景技术
在电镀过程中，被镀金属离子在阴极上得到电子，同样氢离子也会得到电子生成原子态氢。这些原子态氢渗透到金属内部，导致镀层疏松，搁置一段时间后，原子态氢会结合生成氢气而体积膨胀，这样会使镀层产生针孔、鼓泡甚至脱落等不良缺陷，如果渗透到基体还会导致整个构件产生氢脆。氢脆是表面处理中最严重的质量隐患之一，氢脆严重的零件在使用过程中可能断裂，造成严重的事故。因此去氢脆处理至关重要。
电镀后一般采用高温烘烤去除氢脆。对于常用的镀锌构件，一般是在带风机的烘箱中，220℃恒温条件下保温2h，即可去除。高温除氢工序为了保证钝化层不因高温而导致破裂，一般安排在钝化之前，但是这样高温条件会致使镀层的变色，除氢后仍需要再镀一层薄锌以达到美观效果，工序比较繁琐。
目前市面上采用的镀锌及锌合金用封闭剂分为传统树脂型封闭剂、水溶性有机硅类封闭剂、纳米陶化型封闭剂。传统树脂型封闭剂不耐高温，水溶性有机硅类封闭剂耐高温，但价格贵且存在高温下流挂处易黄变现象，而纳米陶化型封闭剂虽耐高温但同样价格较贵，成膜性差且高温下流挂处膜厚易碎。故，现有技术多在封闭后的硬度、耐腐蚀、耐磨和自润滑性能等方面有所助益，但是如何应对封闭剂在高温耐受以及黄变问题，却是本行业尚未解决的技术难题。
同时，无机/有机纳米杂化复合材料由于同时具有有机材料的柔韧性、易加工性能和无机材料的耐磨、耐高温及硬度高特性。但是，硅溶胶是无定型二氧化硅在水中形成的均匀胶体溶液，在高温下能够保持优良的稳定性并增加涂层的硬度和稳定性。然而未改性的硅溶胶具有明显亲水疏油性，单独用于金属表面处理与金属结合性较差，限制了使用范围和效果。为了解决该问题常常将硅溶胶通过接枝进行改性使用，形成无机/有机杂化复合材料。硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的低分子有机硅化合物，常用于无机纳米材料的改性，其水解后的羟基可与纳米二氧化硅表面上的羟基结合形成连续网状结构，增加了涂层的硬度和耐水性，同时硅烷偶联剂水解后的端位多羟基可与金属表面上的羟基结合形成化学键，提高了涂层与金属的结合力，与金属具有较高的反应活性。然而在硅烷偶联剂改性水解过程中还存在许多工艺稳定性问题，至今也是硅烷在金属表面处理应用中难以应对解决的问题，具体陈列如下：
1)稳定差，易发生缩聚而失效，特别在碱性环境中，使得大规模应用受限。
2)润湿性不好，不同浓度和不同种类的硅烷水解液对金属表面的润湿性能不同。
3)成膜性差，不同种类硅烷水解低聚物固化成膜性能不同，大多表现为韧性差膜层易脆裂。
4)固化温度高，硅烷低聚物在成膜过程中羟基间相互结合需要较高的温度完成脱水反应，因此需要高温反应环境。
除此之外，硅烷偶联剂的选择也至关重要，选择不同官能团的硅烷偶联剂改性，所得产品性能不同，例如产品稳定性好坏，亲水或疏水型涂层，涂层硬度高低等。根据产品需求，硅烷偶联剂的选择至关重要。
中国专利CN109867289A公开了一种高稳定性有机-无机杂化纳米硅溶胶的制备方法，该方法先将硅烷偶联剂水解然后再与碱性硅溶胶反应，其过程相对简单，条件可控度高，反应时间短，该发明可以应用于涂料、涂层领域。如果应用在金属表面处理，则处理后的金属耐盐雾较差，因为采用了亲水性的KH560硅烷偶联剂虽然提高了此杂化溶液的稳定性但降低了耐水性，其次发明中改性反应采用了两锅法，过程较为繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水溶性耐高温封闭剂及制备方法，它是一种可耐250℃高温不黄变的水溶性稳定封闭剂，可以在除氢工序中保护金属镀层和钝化层，这样既减少了重镀工序，又在达到除氢的目的的同时，解决了流挂点高温烘烤发黄问题。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种水溶性耐高温封闭剂，通过以下方法制得：
在酸性纳米硅溶胶中先后加入助溶剂和硅烷水解抑制剂，搅拌均匀；
升温至30～60℃，以1～2ml/min的速度滴加亲水性硅烷偶联剂，再以1～2ml/min的速度滴加疏水耐热型硅烷偶联剂，反应4～8h，
冷却至室温，加入润湿剂，拌匀既得。
上述反应温度优选40～50℃；反应时间优选5～6h。
优选的，所述酸性纳米硅溶胶为外观透明胶状水溶液，二氧化硅含量为20％～30％，pH值为2～5，粒径范围为5～20nm。该pH值下有利于加快水解反应并控制缩合反应的发生。按质量百分比量取，优选用量为30％～40％。
优选的，所述助溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、乙二醇丁醚中的任一种，用量为40％～60％。
优选的，所述硅烷水解抑制剂为多元醇类，包括乙二醇、甘油、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇中的任一种，用量为10％～20％。多元醇可抑制硅烷水解后的缩合，使改性液保持稳定状态，同时可增加膜层光滑度。
优选的，所述亲水性硅烷偶联剂为2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己基)乙基三乙氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧硅烷、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷中的任一种，用量为8％～15％。该硅烷偶联剂都为含有亲水性官能团的偶联剂，既可以提高硅烷改性后水解液的稳定性，同时可增加成膜物质与金属基材间的附着力。
优选的，所述疏水耐热型硅烷偶联剂为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、正丙基三甲氧基硅烷、正丙基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷中的任意一种。该硅烷偶联剂为疏水耐热型硅烷偶联剂，可提高膜层硬度和增加膜层的耐热型，需要严格控制用量，过多将降低产品稳定时间，过少会影响产品的耐腐蚀性，优选用量为4％～8％。
优选的，所述润湿剂为非离子疏水亲油型表面活性剂。
优选的，所述润湿剂为C10-羰基醇乙氧基化物或C13-羰基醇乙氧基化物。能够增加封闭液的润湿性能，使封闭液具有好的流平性。
上述水溶性耐高温封闭剂的制备方法，同样作为本发明的另一个方面。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、采用一锅法，环保无排放，成本低，工艺简单，反应条件温和。
2、采用混合硅烷改性酸性纳米硅溶胶，弥补了单一硅烷改性在综合性能方面的缺陷，所得封闭剂具有水溶性、高耐盐雾性、高硬度和稳定性好的特点的同时能耐250℃高温，保护镀层和钝化层，并且封闭层不变色发黄。
3、应用广泛，产品除可用于需要高温除氢的锌及锌镍合金电镀工艺中，也可作为常规镀锌及锌镍合金封闭剂。
附图说明
附图1是本发明实施例4中耐中性盐雾测试中镀层使用不同封闭剂后中性盐雾试验结果。
附图2是本发明实施例4中耐高温测试中各不同镀层的烘烤试验结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
实施例1：一种水溶性耐高温封闭剂
一种水溶性耐高温封闭剂制备方法，具体步骤如下：
往40g酸性硅溶胶中加入50g异丙醇和10g 1,2-丙二醇溶剂，搅拌均匀后升温到50℃，控制滴加速度慢慢滴入10g 3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧硅烷，滴完后再慢慢滴入4g甲基三乙氧基硅烷，反应5h后冷却加入0.01g巴斯夫润湿剂Lutensol TO5，搅拌均匀得透明无色水溶性耐高温封闭剂。
实施例2：一种水溶性耐高温封闭剂
一种水溶性耐高温封闭剂制备方法，具体步骤如下：
往40g酸性硅溶胶中加入50g异丙醇和10g 1,2-丙二醇溶剂，搅拌均匀后升温到50℃，控制滴加速度慢慢滴入10g 3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧硅烷，滴完后再慢慢滴入6g甲基三乙氧基硅烷，反应5h后冷却加入0.01g巴斯夫润湿剂Lutensol TO5，搅拌均匀得透明无色水溶性耐高温封闭剂。
实施例3：一种水溶性耐高温封闭剂
一种水溶性耐高温封闭剂制备方法，具体步骤如下：
往30g酸性硅溶胶中加入60g异丙醇和10g 1,2-丙二醇溶剂，搅拌均匀后升温到50℃，控制滴加速度慢慢滴入10g 3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧硅烷，滴完后再慢慢滴入6g十二烷基三甲氧基硅烷，反应5h后冷却加入0.01g巴斯夫润湿剂Lutensol TO5，搅拌均匀得透明无色水溶性耐高温封闭剂。
实施例4：使用上述实施例1、2、3中的封闭剂进行性能测试
用于性能测试的工件：铁基上碱性镀锌，度7-9μm，三价铬蓝白钝化处理后，完成相应封闭处理。
市面上常用封闭处理工艺为：封闭剂原液按20％-30％稀释，将钝化后的工件浸入稀释好的封闭剂中20-30s，取出后在120℃中固化20min。普通树脂型封闭剂常用80℃固化，为保障含有机硅类封闭剂的优异性能，本发明采用比普通封闭剂略高的固化温度进行固化。
主要比较样品包括三个实施例及市面封闭1和市面封闭2。对比实验结果如下：
1.耐中性盐雾测试
试验结果见附图1所示的图表1
可看出市面已售封闭剂2在中性盐雾测试大于200h时有白锈产生，市面已售封闭剂1相对市面封闭剂2耐中性盐雾效果稍好，在300h产生白绣，本发明所得封闭剂在中性盐雾测试300h时仍未有白锈产生。测试数据可证明本发明所得封闭剂除具有优异的耐盐雾性能。
2.耐高温测试
试验结果见附图2所示的图表2
可见只镀锌未经过钝化处理的工件表面在经受高温烘烤后丧失了原有的光亮度；镀锌后再经过蓝白钝化的工件受高温处理影响表面颜色发花变色；市面上已在使用的含硅类封闭剂1在经过高温处理后，工件流挂处发生黄变，工件表面整体发生色变，市面已使用封闭剂2在250℃烘烤下出现爆锌现象。而实例1、实例2和实例3在分别经过220℃和250℃高温处理后，仍保持良好的耐黄变性。本发明所得封闭剂与现有封闭剂相比具有优异的耐高温性。
Claims (1)
1. 一种水溶性耐高温封闭剂，其特征在于，通过以下方法制得：往30g酸性硅溶胶中加入60g异丙醇和10g 1,2-丙二醇溶剂，搅拌均匀后升温到50℃，控制滴加速度慢慢滴入10g3-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧硅烷，滴完后再慢慢滴入6g十二烷基三甲氧基硅烷，反应5h后冷却加入0.01g巴斯夫润湿剂Lutensol TO5，搅拌均匀得透明无色水溶性耐高温封闭剂。
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