TW201404716A

TW201404716A - 二氧化矽溶膠，應用該二氧化矽溶膠對金屬基體進行表面處理的方法及製品

Info

Publication number: TW201404716A
Application number: TW101127871A
Authority: TW
Inventors: Ting Ding; Da-Hua Cao
Original assignee: Fih Hong Kong Ltd
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-02-01
Also published as: US20140023854A1; CN103570028A

Abstract

本發明提供一種二氧化矽溶膠，該二氧化矽溶膠含有正矽酸四乙酯、二甲基甲醯胺、矽酸鈉、無水乙醇及鹽酸。本發明還提供一種應用該二氧化矽溶膠進行表面處理的方法及製品。

Description

二氧化矽溶膠，應用該二氧化矽溶膠對金屬基體進行表面處理的方法及製品

本發明涉及一種二氧化矽溶膠，應用該二氧化矽溶膠對金屬基體進行表面處理的方法及製品。

鋁合金目前被廣泛應用於航空、航天、汽車及微電子等工業領域。但鋁合金的標準電極電位很低，耐腐蝕差，暴露於自然環境中會引起表面快速腐蝕。

真空鍍膜技術（PVD）係一種較環保的鍍膜技術。PVD膜層具有高硬度、高耐磨性、良好的化學穩定性等優點，因此在表面防護或裝飾處理領域的應用越來越廣。而對於鋁合金來說，其標準電極電位與許多PVD功能性膜層（如裝飾性的顏色層等）的差異較大，極易造成電偶腐蝕，使整個鋁合金產品失效。

據悉，目前有藉由真空鍍膜技術設置一絕緣層於鋁或鋁合金基體與功能性膜層之間來防止鋁或鋁合金基體的電偶腐蝕及失效，但收效甚微。這係由於PVD膜層本身不可避免的會存在缺陷，如針孔、裂紋等，這些缺陷將成為電解質溶液的通道，使鋁或鋁合金基體和表面的功能性膜層相連形成微電池。此時，功能性膜層成為微電池的陰極，而鋁或鋁合金基體表面的微小孔洞接觸點成為陽極，由於陰極的面積遠遠大於陽極的面積，即陰陽極的面積比趨於無限大，致使腐蝕電流極大而急劇加速了腐蝕。這種腐蝕失效嚴重限制了鋁或鋁合金基體於PVD鍍膜技術的應用。

有鑒於此，提供一種二氧化矽溶膠。

同時，提供一種應用所述二氧化矽溶膠對金屬基體進行表面處理的方法，該方法可提高形成有真空鍍膜層的金屬基體的耐腐蝕性。

另，還提供一種經上述表面處理方法製得的製品。

一種二氧化矽溶膠，該二氧化矽溶膠含有正矽酸四乙酯、二甲基甲醯胺、矽酸鈉、無水乙醇及鹽酸。

一種應用二氧化矽溶膠對金屬基體進行表面處理的方法，包括如下步驟：

提供金屬基體；

製備二氧化矽溶膠，該二氧化矽溶膠含有正矽酸四乙酯、二甲基甲醯胺、矽酸鈉、無水乙醇及鹽酸；

在該金屬基體上形成一二氧化矽溶膠層；

對該二氧化矽溶膠層進行乾燥處理；

對金屬基體進行熱處理，使二氧化矽溶膠層形成二氧化矽凝膠層，該二氧化矽凝膠層為(O-Si-O)n相互連結形成的網路結構；

採用真空鍍膜的方式，在該二氧化矽凝膠層上形成真空鍍膜層。

一種由所述之表面處理的方法製得的製品，該製品包括金屬基體、依次形成於金屬基體上的二氧化矽凝膠層及真空鍍膜層，該二氧化矽凝膠層為(O-Si-O)n相互連結形成的網路結構。

本發明藉由在金屬基體與真空鍍膜層之間形成一緻密的二氧化矽凝膠層，可有效阻礙進入真空鍍膜層中的電解質溶液向金屬基體的方向擴散，如此可提高金屬基體的耐腐蝕性。

本發明一較佳實施方式的二氧化矽溶膠的主要成分為正矽酸四乙酯、矽酸鈉、二甲基甲醯胺（DMF）、導電金屬粉體、無水乙醇及鹽酸。其中，正矽酸四乙酯的體積百分含量為10%~20%、矽酸鈉的體積百分含量為5%~10%、二甲基甲醯胺的體積百分含量為2%~4%、導電金屬粉體的體積百分含量為5%~10%、無水乙醇的體積百分含量為5%~10%、鹽酸的體積百分含量為3%~5%。該二氧化矽溶膠的pH值為3~5。

鹽酸作為催化劑，提供H₃O⁺離子，使用時促進二氧化矽溶膠成膜。鹽酸還用以調節二氧化矽溶膠的pH值。

二甲基甲醯胺作為絡合劑，與正矽酸四乙酯水解後的中間體絡合，同時還可降低溶膠縮聚的反應速率，可避免二氧化矽溶膠成膜後發生龜裂。

該導電金屬粉體可為鋁粉、錫粉或銦粉等，可使二氧化矽溶膠具有導電性。為了提高導電金屬粉體在二氧化矽溶膠中的分散性、二氧化矽溶膠的導電性，同時使二氧化矽溶膠可形成較薄的膜層，該導電金屬粉體粒徑為奈米級。較佳地，該導電金屬粉體的粒徑為30~50nm。

該二氧化矽溶膠藉由如下方式製得：

以正矽酸四乙酯、矽酸鈉、二甲基甲醯胺、導電金屬粉體、無水乙醇及鹽酸為原料。其中，正矽酸四乙酯的體積百分含量為10%~20%、矽酸鈉的體積百分含量為5%~10%、二甲基甲醯胺的體積百分含量為2%~4%，導電金屬粉體的體積百分含量為5%~10%、無水乙醇的體積百分含量為5%~10%、鹽酸的體積百分含量為3%~5%。

向無水乙醇中加入正矽酸四乙酯、矽酸鈉及二甲基甲醯胺，並攪拌至均勻得一混合液；用鹽酸調節該混合液的pH值為3~5；將導電金屬粉體加入該pH值為3~5的混合液中，並攪拌至均勻，之後進行過濾，以去除少量的懸浮的雜質，製得所述二氧化矽溶膠。

請參見圖1所示，應用所述二氧化矽溶膠對金屬基體進行表面處理的方法，包括如下步驟：

提供金屬基體11，該金屬基體11的材質可為鋁、鋁合金、鎂或鎂合金等。

提供所述二氧化矽溶膠。

在所述金屬基體11表面形成一二氧化矽凝膠層13，其包括如下步驟：

首先，藉由塗布或浸泡的方式，在該金屬基體11上形成一二氧化矽溶膠層，並將該金屬基體11置於40~50℃溫度下進行真空乾燥10~15min，使二氧化矽溶膠轉化為二氧化矽凝膠。

之後，對該二氧化矽凝膠進行熱處理，其具體操作和工藝參數如下：提供一烘烤爐（未圖示），將烘烤爐加熱至爐內溫度為100~120℃，將金屬基體11置於烘烤爐內並保溫10~15min。再將烘烤爐加熱至爐內溫度為250~300℃並保溫30~50min，最終於所述金屬基體11上形成二氧化矽凝膠層13。所述二氧化矽凝膠層13的厚度為2~3μm。

在所述乾燥處理過程中，二氧化矽溶膠中的溶劑迅速被蒸發導致溶膠向凝膠逐漸轉變。在此過程中，正矽酸四乙酯逐漸聚集長大為小粒子簇，而小粒子簇在相互碰撞時連結成大粒子簇，最後大粒子簇間相互連結成三維網路結構，如此使二氧化矽溶膠轉化為二氧化矽凝膠。在100~120℃的溫度下，二氧化矽凝膠先脫去吸附在表面的水和乙醇；在250-300℃的溫度下，正矽酸四乙酯的-OR基團發生氧化反應形成O-Si-O基團；隨著熱處理時間的增加，經二氧化矽凝膠不斷地縮聚和脫水反應，O-Si-O基團逐漸形成(O-Si-O)n，而鄰近的(O-Si-O)n相互連結形成網路結構，並最終形成連續的、緻密的二氧化矽凝膠層13。

採用真空鍍膜的方式，在該二氧化矽凝膠層13上形成一真空鍍膜層15。所述真空鍍膜層15可為CrC層、TiNO層、TiCN層、TiN層、CrNO層、CrCN層或其他任意具裝飾色彩的膜層。該真空鍍膜層15亦可被其他的功能性膜層所替代。在沉積真空鍍膜層15的過程中，由於該二氧化矽凝膠層13中因含有導電金屬粉體，可提高施加於金屬基體11的偏壓，進而提高該真空鍍膜層15的緻密性及真空鍍膜層15與金屬基體11之間的結合力。

一種經由上述表面處理方法製得的製品10包括金屬基體11、依次形成於該金屬基體11上的二氧化矽凝膠層13及真空鍍膜層15。

該二氧化矽凝膠層13為(O-Si-O)n相互連結形成的網路結構。該二氧化矽凝膠層13中含有導電金屬粉體。該導電金屬粉體可為鋁粉、錫粉及銦粉等。該導電金屬粉體粒徑為奈米級。較佳地，該導電金屬粉體的粒徑為30~50nm。該所述二氧化矽凝膠層13的厚度為2~3μm。

所述真空鍍膜層15可為CrC層、TiNO層、TiCN層、TiN層、CrNO層、CrCN層或其他任意具裝飾色彩的膜層。該真空鍍膜層15亦可被其他的功能性膜層所替代。

本發明藉由在金屬基體11與真空鍍膜層15之間形成一緻密的二氧化矽凝膠層13，可有效阻礙進入真空鍍膜層15中的電解質溶液擴散至金屬基體11，如此可提高金屬基體11的耐腐蝕性。另外，因二氧化矽凝膠層13中含有導電金屬粉體，可提高該真空鍍膜層15的緻密性、真空鍍膜層15與金屬基體11之間的結合力，以進一步提高製品的耐腐蝕性。

實施例1

提供一金屬基體11，該金屬基體11的材質為鋁合金。

提供一二氧化矽溶膠。在該二氧化矽溶膠中，正矽酸四乙酯的體積百分含量為12%、矽酸鈉的體積百分含量為8%、二甲基甲醯胺的體積百分含量為3%、導電金屬粉體的體積百分含量為8%、無水乙醇的體積百分含量為6%、鹽酸的體積百分含量為4%。該二氧化矽溶膠的pH值為3.5。

首先，藉由塗布的方式，在該金屬基體11上形成一二氧化矽溶膠層，並將該金屬基體11置於42℃溫度下進行真空乾燥12min，使二氧化矽溶膠轉化為二氧化矽凝膠。

之後，對該二氧化矽凝膠進行熱處理，將金屬基體11置於烘烤爐內並保溫12min。再將烘烤爐加熱至爐內溫度為260℃並保溫35 min，最終於所述金屬基體11上形成二氧化矽凝膠層13。所述二氧化矽凝膠層13的厚度為2.5μm。

在該二氧化矽凝膠層13上形成真空鍍膜層15。該真空鍍膜層15為CrC層。

對比例

本對比例與實施例1不同的係金屬基體11與真空鍍膜層15之間未形成有二氧化矽凝膠層13，其他條件與實施例1相同。

性能測試

將實施例1製得的製品及對比例處理後的金屬基體進行鹽霧測試及耐磨性測試，具體測試方法及結果如下：

（1）鹽霧測試

將實施例1製得的製品及對比例處理後的金屬基體進行35℃中性鹽霧（NaCl濃度為5%）測試。結果表明，由本發明實施例1的方法所製備的製品10在168小時後真空鍍膜層15上未出現腐蝕點，而經對比例的方法處理後的金屬基體在168小時後表面出現腐蝕點。可見，上述製品10具有較好的耐腐蝕性。

（2）採用R180/530TE30型號的槽式振動耐磨測試機，將RKS10K型黃色圓錐體磨料3份，RKK15P型綠色棱錐體磨料1份及FC120洗滌劑適量加入所述槽式振動耐磨測試機內；再分別將實施例1製得的製品及對比例處理後的金屬基體置於該槽式振動耐磨測試機內研磨震動2小時。所述槽式振動耐磨測試機、RKS10K型黃色圓錐體磨料、RKK15P型綠色棱錐體磨料及FC120洗滌劑均為德國ROSLER公司供應。

結果表明，由本發明實施例1的方法所製得的製品10經上述耐磨性測試後，二氧化矽凝膠層13及真空鍍膜層15未發生脫落，僅真空鍍膜層15表面出現少量劃痕。而，經對比例處理後的鋁合金基體上的真空鍍膜層發生剝落。可見，上述製品10具有較好的耐磨性。

10．．．製品

11．．．金屬基體

13．．．二氧化矽凝膠層

15．．．真空鍍膜層

圖1為本發明一較佳實施例的製品的示意圖。

10．．．製品

11．．．金屬基體

13．．．二氧化矽凝膠層

15．．．真空鍍膜層

Claims

一種二氧化矽溶膠，含有正矽酸四乙酯、二甲基甲醯胺、矽酸鈉、無水乙醇及鹽酸。
如申請專利範圍第1項所述之二氧化矽溶膠，其中所述二氧化矽溶膠中，正矽酸四乙酯的體積百分含量為10%~20%、矽酸鈉的體積百分含量為5%~10%、二甲基甲醯胺的體積百分含量為2%~4%無水乙醇的體積百分含量為5%~10%、鹽酸的體積百分含量為3%~5%。
如申請專利範圍第1項所述之二氧化矽溶膠，其中該二氧化矽溶膠還含有導電金屬粉體。
如申請專利範圍第3項所述之二氧化矽溶膠，其中該導電金屬粉體為鋁粉、錫粉或銦粉。
如申請專利範圍第4項所述之二氧化矽溶膠，其中該導電金屬粉體的粒徑為30~50nm。
一種應用二氧化矽溶膠對金屬基體進行表面處理的方法，包括如下步驟：
提供金屬基體；
製備二氧化矽溶膠，該二氧化矽溶膠含有正矽酸四乙酯、二甲基甲醯胺、矽酸鈉、無水乙醇及鹽酸；
在該金屬基體上形成一二氧化矽溶膠層；
對該二氧化矽溶膠層進行乾燥處理；
對金屬基體進行熱處理，使二氧化矽溶膠層形成二氧化矽凝膠層，該二氧化矽凝膠層為(O-Si-O)n相互連結形成的網路結構；
採用真空鍍膜的方式，在該二氧化矽凝膠層上形成真空鍍膜層。
如申請專利範圍第6項所述之表面處理的方法，其中所述二氧化矽溶膠中，正矽酸四乙酯的體積百分含量為10%~20%、矽酸鈉的體積百分含量為5%~10%、二甲基甲醯胺的體積百分含量為2%~4%無水乙醇的體積百分含量為5%~10%、鹽酸的體積百分含量為3%~5%。
如申請專利範圍第6項所述之表面處理的方法，其中該二氧化矽溶膠還含有導電金屬粉體。
如申請專利範圍第7項所述之表面處理的方法，其中所述二氧化矽溶膠藉由如下方式製得：向無水乙醇中加入正矽酸四乙酯、矽酸鈉及二甲基甲醯胺，並攪拌至均勻得一混合液；用鹽酸調節該混合液的pH值為3~5；將導電金屬粉體加入該pH值為3~5的混合液中並攪拌至均勻，之後進行過濾。
如申請專利範圍第6項所述之表面處理的方法，其中所述乾燥處理的方法如下：將該金屬基體置於40~50℃溫度下進行真空乾燥10~15min。
如申請專利範圍第6項所述之表面處理的方法，其中所述熱處理的方法如下：先將金屬基體置於100~120℃的溫度下烘烤10~15min；再將金屬基體於250~300℃的溫度下烘烤30~50min。
一種由經申請專利範圍第6-11中任一項項所述之表面處理的方法製得的製品，該製品包括金屬基體及形成於金屬基體上的真空鍍膜層，其改良在於：該製品還包括形成於金屬基體與真空鍍膜層之間的二氧化矽凝膠層，該二氧化矽凝膠層為(O-Si-O)n相互連結形成的網路結構。
如申請專利範圍第12項所述之製品，其中所述二氧化矽凝膠層的厚度為2~3μm。
如申請專利範圍第12項所述之製品，其中該二氧化矽凝膠層中還含有導電金屬粉體。
如申請專利範圍第14項所述之製品，其中該導電金屬粉體為鋁粉、錫粉或銦粉。
如申請專利範圍第14項所述之製品，其中該導電金屬粉體的粒徑為30~50nm。
如申請專利範圍第12項所述之製品，其中該金屬基體的材質為鋁、鋁合金、鎂或鎂合金。