硅烷技術(shù)在涂裝過程中的實(shí)際應(yīng)用及管理

摘　要： 硅烷技術(shù)可以替代磷化技術(shù)，給涂裝預(yù)處理技術(shù)帶來革命性的變革。介紹了硅烷技術(shù)在涂裝實(shí)際應(yīng)用過程中的工藝、設(shè)備和管理方面的具體要求。
關(guān)鍵詞： 涂裝； 預(yù)處理； 硅烷技術(shù)； 實(shí)際應(yīng)用

0　引言

磷化處理是目前應(yīng)用最為廣泛的涂裝前處理工藝，但由于磷化液中含有鋅、鎳、錳等重金屬離子以及磷酸鹽和亞硝酸鈉等被限制排放的物質(zhì)，且處理溫度較高、廢水和廢渣的無害化轉(zhuǎn)化過程較為復(fù)雜等原因，其應(yīng)用正面臨著日益加大的環(huán)保壓力。而硅烷處理技術(shù)則克服了上述缺點(diǎn)，為涂裝前處理領(lǐng)域帶來了一場革命性的變革， 硅烷前處理技術(shù)的處理效果已經(jīng)與鋅系磷化效果相當(dāng)。

從10年前第1條家電生產(chǎn)線使用硅烷工藝以來，硅烷工藝已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究階段走向了工業(yè)大生產(chǎn)階段，至2011年底，全球已有幾百條前處理生產(chǎn)線使用硅烷工藝，我國也有幾十條生產(chǎn)線在使用硅烷工藝。行業(yè)涉及各個(gè)領(lǐng)域，包括家電、汽車零部件、普通工業(yè)、卡車、功能車、轎車等。在車身涂裝中已經(jīng)逐步進(jìn)入到整車生產(chǎn)階段，目前使用硅烷作為前處理工藝的轎車整車線已經(jīng)有幾十萬臺(tái)車下線，分別在法國、西班牙、巴西、俄羅斯等多個(gè)國家。我國第1條大型整車涂裝線將于2012年底在武漢投產(chǎn)。整車涂裝是防腐蝕和裝飾性要求最高的涂裝，硅烷工藝可以滿足轎車涂裝要求，自然可以很好地滿足其他工業(yè)的涂裝要求。

硅烷處理技術(shù)和磷化處理有相同的要求， 也有一些不同的要求。本文就硅烷技術(shù)在涂裝實(shí)際應(yīng)用過程中的工藝、設(shè)備和管理方面的具體要求做一些簡介。

１　硅烷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
１）硅烷技術(shù)形成的薄膜可以替代傳統(tǒng)的磷化膜，磷化膜的質(zhì)量通常為2 ~ 3 g/m2，Oxsilan涂層膜質(zhì)量為0.1 g/m2，相差20倍左右，單耗大大降低。
２）Si—O—Me 共價(jià)鍵分子間的結(jié)合力很強(qiáng)，所以產(chǎn)品很穩(wěn)定，從而可以提高產(chǎn)品的防腐蝕能力。硅烷處理后的防腐蝕性能優(yōu)于鋅系磷化的防腐蝕性能。與鋯系產(chǎn)品相比，其性能明顯優(yōu)越。
３）使用方便，便于控制，槽液由雙組分液體配成，僅需要控制pH、活化點(diǎn)和電導(dǎo)率，無需像磷化液那樣，要控制游離酸、總酸、促進(jìn)劑、鋅、鎳、錳的含量和溫度等許多參數(shù)。
４）節(jié)約能源，可室溫或低溫操作，能源費(fèi)用降低。
５）節(jié)省電能，由于泵的減少和功率的降低，可節(jié)省40%的電能。
６）處理時(shí)間短，只有磷化處理時(shí)間的一半，因此可以提高產(chǎn)量。
７）優(yōu)異的環(huán)保性能，無有害的重金屬，無渣、廢水排放少，處理容易，如果安裝過濾器及離子交換器，可以做到封閉循環(huán)使用。
８）多金屬處理工藝：冷軋板、熱鍍鋅板、電鍍鋅板、涂層板、鋁等不同板材可混線處理。
９）工藝簡單，流程短?？梢詼p少維修量，不需要維護(hù)表調(diào)、鈍化設(shè)備，也不需要定期對(duì)磷化槽及管路和噴嘴等進(jìn)行除渣清理。
１０）綜合成本低，產(chǎn)品消耗量低，三廢處理成本低。歐洲Proposal工廠生產(chǎn)線使用磷化液時(shí)的費(fèi)用為73萬歐元/a，切換Oxsilan的產(chǎn)品后為39萬歐元/a，節(jié)省了34萬歐元/a，節(jié)約成本47%。
１１）與原有涂裝工藝和涂裝設(shè)備相容，不需進(jìn)行設(shè)備改造，只需更換磷化液，即可投入生產(chǎn)。
１２）系統(tǒng)長度縮減：無需表面調(diào)整和鈍化工序，可縮短處理時(shí)間，新建生產(chǎn)線可減少投資和占地面積。歐洲汽車線使用硅烷和使用磷化在設(shè)備投資上可以節(jié)省220萬歐元。
１３）硅烷處理后，可不用烘干、直接進(jìn)行電泳。硅烷泳透力與鋅系磷化相當(dāng)。

２　硅烷技術(shù)處理工藝

在普通工業(yè)中以硅烷處理取代鐵系和鋅系磷化處理已開始廣泛應(yīng)用。老的生產(chǎn)線只要將磷化槽清洗干凈，直接投入硅烷材料就可以生產(chǎn)了。磷化槽及其管道內(nèi)通常結(jié)有磷化渣， 需要用專門的清渣劑徹底清洗干凈，否則影響產(chǎn)品質(zhì)量。

２.1　一般工業(yè)硅烷預(yù)處理工藝流程

一般工業(yè)硅烷預(yù)處理工藝流程為：脫脂→水洗→硅烷處理→純水洗→烘干。

硅烷預(yù)處理取代了傳統(tǒng)的表面調(diào)整、磷化和鈍化工藝，工藝簡潔了許多， 硅烷處理后烘干（除去水分），直接進(jìn)行噴粉或噴漆，硅烷涂層固化過程與噴粉或噴漆的烘烤同時(shí)完成，烘烤溫度需在140 ℃以上，時(shí)間20 min以上。也可以硅烷處理后不水洗直接烘干后噴粉。

２.2　車身硅烷前處理主要工藝過程

車身硅烷前處理主要工藝過程見表１。

硅烷處理后不需烘干，直接進(jìn)行陰極電泳。車身硅烷前處理工藝過程是一個(gè)很完整的工藝過程， 其他工藝可以適當(dāng)精減。比如硅烷處理后的水洗就可以減少一些。
３　硅烷處理與磷化處理之間的區(qū)別

３．１　磷化與硅烷處理技術(shù)方面的區(qū)別

磷化與硅烷處理技術(shù)方面的區(qū)別見表２。

３．２　硅烷技術(shù)應(yīng)用過程中的一些技術(shù)問題

３.2.1　脫脂

德國表面處理專家指出“雖然硅烷工藝非常簡單穩(wěn)定，但是在應(yīng)用過程中還是需要專業(yè)的技術(shù)支持才能達(dá)到規(guī)定的防腐效果、油漆結(jié)合力及工藝適應(yīng)性”。

硅烷工藝應(yīng)用過程中第一點(diǎn)要重視的就是脫脂。由于以往磷化是在較高的溫度（50 ℃）和較低的pH（3.0左右）條件下進(jìn)行，車身表面的污物及油脂在這種溫度和pH 條件下還可被進(jìn)一步清洗除去。但是硅烷的工藝條件非常溫和（室溫，pH為4.5左右），這種條件基本上不具備進(jìn)一步清洗的可能性。這就意味著，硅烷工藝對(duì)脫脂的要求比較高。選擇高效環(huán)保的脫脂是可以達(dá)到優(yōu)異的脫脂效果。

３.2.2　水洗

水洗效果對(duì)涂裝質(zhì)量影響非常大。水洗工藝中可以使用特殊的化學(xué)藥劑，對(duì)防止閃銹非常有效。

3.2.3　水質(zhì)

硅烷工藝中需要使用純水， 脫脂水洗后最好加一道純水洗， 以減少對(duì)硅烷槽液的污染損耗。硅烷配槽和以后的水洗都需要用純水。

3.2.4　泳透力

硅烷處理后電泳的泳透力與磷化有所不同。由于硅烷膜層厚度明顯低于磷化膜層厚度，硅烷膜層的電阻就明顯低于磷化膜層，從而陰極電泳的表面成膜厚度也必將較厚。車身內(nèi)腔的有效電壓由于法拉第效應(yīng)會(huì)下降，所以電泳在內(nèi)腔表面就有可能較難上膜。德國舒巴赫博士解說道：“意識(shí)到車身內(nèi)腔獲得足夠的電泳膜厚和車身表面獲得同樣電泳膜厚一樣重要”。凱密特爾通過研究硅烷槽內(nèi)部的化學(xué)機(jī)理而開發(fā)出了這一問題的解決方案，這一方案的成功還給了電泳供應(yīng)商新的靈感：研發(fā)出專門為新型薄膜前處理技術(shù)配套的電泳產(chǎn)品，兩者配合達(dá)到了更好的泳透力效果。所以選用硅烷工藝時(shí)必需考慮與電泳漆是否相配套。目前PPG、BASF、DuPont、Nippon等大公司都有電泳漆與硅烷技術(shù)相配套。硅烷處理后電泳的泳透力與磷化可以做到完全相當(dāng)。

４　硅烷工藝處理設(shè)備

硅烷工藝與磷化工藝在設(shè)計(jì)新的涂裝生產(chǎn)線時(shí)還是有一些區(qū)別的，流程短、設(shè)備少、槽子小、循環(huán)低是其特點(diǎn)。這樣可以節(jié)省制造費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。具體設(shè)計(jì)生產(chǎn)線時(shí)可以參考如下原則。
1）不需設(shè)計(jì)表調(diào)和鈍化工藝。
２）硅烷處理槽的設(shè)計(jì)。

硅烷槽液pH為4.2 ~ 4.8，偏酸性， 槽體材質(zhì)選用耐酸不銹鋼為好，如316或304不銹鋼， 也可選用塑料材質(zhì)的材料， 如偏聚二氟乙烯（PVDF）或聚丙烯（PP）等材料。冷軋普通鋼板是不行的，除非內(nèi)腔涂覆防酸材料，如耐酸塑料、不銹鋼薄板等。

工藝要求反應(yīng)時(shí)間為1 ~ 2 min，槽體的長度可按通過時(shí)間2 min計(jì)算。循環(huán)次數(shù)要求1 ~ 2次，設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)也按2次/h計(jì)算。 設(shè)計(jì)加熱系統(tǒng)可按最高槽液溫度35 ℃計(jì)算，實(shí)際運(yùn)行溫度為20 ~ 30 ℃。硅烷槽液清徹透明，反應(yīng)時(shí)也不產(chǎn)生渣。但工件碰到酸性槽液會(huì)有鐵離子溶出， 工件上也會(huì)攜帶顆粒物。所以建議系統(tǒng)中安裝袋式過濾器， 選用孔徑25 μm過濾袋或配制板框壓濾機(jī)系統(tǒng)。

由于化學(xué)品消耗量小，硅烷槽加料量少，可以使用滴加泵滴加化學(xué)品。

硅烷槽出口安裝小流量霧化噴嘴，噴淋純水潤濕，使處理表面狀態(tài)均一，獲得最佳電泳效果。小流量不會(huì)增加槽液溢流量。

３）節(jié)水溢流管路設(shè)計(jì)。

采用合理的溢流管路設(shè)計(jì)和管理達(dá)到節(jié)水的目的，也可保證清洗效果，具體見圖1。

使用后道向前道溢流的方式即逆工序供水清洗，按照Kushener近似公式：最終稀釋倍數(shù)=（Xn+1-1）/?。╔-1），式中n為水洗次數(shù)，X為供水量/帶出水量，可計(jì)算出同樣達(dá)到500倍稀釋倍數(shù)，使用后道向前道溢流方式水洗可比不使用該方式的生產(chǎn)線節(jié)約55%的耗水量。

５　工藝管理
５．１　脫脂工序

要求使用更有效的脫脂方式，比如噴浸結(jié)合、使用破乳型活性劑等方式，提高脫脂效率及效果，為后道硅烷處理打下良好基礎(chǔ)。日常管理中經(jīng)常注意檢查脫脂效果。

５．２　硅烷槽日常管理

硅烷技術(shù)的工藝管理比較簡單，控制的參數(shù)比磷化少，控制容易。
１）槽液日?？刂茀?shù)：槽液溫度為20 ~ 30 ℃（最大范圍為15 ~ 45 ℃）；
pH為3.8 ~ 4.8；
活化點(diǎn)為4.1 ~ 6.8；
電導(dǎo)率＜4 500 μＳ/cm。
２）使用手提儀器XRF 可以直讀的方式對(duì)涂層進(jìn)行檢測、ICP對(duì)槽液進(jìn)行分析， 并可提高檢測的準(zhǔn)確度。
３）硅烷槽保留了加熱設(shè)備，一般情況下不需要加熱。硅烷最佳處理溫度為20 ~ 30 ℃。日常工作時(shí)該溫度可由脫脂載帶滿足，但周一或節(jié)假日恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)，還需要槽液加熱到該溫度獲得最佳前處理效果。
４）有些生產(chǎn)線夏季要預(yù)防細(xì)菌滋生，需添加殺菌劑。選擇優(yōu)質(zhì)的涂裝材料和良好的涂裝設(shè)備，做到精心的現(xiàn)場管理一定可以獲得優(yōu)良的涂裝結(jié)果。

硅烷技術(shù)經(jīng)過了10年的發(fā)展， 已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)， 工藝和技術(shù)已經(jīng)成熟。這項(xiàng)節(jié)能環(huán)保并節(jié)約成本的新技術(shù)必將迅速代替磷化工藝得到大規(guī)模的推廣。