矽烷前處理工藝在汽車塗裝中的應用

趙曉峰

（上汽乘用車鄭州分公司，鄭州450000）

摘要：無磷前處理技術替代傳(chuan) 統磷化是綠色塗裝材料發展的趨勢，薄膜前處理工藝目前已在世界各地廣泛應用，薄膜前處理工藝相比傳(chuan) 統磷化工藝具有環保、節能等突出優(you) 點，其中矽烷前處理技術就是薄膜工藝的主要代表。主要介紹了矽烷前處理工藝的技術原理、工藝管理以及在實際應用中的探索。

關(guan) 鍵詞：薄膜前處理；矽烷；磷化

0　引言

隨著全球環境汙染的日益嚴(yan) 重，國內(nei) 外對環保、節能源等的要求也在不斷提高，汽車塗裝麵臨(lin) 轉型升級、材料更新換代的壓力和挑戰也越來越大，為(wei) 此，必須要淘汰能耗重、汙染高、資源利用率低的落後材料和工藝。汽車塗裝應用傳(chuan) 統的磷化前處理工藝，因磷化藥劑材料含有Ni、Mn等重金屬元素逐漸被地方法律法規所禁止。

薄膜前處理工藝相比於(yu) 傳(chuan) 統磷化前處理工藝，優(you) 點突出。麵對日益嚴(yan) 苛的環保、節能要求，薄膜前處理工藝逐步替代傳(chuan) 統的磷化前處理工藝，是技術進步的趨勢，也是發展的必然。

當然，在環保、節能要求日益嚴(yan) 苛的情況下，無毒無害的新型汽車塗裝薄膜前處理工藝技術得以快速發展並日趨成熟，目前行業(ye) 內(nei) 廣泛采用的薄膜前處理工藝主要有兩(liang) 類，一類是鋯係前處理工藝，一類是矽烷前處理工藝，本文主要介紹的是矽烷前處理工藝。

1　矽烷前處理工藝介紹

1.1　矽烷前處理的發展

矽烷最早被用於(yu) 玻璃或陶瓷等複合材料的膠黏劑，於(yu) 20世紀90年代初矽烷防鏽性能才開始被係統全麵地研究，通過相關(guan) 的研究發現，矽烷可以有效地用於(yu) 金屬或合金的防腐，隨著工藝技術的不斷發展，矽烷也逐步用於(yu) 汽車防腐。

1.2　矽烷處理的優(you) 點

1）矽烷環保。不含磷、鎳等對人體(ti) 有毒有害的重金屬及其他有害成分。

2）矽烷產(chan) 渣量少。矽烷產(chan) 渣量是傳(chuan) 統磷化產(chan) 渣量的十分之一，大大降低了處理有毒有害渣滓成本。

3）矽烷消耗藥劑少。由於(yu) 矽烷膜厚薄，故成膜過程消耗藥劑材料少，相同麵積成膜，消耗矽烷藥劑僅(jin) 是磷化的5%～10%。

4）減少建廠投資成本。矽烷前處理省去表調、鈍化等工藝過程，縮短生產(chan) 線，節省工藝時間，不僅(jin) 有利於(yu) 提高工廠產(chan) 能，同時對於(yu) 設備投資和占地情況也是大大節省。

5）節約能源。矽烷前處理在常溫下即可正常運行，不需要額外的加溫，節省加熱能源，而傳(chuan) 統磷化過程要求為(wei) 35～55 ℃，需要單獨加熱。

1.3　矽烷前處理工藝流程

薄膜前處理工藝流程相比於(yu) 傳(chuan) 統磷化前處理可以省掉表麵調整這一藥劑槽工序，但同時又因為(wei) 矽烷工序對雜質離子帶入有嚴(yan) 格要求，所以為(wei) 了減少前道工序帶入矽烷工序的雜質離子，可將原表麵調整工序更換為(wei) 純水洗，即在矽烷前增加一道純水浸洗工序。

產(chan) 渣量少是薄膜前處理工藝的突出優(you) 點之一，正因為(wei) 矽烷工藝產(chan) 渣量少，所以矽烷後水洗可以采用“噴洗→浸洗→噴洗”的方式，這樣又可以減少一道工業(ye) 水洗工序；矽烷前處理工藝不需要鈍化工序，又可節省一個(ge) 藥劑槽工序；由於(yu) 薄膜前處理常溫處理即可，因此可減少換熱裝置；綜上情況可減少設備、場地、用水等各方麵綜合投入，使整個(ge) 前處理線體(ti) 更加緊湊，這也是矽烷前處理工藝節省場地、設備等的具體(ti) 體(ti) 現，常見的工藝流程見圖1。

圖1  矽烷前處理常見工藝流程

1.4　矽烷前處理工藝反應機理

矽烷前處理液主要由鋯鹽及其相關(guan) 添加劑構成。反應機理主要是利用氟鋯酸鹽的水解反應在金屬基材表麵形成一種超薄的類似磷化晶體(ti) 的三維網狀結構的有機塗層吸附於(yu) 金屬表麵，網狀結構與(yu) 金屬表麵由Si—O—Me共價(jia) 鍵連接，由於(yu) Si—O—Me共價(jia) 鍵結合力很強為(wei) 塗料提供了很好的附著力，所以矽烷膜是一種化學性質穩定的有機-無機複合鋯化物。然後通過加入氧化劑和螯合劑，促進這個(ge) 氟鋯酸鹽水解反應的不斷進行，從(cong) 而獲得化學性質穩定、性能良好的金屬表麵矽烷皮膜。矽烷整個(ge) 反應過程主要分為(wei) 4個(ge) 過程：1）氟鋯酸鹽水解，形成穩定的弱酸性（pH為(wei) 4.5）槽液；2）矽烷槽液與(yu) 金屬表麵在1 μm區域接觸；3）矽烷弱酸槽液酸蝕金屬表麵，PH升高，氟鋯酸根離子開始變得不穩定；4）複合鋯化物沉積在金屬表麵，形成矽烷膜。

1.5  矽烷膜層介紹

矽烷膜層和傳(chuan) 統磷化膜層相比更薄，同時膜層晶相更細，詳情見圖2～3。

      圖2  矽烷膜晶相照片   

圖3  磷化膜晶相照片   

2　矽烷投槽

矽烷投槽主要有2種情況，一種是新建生產(chan) 線直接投槽；另一種是原有傳(chuan) 統磷化生產(chan) 線改造為(wei) 矽烷生產(chan) 線投槽。

2.1　新建生產(chan) 線投槽

新建生產(chan) 線矽烷投槽相對簡單，基本按照正常新建生產(chan) 線將線體(ti) 各槽深度保潔清洗幹淨，注意務必要將各槽體(ti) 清洗幹淨，主要工作有全線深度保潔、堿洗24 h、工業(ye) 水洗12 h、人工清洗12 h、工業(ye) 水/純水（使用水種分別對應槽體(ti) 使用水種）洗6 h，檢測pH結束，加藥劑正常投槽。

2.2　磷化改矽烷投槽

傳(chuan) 統磷化係統改矽烷投槽更要進行清洗徹底，有幾點尤其需要注意，具體(ti) 如下：1）表調槽改純水槽也需要清洗幹淨，表調、磷化出口噴淋需要將工業(ye) 水改為(wei) 純水；2）磷化槽清洗後，檢測磷酸根含量，嚴(yan) 格控製；矽烷加料管路徹底清洗；4）輸送吊具也需要全部進行徹底清洗。

3　工藝參數監控管理

矽烷前處理日常管理主要工作之一就是對工藝參數管理，矽烷主要參數有膜重、pH、Cu組分濃度、Zr組分濃度、遊離氟組分濃度、電導率等參數。

pH測定：校正pH計，將pH計電極用二級純水清洗，將電極插入試樣中，待pH計視數穩定後，顯示的讀數即為(wei) pH。

電導率測定：校正電導率計，將電導率計電極用二級純水清洗，將電極插入試樣中，待電導率計視數穩定後，顯示的讀數即為(wei) 電導率值。

Zr（鋯）組分濃度：使用RXF-X射線熒光光譜儀(yi) 進行測定。

氟離子測定：用二級純水清洗氟離子計電極，將電極插入試樣中，待氟離子計視數穩定後，顯示讀數即為(wei) 氟離子濃度。

膜重檢測：使用RXF-X射線熒光光譜儀(yi) 進行測量，分為(wei) 鍍鋅板和冷軋板兩(liang) 種。

4　對白車身要求

由於(yu) 矽烷膜重、膜厚較薄，為(wei) 保證電泳、麵漆車身質量，所以對白車身來件質量要求較高，對於(yu) 白車身攜帶鐵粉焊渣油汙、白車身打磨痕情況、板材粗糙度等均有一定程度要求，具體(ti) 要求及檢測頻次見表1。

表1　具體(ti) 要求及檢測頻次

5　應用過程實例——停線導致矽烷膜重超標

前處理采用矽烷工藝，眾(zhong) 所周知前處理一般采用自動輸送方式，既然是自動輸送必然依靠設備來運行，那麽(me) 就存在突發設備故障導致停線情況。

根據材料供應商提供的矽烷膜重參數範圍為(wei) 70～180 mg/㎡，如現場出現故障停線，矽烷槽內(nei) 泡槽車會(hui) 持續進行矽烷反應，膜厚膜重繼續增加，這樣一來矽烷膜重就可能會(hui) 超標，嚴(yan) 重的存在腐蝕報廢風險。投槽調試前期根據調試數據，膜重正常在90～100 mg/m²情況下，如停線超過3 min，則矽烷槽內(nei) 泡槽車身矽烷膜重就會(hui) 超標，為(wei) 此針對延長矽烷泡槽膜重超標事宜進行專(zhuan) 項研究，主要從(cong) 材料參數、設備運行等幾個(ge) 方麵進行試驗研究。

1）材料。通過對矽烷槽液Zr組分、F^-、Cu²⁺、Si組分等各項參數采用“單一變量法”進行調整試驗，通過試驗板試驗發現調整Zr組分濃度對於(yu) 矽烷成膜速度有一定影響，可以適當調整Zr組分濃度進而將膜重調整在適當範圍，最終延長矽烷槽內(nei) 泡槽車身泡槽超標時間，降低報廢風險。

2）設備。通過查閱各類資料，對影響矽烷反應速度的因素進行梳理，尤其是能夠快速改變矽烷反應速度的因素，發現槽液循環快慢對矽烷成膜反應速度有較大影響。為(wei) 此使用調試車進行循環試驗，通過使用調試車多次試驗，發現停線後立即停止循環泵以降低槽液循環能夠有效降低矽烷成膜速度，延長矽烷泡槽超標時間，從(cong) 而降低報廢風險。

通過以上從(cong) 材料、設備等方麵進行的試驗驗證，最終確認通過調整Zr組分濃度以及停線後立即停止循環泵運行等方法，可以有效降低機運突發停線後矽烷槽內(nei) 車身矽烷膜重超標風險，確保車身質量。

6　結語

隨著汽車塗裝工藝技術的不斷轉型升級、塗裝材料更新換代，加之薄膜前處理工藝相對傳(chuan) 統磷化工藝來說，在環保和節能等方麵的確具備突出的優(you) 點，該工藝是未來綠色汽車塗裝前處理發展的方向和趨勢。但是同樣的由於(yu) 薄膜前處理具有膜層薄的特點，所以薄膜前處理對於(yu) 鈑金表麵質量狀態要求較高，尤其是鍍鋅板更要提升板材零件本身的質量狀態，減少鈑金缺陷及過度打磨所導致的電泳顏色不一致甚至是打磨痕問題，也就是說在應用薄膜前處理工藝的同時還需提升白車身的來件質量，確保車身外表麵潔淨度和鈑金修整程度。在生產(chan) 過程中不僅(jin) 要做好工藝參數管理，同樣也要做好設備維護保養(yang) ，加強設備管理減少異常突發停線，從(cong) 而規避或減少減輕設備突發故障對產(chan) 品的影響。

（詳見《現代塗料與(yu) 塗裝》2019-10期）