摘 要: 介绍硅烷预处理反应机理，对预处理液中的主要影响因素通过正交实验进行研究，找出最佳工艺参数。预处理后喷涂丙烯酸粉末涂层，通过附着力、乙酸铜盐雾试验和 FILIFORM 试验检查涂层性能。结果表明: 预处理液中硅烷浓度 8 g/L，添加剂浓度 1. 0 g/L，pH =2. 0，反应时间 2 min 为最优条件，硅烷预处理能显著提高铝合金表面丙烯酸粉末涂层的附着力和耐腐蚀性。
关键词: 硅烷; 预处理; 铝合金; 耐腐蚀性
铝合金具有较高的机械强度和弹性模量、较低的热膨胀系数及较好的耐磨性，广泛应用于太空、电子、电器等工业及医疗器械［1］，铝合金容易发生小孔腐蚀和局部腐蚀，特别是在氯离子的介质中腐蚀更为严重。为提高涂膜与金属基体的结合力及金属基体的耐腐蚀能力，出现了很多表面处理方法，其中六价铬转化膜的应用最成熟、广泛。然而，六价铬有毒并有致癌作用，欧盟颁布 RoHS 法规禁止含六价铬的电子及电器设备投放市场［2］。因此，许多学者对 Ti 、Zr、Mo、W、Ce、Co、Sn 等金属的表面化学转化膜进行了深入研究［3 －6］，除此之外，稀土转化膜也被认为是最有前途的转化膜［7］。
三价铬转化膜符合 RoHS 法规，国外一些科学家研究了一种新的三价铬转化膜工艺，研究了转化膜的成分、形貌及价态［8］，但三价铬的耐腐蚀性有待提高。随着环保要求不断提高无铬转化膜技术正逐步代替有铬转化膜技术。
硅烷可与铝合金基体表面的铝氧化物形成极强的Al—O—Si键，而硅烷的有机部分又可与表面涂层形成化学键结合，极大地提高铝合金表面的耐腐蚀性以及铝合金与涂层的结合强度［9］。硅烷化处理是一种很有前途的金属表面处理技术，有望取代目前普遍应用的污染环境的磷化和铬化技术［10］。
1 反应机理
硅烷防护技术的基本原理是硅烷中的硅羟基与金属氧化物的反应以及硅烷自身的缩聚反应［9 －10］。硅烷分子通式为X—R—Si( OR7) ，其中 X 代表能与有机物反应的官能团，硅烷化反应可分为 4 个步骤:( 1) 硅烷水解，反应如式( 1) 所示。( 2) 低聚物中的 SiOH 与铝材表面上的—OH形成氢键，反应如式( 2) 所示。
2 实验部分
2. 1 标准实验板制备
标准实验板制备流程为: 脱脂碱洗→水洗→表调→纯水洗→硅烷处理→纯水洗→烘干→喷涂丙烯酸透明粉末涂料→烘烤→完成。
2. 2 实验设计
本实验根据铝合金预处理线生产工艺，影响硅烷前处理的因素主要有: 硅烷溶液浓度、添加剂浓度、pH、喷淋时间。确定以上 4 个因素为影响因子设计 4因素 3 水平正交试验，正交实验数据如表 1 所示。
2. 3 检测和评判方法
2. 3. 1 附着力检测
试验条件: 涂层厚度 80 μm，6 道网格线，间距2 mm，使用宽 25 mm，粘附力在 6 ～ 10 N 之间的胶带，胶带长度至少 50 mm。在贴上胶带后5 min内，抓住胶带自由端在 0. 5 ～1. 0 s 之间稳定地将胶带以尽可能接近 60°的角度拉掉。
2. 3. 2 乙酸铜加速盐雾试验
乙酸铜盐雾试验( CASS) 的试验参数见表 2。
2. 3. 3 丝状腐蚀( FILIFORM) 试验
试验条件: 6 h CASS 后672 h 温湿度［温度( 60 ±1) ℃ ，相对湿度 ( 85 ± 3) % ］。CASS 箱取出后需垂直浸入去离子水中，正反旋转 90°后垂直取出，浸洗总时间 2 ～3 s，去除多余的 CASS 溶液，然后放入湿热试验箱。
3 结果与讨论
3. 1 正交试验结果分析
正交试验 CASS 检测结果和附着力( CASS 试验后湿膜检测) 检测结果见表 3，根据表 3 正交试验分析腐蚀宽度和附着力，判定出腐蚀影响因素的顺序是: pH ＞ 喷淋时间 ＞ 添加剂浓度 ＞ 硅烷浓度。根据表 3 结果，从腐蚀宽度影响均值分析: ( 1)硅烷浓度低时候腐蚀宽度小，硅烷浓度增大一定数值后，腐蚀宽度增加不变，因此可以得出当浓度一定时，硅烷浓度增加，对腐蚀影响不大; ( 2) 随着硅烷添加剂浓度增加，腐蚀先减小后增加，添加剂浓度控制在1. 0 g / L 左右最佳; ( 3) pH 对腐蚀宽度影响最大，pH越小，腐蚀宽度越小，因为 pH 小，溶液酸度低，使得铝合金表面活度高，钝化膜形成的致密; ( 4) 喷淋随着喷淋时间的增加，腐蚀宽度先减小后增加，可以看出喷淋时间增加，钝化膜增厚，钝化膜过厚其腐蚀宽度反而增加，耐蚀性降低。
从附着力影响均值分析: ( 1) 硅烷浓度增加，附着力先降低后增加，添加剂浓度增加，附着力先增加后降低，这两者相互影响，与腐蚀宽度影响相似; ( 2)pH 低时附着力强，pH 升高时附着力随之降低，当 pH升高到一定数值后，附着力不再降低; ( 3) 喷淋时间增加，附着力增强，成膜结构好，但时间过长，钝化膜过厚，附着力下降。从上述分析可以得出最佳方案为: A1B2C1D2。
3. 2 最佳方案
通过正交试验得出最佳方案为: 硅烷浓度: 4 g/L;添加剂浓度:1. 0 g/L; pH:2. 0; 反应时间:2 min。
3. 3 涂层性能对比
根据最佳方案，制作标准样板，将未经硅烷处理和经硅烷处理的丙烯酸透明涂层进行性能对比，结果见图 1 和表 4。
从图 1 和表 4 中可以看出铝合金经过硅烷表面处理后，附着力显著提高，达到 100% 未脱落。未经硅烷处理的铝合金涂层腐蚀宽度 5. 1 mm，经过表面处理后的腐蚀宽度 2. 0 mm，有很大提高。湿热线性腐蚀宽度由 8. 2 mm 降低到 4. 1 mm。试验结果表明铝合金轮毂表面经过硅烷表面处理后涂层的附着力和耐蚀性均显著提高。
4 结 语
( 1) 硅烷预处理可提高铝合金表面涂层耐蚀性，对腐蚀影响因素的结果是: pH ＞ 喷淋时间 ＞ 添加剂浓度 ＞ 硅烷浓度; 通过正交试验得出最佳方案为: 硅烷浓度: 4 g/L; 添加剂浓度: 1. 0 g/L; pH: 2. 0; 反应时间: 2 min。
( 2) 经过硅烷预处理的铝合金喷涂丙烯酸粉末涂层后的耐蚀性和附着力显著提高。
( 3) 硅烷处理后耐腐蚀性保护有限，还需进一步提高。
( 4) 硅烷转化膜将铝合金基体与有机物牢固地粘结在一起，使其获得了具有良好涂装与防蚀效果的超薄有机涂层，在铝合金表面处理领域潜力巨大。它的推广及应用将会给传统的铬酸盐化学转化技术带来革命性的改变，对铝及其合金涂装行业的清洁生产产生深远影响。
参考文献略
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