专利名称：通用金属表面硅烷化处理剂及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通用金属表面硅烷化处理剂及其制备方法和应用。
背景技术：
含硅垸偶联剂的金属表面预处理剂已有较多报导，如200510127048. X公开了一种无铬金 属表面处理剂，是由包含水和/或醇作为溶剂的含硅粘结剂溶液组成，其二氧化硅组分的浓度 是8-25%重量。尤其是，包含通过烷氧基硅垸水解縮聚反应而得到的具有重均分子量 1000-10000的垸氧基硅垸低聚物的醇溶液的金属表面处理剂。但是这种包含水和/或醇的含 硅垸偶联剂的表面处理剂实际应用中还存在问题。其中一个问题就是硅烷水解后形成的硅醇 溶液容易发生自交联反应，使得硅醇溶液不稳定，硅垸膜的性能随难以控制。为得到性质稳 定的硅垸溶液，实验室的方法是采用醇含量很高的水解体系，减少水的相对含量，控制硅烷 水解速度。但是由于一般的醇，如甲醇、乙醇以及丙醇等，具有很强的挥发性和可燃性。醇 的挥发一方面引起体系成分改变，引起体系不稳定，且导致醇的大量浪费；另一方面，醇含 量高的体系具有高度易燃性，醇蒸汽含量达到一定限度甚至可能引起爆炸。鉴于醇体系在经 济性和安全性等方面的缺陷，金属表面硅烷化处理一直未能得到大规模应用。因此，国内外 相关研究工作者都试图寻找一种醇含量低，或者不含醇的体系。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中包含水和/或醇的含硅垸偶联剂的表面处理剂的缺点， 提供一种性质稳定、可节省有机原料，降低成本、使用安全的一种以水为主要溶剂的通用金 属表面处理剂。
通用金属表面处理剂，是由下列体积百分比的原料在有机溶剂和水的复相中，将硅烷 偶联剂经水解反应后形成的稳定硅醇水溶液pH值为5-9的去离子水100、硅烷偶联剂5-20、 有机溶剂5-20。
所述硅烷偶联剂为烷基类硅垸偶联剂、乙烯基类硅烷、氯丙基类硅烷、胺基类硅烷、
4疏基类硅烷、环氧基类硅垸、酰氧或酰脲类硅烷、含硫类硅烷及其它可溶解于有机溶剂中的 硅垸偶联剂。
所述有机溶剂为除四氯化碳以外的垸烃或卤代垸烃、环烷烃或卤代环烷烃、醚类或除苯 以外的芳香族化合物中的一种或一种以上的混合物。
所述烷基类硅烷偶联剂，如甲基三乙氧基硅垸、丙基三甲氧基硅垸等；所述乙烯基类硅 烷，如乙烯基三乙氧基硅垸、乙烯基三甲氧基硅烷等；所述氯丙基类硅烷，如Y-氯丙基三 乙氧基硅烷，三氯丙基三乙氧基硅垸等；所述胺基类硅烷，如Y-氨丙基三乙氧基硅烷、Y-氨丙基三甲氧基硅烷等；所述疏基类硅烷，如Y-疏丙基三甲氧基硅烷、Y-疏丙基三乙氧基 硅烷等；所述环氧基类硅烷，如Y- (2， 3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷等；所述酰氧或酰 脲类硅烷偶联剂如Y-酰脲丙基三乙氧基硅垸、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲基硅烷等；所 述含硫类硅垸偶联剂，如双-l，2[Y-三乙氧基硅丙基]四硫化物；所述其它可溶解于有机溶剂
中的硅垸偶联剂，如双-l,2[三乙氧基硅基]乙垸。
通用金属表面硅烷化处理剂的制备方法，包括以下步骤
(1) 复相溶液的制备取5-20体积的有机溶剂，5-20体积硅垸偶联剂，均匀混合，得 到硅垸主体溶液，将预先调节好pH的去离子水100体积注入硅烷主体溶液中，得到复相混合 液；
(2) 硅烷的水解控制复相混合液的温度在20-6(TC，水解反应0.5-12小时；
(3) 冷却至室温，此包含水相和有机相的复相，或者待清晰分层后分液所得水相作为金 属表面硅烷化处理剂；有机相可补充硅垸偶联剂后再重复使用。
所述硅垸偶联剂是根据硅烷膜用途的不同，选择不同的硅垸偶联剂；对于防腐蚀用硅烷 膜，硅烷偶联剂是选择不含亲水性官能团的硅垸，如双-1,2[Y-三乙氧基硅丙基]四硫化物、 双-1,2[三乙氧基硅基]乙垸、Y-环氧丙基三甲氧基硅垸、甲基三甲氧基硅烷以及丙基三甲氧 基硅烷；对于用作涂层底层的硅垸膜，是选择含有能和涂料成膜树脂发生交联反应基团的硅 垸偶联剂，如Y-疏丙基三甲氧基硅垸、双-[三乙氧基硅基]丙基胺、Y-氨丙基三乙氧基硅 烷、Y-酰脲丙基三乙氧基硅垸、Y-环氧丙基三甲氧基硅垸、乙烯基三乙氧基硅烷。
通用金属表面硅烷化处理剂的应用可应用于各种不同类型的金属表面处理，包括以步骤
(1) 金属预处理按按已有技术中的表面预处理流程处理混合液除锈一去离子水洗一 碱洗除油一热水洗一去离子水洗一沸水处理一干燥
(2) 按己有技术用喷涂法、浸泡法或者电辅助沉积法进行硅烷化处理；
(3) 硅烷化处理后的金属在80-16(TC温度条件下恒温干燥10-60min，使金属表面形成 致密硅烷膜。
本发明充分利用了硅烷水解前后分子结构及性能的差异，通常硅烷在水解前，分子的极 性非常弱，因此容易溶解于油性有机溶剂。但是当硅烷发生水解后，由于在分子中引入了极 性很强的羟基，使得整个分子的极性发生激增，水溶性也迅速增加。当溶解有硅烷的有机溶 剂和水形成复相时，油相中含水，但是含量较低，因此硅垸的水解速度可以很好控制，硅垸 水解后亲水的趋势增加，会离开油相向水相扩散，从而制得稳定的硅醇水溶液。
本发明具有以下优点(1)与高醇体系相比，体系中主要是水，有机相可重复使用，故 可节省大量的醇，降低成本；另一方面，克服了醇含量高体系的易燃性和引起爆炸的危险， 使用安全；(2)涉及的生产设备简单，操作方便。无需进行特许培训既可进行生产，因此有 利于金属表面硅垸化处理技术大范围的推广；(3)适用范围广，可适用绝大部分的硅烷偶联 剂的水解溶液的制备工艺。可以处理的金属包括钢、镀锌钢、铜、锌、铝、铝合金、镁合金 等。(4)处理效果好，所制备膜层能单独作为腐蚀防护体系应用，其抗水解、抗擦洗、抗盐 雾能力强，对金属的保护周期长；(5)所使用的试剂均属于环境友好型试剂，能有效代替铬 化、磷化处理工艺对人体和环境产生的危害。(6)大大提高和增强了硅烷化处理技术的实际 应用价值，推动了金属表面硅烷化处理技术的工业化发展。
具体实施例方式
实施例l:取10体积的有机溶剂三氯甲烷，5体积硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷，将预先 调节好pH的去离子水100体积注入硅烷主体溶液中，均匀混合，得到稳定复相体系。控制此体 系温度在3(TC条件下反应4小时，得到含适宜浓度硅醇的水相和含未水解硅垸偶联剂的油相。 用碱性清洗剂在60-70。C温度范围内处理碳钢试样表面5-30秒，去离子水冲洗干净，压縮空气吹 干，将经此预处理后的金属直接浸没于水相中5分钟。取出，在80'C干燥30分钟。在模拟海水溶液中采用腐蚀电化学方法测得其腐蚀速度为0.0117mm/a，采用GB/T 5210-85《涂层附着力的 测定方法一拉开法》测得其与涂层的粘接强度为9.24MPa。
实施例2:取IO体积的有机溶剂三氯甲垸，5体积硅垸偶联剂Y-氨丙基三乙氧基硅烷，将预 先调节好pH的去离子水100体积注入硅烷主体溶液中，均匀混合，得到稳定复相体系。控制此 体系温度在3(TC条件下反应半小时，得到含适宜浓度硅醇的水相和含未水解硅烷偶联剂的油相。 用碱性清洗剂在60-70'C温度范围内处理碳钢试样表面5-30秒，去离子水冲洗干净，压縮空气吹 干，将经此预处理后的金属直接浸没于水相中5分钟。取出，在6(TC干燥50分钟。在模拟海水 溶液中采用腐蚀电化学方法测得其腐蚀速度为0.092mm/a，采用GB/T 5210-85《涂层附着力的测 定方法一拉开法》测得其与涂层的粘接强度为10.86MPa。
实施例3:取10体积的有机溶剂环己烷，20体积硅烷偶联剂Y-氨丙基三乙氧基硅烷，预先调 节好pH的去离子水100体积，均匀混合，得到稳定复相体系。控制此体系温度在55'C条件下反 应半小时，得到含适宜浓度硅醇的水相和含未水解硅烷偶联剂的油相。用碱性清洗剂在60-70'C 温度范围内处理碳钢试样表面5-30秒，去离子水冲洗干净，压缩空气吹干备用。在边搅拌条件 下，将填充物、丙烯酸树脂以及引发剂加入水相中，混合均匀。以空气为载气，将得到的均匀体 系喷涂在经过预处理的金属表面，在80。C干燥30分钟，此涂层厚度为0.1mm左右。在模拟海水 溶液中采用腐蚀电化学方法测得其腐蚀速度为0.0025mm/a，采用GB/T 5210-85《涂层附着力的 测定方法一拉开法》测得其与涂层的粘接强度为8.73MPa。
实施例4:取20体积的有机溶剂二甲苯，IO体积硅烷偶联剂Y- (2， 3-环氧丙氧)丙基三甲 氧基硅浣，预先调节好pH的去离子水100体积，均匀混合，得到稳定复相体系。控制此体系温 度在室温条件下反应4小时，得到含适宜浓度硅醇的水相和含未水解硅烷偶联剂的油相。用碱性 清洗剂在60-70'C温度范围内处理镀锌钢试样表面5-30秒，去离子水冲洗干净，压縮空气吹干， 将经此预处理后的金属直接浸没于水相中25分钟。取出，在16(TC干燥30分钟。在模拟海水溶 液中采用腐蚀电化学方法测得其腐蚀速度为0.083mm/a,采用GB/T 5210-85《涂层附着力的测定 方法一拉开法》测得其与涂层的粘接强度为14.65MPa。
实施例5:取10体积的有机溶剂正十烷，10体积硅烷偶联剂双-l，2[Y-三乙氧基硅丙基p硫化 物，预先调节好pH的去离子水100体积，均匀混合，得到稳定复相体系。控制此体系温度在43°C条件下反应4小时，得到含适宜浓度硅醇的水相和含未水解硅烷偶联剂的油相。用碱性清洗剂在 60-70'C温度范围内处理铝合金试样表面5-30秒，去离子水冲洗干净，压缩空气吹干，将经此预 处理后的金属直接浸没于水相中25分钟。取出，在10(TC干燥45分钟。在模拟海水溶液中采用 腐蚀电化学方法测得其腐蚀速度为0.0057mm/a，采用GB/T 5210-85《涂层附着力的测定方法一 拉开法》测得其与涂层的粘接强度为16.25MPa。
实施例6:取5体积的有机溶剂溴代环己烷，10体积硅烷偶联剂双-l,2[三乙氧基硅基]乙烷， 预先调节好pH的去离子水100体积，均匀混合，得到稳定复相体系。控制此体系温度在3(TC条 件下反应12小时，得到含适宜浓度硅醇的水相和含未水解硅垸偶联剂的油相。用碱性清洗剂在 60-70'C温度范围内处理铝合金试样表面5-30秒，去离子水冲洗干净，压縮空气吹干，将经此预 处理后的金属直接浸没于水相中，同时用恒电位仪控制铝合金电位为-0.78v-0.82v，电辅助沉积20 分钟。取出，在10(TC干燥45分钟。在模拟海水溶液中采用腐蚀电化学方法测得其腐蚀速度为 0.016mm/a，采用GB/T 5210-85《涂层附着力的测定方法一拉开法》测得其与涂层的粘接强度为 15.33MPa。
实施例7:取IO体积的有机溶剂石油醚和正庚烷(体积比1: 1) ， 10体积硅烷偶联剂双-1,2[^ 三乙氧基硅丙基]四硫化物，预先调节好pH的去离子水100体积，均匀混合，得到稳定复相体系。 控制此体系温度在5(TC条件下反应6小时，得到含适宜浓度硅醇的水相和含未水解硅烷偶联剂 的油相。用碱性清洗剂在60-7(TC温度范围内处理镁合金试样表面5-30秒，去离子水沖洗干净， 压缩空气吹干，将经此预处理后的金属直接浸没于水相中20分钟。取出，在100'C干燥45分钟。 在模拟海水溶液中采用腐蚀电化学方法测得其腐蚀速度为0.088，采用GB/T 5210-85《涂层附着
力的测定方法一拉开法》测得其与涂层的粘接强度为10.82MPa。
权利要求
1. 一种通用金属表面硅烷化处理剂，其特征在于，是由下列体积百分比的原料在有机溶剂和水的复相中，其硅烷偶联剂经水解反应后形成的稳定硅醇水溶液pH值为5-9的去离子水100、硅烷偶联剂5-20、有机溶剂5-20。
2. 根据权利要求1所述的通用金属表面硅烷化处理剂，其特征在于，所述硅烷偶联剂为 烷基类硅烷偶联剂、乙烯基类硅垸、氯丙基类硅垸、胺基类硅垸、疏基类硅烷、环氧基类硅 烷、酰氧或酰脲类硅垸、含硫类硅烷及其它可溶解于有机溶剂中的硅烷偶联剂。
3. 根据权利要求1所述的通用金属表面硅烷化处理剂，其特征在于，所述有机溶剂为除 四氯化碳以外的垸烃或卤代烷烃、环烷烃或卤代环烷烃、醚类或除苯以外的芳香族化合物中 的一种或一种以上的混合物。
4. 一种通用金属表面硅垸化处理剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1) 复相溶液的制备取5-20体积的有机溶剂，5-20体积硅烷偶联剂，均匀混合，得 到硅垸主体溶液，将预先调节好pH的去离子水100体积注入硅烷主体溶液中，得到复相混合 液；(2) 硅垸的水解控制复相混合液的温度在20-60°C，水解反应0.5-12小时；(3) 冷却至室温，以包含水相和有机相的复相，或者待清晰分层后分液所得水相作为金 属表面硅垸化处理剂；有机相可补充硅垸偶联剂后再重复使用。待清晰分层后分液，水相或含有机相的水相为金属表面硅烷化处理剂；有机相可补充硅 垸偶联剂后再重复使用。
5. 根据权利要求4所述的金属表面硅垸化处理剂的制备方法，其特征在于，所述 硅烷偶联剂是根据硅垸膜用途的不同，选择不同的硅垸偶联剂；对于防腐蚀用硅垸膜，硅垸偶联剂是选择不含亲水性官能团的硅垸，如双-l,2[Y-三乙氧基硅丙基]四硫化物、双 -1，2[三乙氧基硅基]乙烷、Y-环氧丙基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅垸以及丙基三甲氧基 硅垸；对于用作涂层底层的硅垸膜，是选择含有能和涂料成膜树脂发生交联反应基团的硅烷偶联剂，如Y-疏丙基三甲氧基硅垸、双-[三乙氧基硅基]丙基胺、Y-氨丙基三乙氧基硅烷、 Y-酰脲丙基三乙氧基硅烷、Y-环氧丙基三甲氧基硅垸、乙烯基三乙氧基硅烷。
6. —种如权利要求1所述通用金属表面硅烷化处理剂的应用，其特征在于，可应用于各 种不同类型的金属表面处理，包括以下步骤(1) 金属预处理按已有技术中的表面预处理流程处理混合液除锈一去离子水洗~ 洗除油一热水洗一去离子水洗一压缩空气吹干备用；(2) 按已有技术用喷涂法、浸泡法或者电辅助沉积法进行硅烷化处理；(3) 硅烷化处理后的金属在80-16(TC温度条件下恒温干燥10-60min,使金属表面形成 致密硅烷膜。
全文摘要
本发明公开了一种通用金属表面硅烷化处理剂及其制备方法和应用。是取5-20体积的有机溶剂，5-20体积硅烷偶联剂，均匀混合，得到硅烷主体溶液，将预先调节好pH的去离子水100体积注入硅烷主体溶液中，得到复相混合液；控制复相混合液的温度在20-60℃，水解反应0.5-12小时；冷却至室温，待清晰分层后分液，水相为金属表面硅烷化处理剂；有机相可补充硅烷偶联剂后再重复使用。本发明可降低成本；使用安全；生产设备简单，操作方便；可以处理的金属包括钢、镀锌钢、铜、锌、铝、铝合金、镁合金等。处理效果好，抗水解、抗擦洗、抗盐雾能力强，对金属的保护周期长；大大提高和增强了硅烷化处理技术的实际应用价值，推动了金属表面硅烷化处理技术的工业化发展。
文档编号C23C22/05GK101476118SQ200910042568
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者何德良, 崔正丹, 徐以兵, 王名浩, 舟 舟 申请人:湖南大学