江苏省 226500
摘要：汽车前处理主要是为了清洁白车身的油污以及残留杂质，调整车身的表面状态，提高钢板底材与涂层之间的附着力以及耐腐蚀性能。传统的三元磷化处理技术经过近50年的发展，现已成为国内外汽车涂装前处理行业的主流核心技术。但该技术也存在着一些缺点，比如热能源消耗太大，磷、镍、锰等有害物质含量高，对环境和现场工作人员健康危害较大，且为保证磷化膜质量，还需增设酸洗、表调及钝化等工序，造成工艺操作复杂，生产投资成本较高。因此，采用环保型的新型汽车前处理工艺是十分必要的，硅烷化处理技术的发展和工业化应用，为汽车前处理工艺开辟了新的途径。
关键词：硅烷；前处理：环保；汽车涂装
硅烷工艺流程、成膜原理和槽液控制参数，叙述了硅烷工艺的管理要点，包括对膜质量的管控、车身杂质的控制、槽液的杀菌处理和硅烷后的出槽喷淋。
一、硅烷工艺流程
某涂装车间将正在进行设备安装的前处理磷化工艺改为硅烷工艺，即主要将原设计的磷化槽用作硅烷槽，原设计的表调槽用作纯水浸洗槽，其他设备未做更改。改造后的涂装线前处理电泳工艺流程如下：洪流洗→预脱脂→主脱脂→1#水喷洗→2#水浸洗→出槽高压水洗斗3#纯水浸洗一硅烷处理一纯水出槽喷淋→4#纯水喷洗→5#纯水浸洗→出槽高压纯水洗→6#纯水喷洗→新鲜纯水喷洗→电泳→出槽喷淋→1#超滤水洗→2#超滤水洗→新鲜超滤水洗→纯水洗→新鲜纯水洗。
二、硅烷化处理技术
1.基本原理。硅烷化处理是以硅烷偶联剂等有机硅烷为主要原料，通过水解、缩聚、脱水缩合等化学反应成膜完成对金属表面改性处理，提高涂膜附着力等性能。硅烷偶联剂可用通式R'Si（OR）3表示，其中OR为可水解基团（如Cl、OAc等），R'为有机官能团（如氨基、环氧基）容易与有机聚合物（树脂及有机涂料）以共价键相连，其反应机理如下：
（1）水解反应
上述反应机理可知，硅烷化前处理技术是以有机硅烷和金属表面发生脱水缩合反应实现成膜的过程，不产生磷、镍、锰等有害物质，可以避免对环境和现场工作人员的身体健康产生危害。
2.硅烷化处理工艺。（1）工艺流程。从硅烷化处理工艺的原理可以看出，该工艺主要是通过一系列的化学反应实现对白车身表面的处理。与传统的磷化工艺相比，其处理工艺流程相对简单。硅烷化处理减少了表调、钝化及多次水洗等工序，极大地简化了工艺流程。通过研究发现，硅烷化处理工艺时间为0.5～2 min，与传统磷化工艺相比，工作节拍可以提高3 min左右，工作效率可提高70%以上。（2）工艺控制。1）工艺参数控制。其中的处理时间是指车身完全浸没在液面下（即车尾入槽到车头出槽）的时间。相对传统工艺相比，硅烷化处理工艺参数简单易控，在室温下便可对工件进行处理，处理时间短，减少了热能的消耗，避免了资源浪费。2）工艺成本控制。硅烷化前处理工艺操作简单、处理步骤少，工艺流程相比传统磷化工艺更加优化，在设备、能源、化学品费用及占地面积等方面可减少大量资金投入，降低生产成本。硅烷化处理工艺减少了钝化槽、表调槽及循环泵等设备投入。同时，硅烷化处理工艺因不产生磷化渣，也减少了除渣方面的基础设施投入（除渣机和除渣泵），解决了传统工艺造成环境污染等问题。在节能环保及使用成本方面，硅烷化前处理技术具有明显的成本优势，按目前国内一般磷化线（以磷化温度40～45℃）、硅烷（仅冬天加热到15℃以上），电价1元、一个循环泵2万元，年处理面积360万m 2来计算，对磷化工艺和硅烷化工艺的成本投入做了对比。用硅烷化取代传统磷化工艺后，生产线设备投资总费用降低了20%～30%，磷化槽需要运行4个循环泵，而硅烷槽只需运行1个循泵，可节约电能0.15元/m 2。无需表调工序，可节约所有表调相关药剂约18万元/a；生产车间面积也可减少20%～30%；运行综合成本可降低20%～25%。生产时无需除渣而造成停线，工人生产劳动强度低，生产效率可以得到很大的提升。
3.涂膜质量控制。为验证硅烷化处理技术对涂膜质量影响，借用三元磷化处理工艺的涂膜考核指标，如涂膜厚度、涂膜外观、铅笔硬度、附着力、耐冲击性等，验证了硅烷化处理工艺的可行性，通过试验数据可以看出，经硅烷化处理后，部件的附着力明显优于传统磷化工艺。膜重、涂膜厚度、耐中性盐雾试验能力也较优于传统磷化工艺。
三、硅烷处理工艺管理要点
1.膜质量的管控。膜质量是评价硅烷处理的重要指标，通过调控槽液参数以保证膜质量在控制范围内。镀锌板膜质量范围70～180 mg／m2．在膜质量控制范围内，膜质量越高，防腐性能越强。当膜质量高于上限时，膜层的附着力下降，导致防腐能力变差。当膜质量低于下限时，膜层无法起到防腐作用。当其他参数不变时，在控制范围内的锆含量和硅含量变化对膜质量基本无影响；在控制范围内的pH变化对膜质量的影响较小。铜是硅烷膜质量的主要化学调控参数之一，铜还能加速镀锌板上的硅烷反应。液其他参数不变时，镀锌板上铜浓度对硅烷膜质量影响的定性分析如图1所示。
图2 锌板上游离氟浓度对硅烷膜质量影响的定性分析
如图2所示，当其他参数不变时，增加氟浓度，会使膜质量降低：反之．降低氟浓度，会使膜质量增加。另外，膜质量也会随温度升高而增加。槽液其他参数不变时，根据硅烷槽液温度的变化，测定了不同温度下镀锌板硅烷膜质量的数值。
2.车身杂质的控制。硅烷膜较薄，仅0．04～0．20μm，对车身底材的遮蔽性差，因而对车身表面洁净度要求高。2#水洗和5#水洗后均增加了高压喷淋，以便更好地去除车身表面的颗粒杂质，保证电泳质量。采用高压喷淋水洗后，电泳涂膜单车打磨点数明显减少。
3.槽液的杀菌处理。硅烷槽液含有大量有机硅，容易滋生细菌，因此需每周杀菌。而纯水洗槽不含多种金属离子，较硅烷槽更易滋生细菌，所以也需每周杀菌。杀菌剂均为3％双氧水。若不控制硅烷槽和纯水洗槽的细菌含量，大量繁殖的细菌会在车身表面形成颗粒，影响车身品质。
图3 2017年5月的硅烷槽和前后水洗的细菌检测结果
图3为2017年5月的硅烷槽及前、后水洗的细菌检测结果。其中硅烷槽几乎无细菌．3#水洗含少量细菌，而4#、5#和6#水洗细菌量较多，但均在控制范围内。此外，细菌源也需管控，不仅要对纯水进行紫外杀菌处理，而且要对生产现场加强卫生监管，避免有死角区造成大量细菌滋生。目前硅烷槽及前、后纯水洗的细菌控制良好，未出现因滋长大量细菌而引起的质量问题。
4.硅烷处理后的出槽喷淋。硅烷浸槽在车体出槽处有一道喷淋（包括侧部和顶部）。车体出槽后，表面附着的硅烷液不均，如不及时冲洗，终止局部反应，易导致电泳后的车身发花。在保证冲洗干净残留硅烷液的前提下，出槽喷淋流量要尽量低。因为过多的喷淋会导致过多的硅烷槽液溢流。
总之，涂装前处理由硅烷工艺代替磷化工艺已成为主要趋势。虽然理论上硅烷工艺的运行管理和质量管理难度更大，但通过近两年的实践，已实现对硅烷工艺的成熟管控，并能与电泳良好配套，车身质量达到国际先进水平。
参考文献：
[1]张玉华，浅谈硅烷前处理技术在汽车涂装线的应用.2017.
[2]陈佳茹．硅烷技术在涂装过程中的实际应用及管理.2017.
论文作者:张恩宇1,谢晟晓2
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/21
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