无机化学小论文

无机化学小论文

题目名称：硅烷化技术的应用及发展系部名称：理学院化学系班 级：学 号：学生姓名：李斯涵指导教师：岳红

11081501 2015302771 2016年 1 月

论文题目

摘 要

材料表面工程技术是在不改变材料基本组成的前提下，投入较少的费用，大幅度地提升材料性能，是国民生产生活中必不可少的一门技术，其中金属磷化技术由于其所具有的优良特性，在涂装前处理、润滑、除锈等行业得到了广泛应用。但由于当今世界节能减排和清洁发展的需要，磷化技术已经不能很好的适应社会发展需要，而我们可以用性能更好，对环境友好的硅烷化处理技术取代传统磷化技术。本文主要简介了材料表面处理技术、金属磷化技术、硅烷偶联剂、硅烷化技术，讲解了硅烷化技术的特点，应用，及发展趋势。 关键词： 关键词1 材料表面工程技术; 关键词2 金属磷化技术; 关键词3 硅烷化技术

• I •

目 录

摘 要 ......................................................................................................... I 一、 金属表面处理技术概述 ......................................................................... 1 二、金属磷化技术 ........................................................................................... 1 （一） 发展概况 ......................................................................................... 1 （二） 特点与应用 ..................................................................................... 1 三、硅烷偶联剂 ............................................................................................... 2 （一）硅烷偶联剂的概念 ........................................................................... 2 （二）硅烷偶联剂的发展简述 ................................................................... 2 四、硅烷化技术 ............................................................................................... 2 （一）硅烷化技术的概念及其作用机理 ................................................... 2 （二）硅烷化技术相对于磷化技术的优势 ............................................... 3 （三）硅烷化技术的具体应用...................................................................3

（四）硅烷化技术的发展 ........................................................................... 3 五、结 论 ......................................................................................................... 4 致 谢 ................................................................................................................. 5 参考文献 ........................................................................................................... 6

• II •

硅烷化技术的应用及发展

一、 材料表面工程概述

表面工程的内涵为，从材料表面的实际应用出发，科学设计工艺方法，严格监控工艺过程，实际检测施工质量，并对全过程进行记录和总结，改进其中不足，不断提高技术水平，丰富理论内涵，开发新的用途和应用领域。

表面技术的应用，能使产品不断更新，物美价廉，占领市场并明显提高经济效益，表面技术涉及众多行业。

表面技术种类繁多，按照作用原理，可以分为原子沉积、颗粒沉积、整体覆盖、表面改性。按照其含义可大致分为：表面技术的基础和应用理论；复合表面处理技术、表面改性和表面涂覆技术；表面加工技术；表面分析和测试技术；表面工程技术设计等。在表面涂覆技术中磷化学处理占有重要地位。

二、金属磷化技术

磷化处理就是将金属放在含有磷酸、磷酸盐和其他化学药品的溶液中，在一定的工艺条件下，经与上述溶液接触、浸泡从而在金属的表面发生电化学与化学反应，使金属表面生成完整的、具有一定防腐作用的不溶性磷酸盐层，该膜层即称为磷化膜。该膜层不仅在金属防腐蚀方面起到了重要作用，而且在金属塑性加工，减少摩擦阻力、润滑、作涂装底层等方面也起到了重要作用。

（一） 发展概况

1869年到1911年为奠定磷化处理技术基础时期，在1869年英国的Charles Ross获得磷化处理工艺的专利，标志着磷化工艺的诞生。随后，磷化处理技术的发展着重于缩短处理时间，降低处理温度，改进磷化膜的性能，扩大磷化膜的用途。1917年到1937年，磷化处理技术迅速发展和广泛应用。1937年到2000年，在这个时期磷化处理技术很少有突破性的进展，只有稳步地发展和完善，重要改进主要有：低温磷化；各种控制磷化膜膜重的方法；连续钢带高速磷化处理工艺。2000年以后，主要是为了实现清洁生产与节能减排。开发新技术使磷化的温度降低，速度加快。同时将烷化处理技术应用于金属表面防腐，起到工艺稳定、成本较低、防腐能力较高的效果，这种技术可以有效得取代部分磷化。

（二） 特点及应用

由于磷化处理生成的磷化膜与基体结合牢固，且具有微孔结构，吸附性能良好，所以可大大提高涂装质量。另外，磷化膜具有良好的润滑性、绝缘性和耐蚀性，因而被广泛应用于汽车、轮胎、机械制造、航空航天和家用电器等产品制造领域。但磷化处理本身也存在很多自身无法克服的弊端：磷化处理液中含有磷酸盐及重金属等有害物质如不进行环保处理就会危害环境；另外，磷化处理大部分需在加温的条件下进行，能耗较大，工艺复杂，操作也不方便。因此，为了解决这一问题，为了满足日益增长的环保、健康及资源节约的

• 1 •

要求，可以用硅烷化技术全面取代传统磷化工艺

三、硅烷偶联剂

（一）概念

硅烷偶联剂是既含有碳官能团（硅通过亚烃基与有机官能团键合的基团），又具有硅官能团（直接连接硅上易水解、缩合的基团）的有机硅化合物。

（二） 发展简述

20世纪40年代初，美国的一家实验技术人员因为实验意外发现了一种以玻璃布与不饱和聚酯构成的复合物，进而推动了采用玻璃纤维及其产品做增强材料、以有机树脂做胶黏剂的复合材料的发展。随着这种复合材料的发展与使用，人们发现该材料置于潮湿空气和水中，强度会明显下降，为了解决这一问题，人们找到了有机硅化物，当时恰逢这类有机硅化物的合成和研究处于高潮。为研究有机硅化物作为玻璃纤维处理剂提供了基础。后来随着有机聚合物复合材料的广泛使用，研究者对用于无机/有机复合材料中的有机硅烷化合物所起的作用十分关注。因此，不同研究者通过FT-IR、SEM、XRF、AES、XPS、ESCA等现代分析技术对复合材料界面层进行了深入研究，除进一步推动这类化合物的有效应用外，还对它的作用提出了化学键合、表面潮湿和形成互穿网络界面层等几种理论解释。

研究开发者利用这类开发者利用这类化合物的反应特性，已将它们运用于有机聚合物复合材料制备和应用，开发出多种多样加工性能优良、在不同环境下使用性能稳定的树脂基复合材料、橡胶制品、涂料、胶黏和密封材料以及用于金属表面硅烷化保护膜等，其发展势头方兴未艾。

四、硅烷化技术

（一）硅烷化技术的概念及其作用机理

在金属材料保护领域，采用硅烷偶联剂对金属进行预处理的技术被称为硅烷化技术。它在金属表面的作用机理可以简单概括为：硅烷偶联剂首先发生水解反应，进而脱水形成低聚合物，在这个过程中水解物和这种低聚物与金属表面的烃基形成氢键，后发生脱水反应形成部分共价键，最终结果是金属表面被有机硅化膜所覆盖。

（二）硅烷化技术相对于磷化技术的优势

1，硅烷化技术形成的纳米硅氧烷超薄有机硅膜，可以替代传统的磷化膜，是节能降耗、优质高产、降本增效的优异材料，硅烷化技术可以取代传统的磷化技术。

2，就有机硅烷膜与磷化膜两者耐腐蚀性和涂层的附着力比较，前者性能优于后者，如磷化膜的重量一般为2~3g/m，而硅烷膜重0.1g/m，两者相差20倍左右，有机硅烷化膜具有优异的防锈能力，不出现泛黄和生锈的现象，质量很稳定，与涂层结合度很高。

• 2 •

3，Si-O-M共价键分子间的结合力很强，所以产品很稳定，从而可以提高产品的防腐蚀能力。

4，使用方便，便于控制，槽液位双组份液体组成，仅需控制PH值和电导率，无须像磷化液那样要控制游离酸，总酸，促进剂，锌，镍锰的含量，处理温度等诸多的工序参数。

5，节约能源，槽液不需要加温处理，可室温或低温操作，能源费用降低。

6，优异的环保性能。硅烷处理槽成分中无磷酸盐、COD/BOD重金属离子、槽底废渣。废水排放少且容易处理，简化操作，如果安装过滤器及离子交换器，可以做到封闭循环使用。清洁生产，优化环境。

7，适用性强：适用于浸渍、喷淋、喷涂、浸涂，混涂和粉末涂装等处理方式。 8，适用于多种金属处理，如冷轧板，热镀锌板，电镀锌板，涂层板，铝等不同板材的混线处理。

9，工艺流程较磷化大为简化，工艺简单，流程短，有机硅烷处理后不需水浇，可直接烘干，节约水资源。甚至在有机硅烷处理后也可不用烘干，直接电泳。

10，综合成本低，产品消耗量低，三废处理成本低。

11，与原有磷化涂装工艺与涂装设备相容，不需要进行设备改进，只需将磷化液换为硅烷处理液，即可投入生产。

（三）硅烷化技术的具体应用

在汽车行业中，可以应用于汽车零件部行业喷漆中的喷涂、喷粉以及电泳前处理，且有机硅烷处理可以利用磷化处理的生产线。

在家电行业，专门针对冰箱外壳冷轧板开发的处理剂一种复合型超支化硅烷偶联剂BT-SE为主要成膜物质的新型处理剂，它不含重金属及磷酸盐等有害成分，能在洁净的金属表面形成一层致密的硅烷膜，显著提高后续金属涂层的附着力和耐腐蚀性。

在航空、航天行业，铝合金广泛应用于航空航天领域，为了提高他表面的耐蚀性和有机涂层的黏结耐久性，王云芳等对铝合金进行水煮处理，其表面形成富含烃基氢氧化物层，然后经两步浸涂后再高温固化，在被氧化的铝合金表面像成复合硅烷氧化膜，经检验，认为得到了保护膜层。

在文物保护中，甄广全等采取有机硅双分子膜加有机氟硅复合涂层保护户外铁器。

（四）硅烷化技术的发展

随着研究人员对有机硅烷偶联剂的不断合成和研究，硅烷化技术的物质基础一定会越来越深厚，而且其合成方法一定会越来越环保，原子利用率也会越来越高，硅烷化技术的应用领域也会越来越扩展，逐步甚至完全取代金属磷化处理技术，为我国的国民发展做出一定的贡献。

• 3 •

五、结 论

随着科学技术的发展，国民生产水平的提高，金属在各行各业的应用也越来越广泛，与此同时，其表面处理技术尤为重要，由于金属磷化技术比硅烷化技术成熟的早，故其在化学表面转化处理工艺中占有重要地位。但由于该技术自身存在无法克服的弊端，对环境污染较大，工艺比较复杂等，故需要完善其工艺，和寻找新技术来逐步甚至完全取代它。随着人们对硅烷偶联剂的研究和应用，硅烷化技术逐步发展和成熟，由于它较磷化技术的优势明显，对环境友好，工艺简单，具有成本低等特点，研究者正在不断地深入发掘，拓宽其应用领域，使该技术越来越成熟，从另一个角度解决金属磷化处理的问题。

• 4 •

致 谢

感谢老师这一学期为我们精彩讲述无机化学这门学科，指导我们该如何在大学学好这门课，和帮助我们深入理解主要知识点，让我们自主地做完这个小论文，进一步地探索科学知识，提高自主学习能力。本论文课题来源于老师上课所讲的硅烷，我对它挺感兴趣的，在查找硅烷的过程中了解了硅烷偶联剂及其与金属表面处理的相关知识。发现了目前金属磷化技术的不足，找到了用硅烷化技术取代磷化技术的解决方法。觉得在完成这个小论文的过程中收获了很多自己在书本上学习不到的知识，开阔了视野，但因为知识水平有限，写的论文会存在一些问题，希望老师能指导指导我。

最后，再次感谢老师对我的教导。

• 5 •

参考文献

[1] 硅烷偶联剂-------原理、合成与应用/张先亮，唐红定，唐俊编著.-------北京：化学工业出版社，2011.11 [2] 金属磷化工艺技术/胡国辉主编.------北京：国防工业出版社，2009.1

[3] 材料表面工程技术/王振廷，孙俭峰，王永定主编------哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2011,9

• 6 •