磷化工藝在涂裝行業已有百年應用歷史，其生成的磷化膜與基體結合緊密，具有微孔結構和良好吸附性能，能與電泳漆牢固結合，顯著提升涂裝質量。然而，磷化處理存在諸多缺點，如含有鋅、鎳、錳等有害重金屬，處理溫度高，廢水、廢渣處理復雜等，在環保要求日益嚴格的背景下，磷化工藝面臨嚴峻挑戰。硅烷化處理作為一種技術成熟度較高的磷化替代前處理技術，采用超薄有機涂層取代傳統結晶型磷化保護層，在金屬表面形成類似磷化晶體的三維網狀結構有機涂層，與金屬底材和涂層均有良好附著力。與傳統磷化相比，硅烷化處理具有諸多優點：不含鎳、鋅、錳等有害重金屬離子，杜絕亞硝酸鹽致癌物，不含磷，無需加溫；處理時間短，控制簡便；槽液使用壽命長，維護簡單等。
1 硅烷化機理
硅烷的化學結構通式為 R（CH?）?Si（Y）?，其中 Y 是結合在硅原子上的水解性基團，如氯基、甲氧基、乙氧基、乙酰氧基等；R 為有機官能團，如氨基、環氧基等；（CH?）? 是具有飽和或不飽和鍵的碳鏈。
硅烷表面處理過程如下：
? 硅烷在水溶液中以水解形式存在，形成硅醇：—Si（Y）?+H?O→—Si（OH）?+3YH。
? 金屬浸入硅烷溶液時，因溶液酸性或吸附作用使金屬基體表面水分解成氫和氫氧根離子，金屬（用 Me 表示）發生溶解：Me+2H?→Me2?+H?↑。
? 金屬溶解使金屬界面層形成高 pH 環境：Me2?+2OH?→Me（OH）?。
? 硅烷水解后的羥基與金屬氫氧化物因氫鍵作用吸附在一起并脫水縮合形成 Me—O—Si 界面，硅烷快速吸附于金屬表面：2—Si（OH）?+Me（OH）?=2—Si—O—Me+4H?O。若金屬表面無羥基，硅烷難以發揮作用。
? 在高 pH 環境下，硅烷在金屬表面繼續吸附和縮聚反應，形成 Si—O—Si 三維網狀結構的硅烷膜。
硅烷與金屬間形成 Si—O—Me 共價鍵，結合牢固。附著在金屬表面的硅烷分子間通過—SiOH 基團縮聚反應形成三維網狀結構硅烷膜，烘干過程中與后道電泳漆或噴粉通過有機官能團交聯反應結合，形成穩固膜層結構。硅烷作為金屬基材和有機涂層間的橋梁，其應用基礎在于具有多種功能反應官能團。前處理過程中，硅烷中的烷基被金屬原子取代，化學鍵結合在金屬表面；硅烷上的有機官能團可和有機涂層發生交聯反應，牢固結合，如氨基硅烷結合在金屬基材和涂層間的反應。
2 硅烷常規工藝
通過與常規磷化工藝對比說明硅烷工藝。
2.1 工位排布
陰極電泳線的前處理工位排布如下：
序號 | 工位 | 磷化 | 硅烷 | |
1 | 熱水洗 | ● | ● | |
2 | 預脫脂 | ● | ● | |
3 | 脫脂 | ● | ● | |
4 | 水洗 1 | ● | ● | |
5 | 水洗 2 | ● | ● | |
6 | 表調 | ● | ○（需純水洗） | |
7 | 成膜 | ● | ● | |
8 | 水洗 3 | ● | ● | |
9 | 水洗 4 | ● | ● | |
10 | 純水洗 1 | ● | ● | |
11 | 純水洗 2 | ● | ● |
從常規車身陰極電泳線工位排布比較可知，硅烷與磷化工藝無明顯差別，僅需將表調工位改為純水洗，硅烷工藝在表調和純水洗的工藝維護上更簡單。
2.2 工藝參數
硅烷和磷化成膜前后工位的工藝參數相差不大，僅對成膜過程的工藝進行對比：
序號 | 項目 | 磷化 | 硅烷 | |
1 | 溫度/℃ | 35～45 | 15～室溫 | |
2 | 沉渣 | 有 | 極少 | |
3 | 倒槽周期 | 3～6 月 | 無 | |
4 | 耗水量/L·m?2 | 4 | 2 | |
5 | 處理時間/s | 180 | 60～180（常規 120 s 即可） | |
6 | 檢測參數 | 游離酸、總酸、促進劑、各離子含量等 | pH、電導率、活化點 |
工藝參數維護方面，硅烷優勢明顯：
? 硅烷成膜過程為常溫化學反應且沉渣極少，只需簡單過濾，為企業節省大量能源，減少燃料廢氣排放，降低設備投資，減少或消除換熱器、管路、噴嘴等沉渣清理，節省人力、物力和時間，降低化學品清理設備危險，減少設備堵塞隱患和能源消耗。
? 不需倒槽、耗水量降低，節約水資源的同時節省人力、物力和時間。硅烷中不含磷及鋅、鎳、錳等有害金屬，不產生有害酸和鹽廢棄物，減少廢水排放量，降低廢水處理費用。磷化廢水處理 5～6 元/t，硅烷廢水僅約 1 元/t，節省 80%以上費用。
? 處理時間降低，連續式新線建設時可降低槽體容積和初期投資費用及投槽費用，老生產線節拍提升改進空間大，為企業產能提高留空間。
? 檢測參數減少且費用降低，有利于日常線體維護和生產穩定性。
2.3 硅烷的產品特性
硅烷處理與磷化結晶的枝狀、針狀、顆粒狀且孔隙較多不同，為烷與金屬反應形成共價鍵，硅烷本身狀態不變，成膜后金屬表面無明顯膜層物質生成，膜重 15～180 mg/m2，膜厚 20～180 nm，不足磷化膜 1/10。可根據膜層顏色目視判斷硅烷膜生成，不同材質外觀如下：鐵板呈淡黃、彩虹色從棕到藍；熱鍍鋅板呈反光棕色、偏藍；鋁板呈反光灰色。
硅烷應用及試驗結果多有報道，其防腐性能與磷化膜相當，與電泳漆等涂層配套性良好。對公司凱密特爾硅烷試劑試驗表明，與電泳漆配套性良好，電泳后杯突、硬度、耐沖擊、耐酸堿、耐鹽霧等性能符合要求。還發現：
? 硅烷電泳板杯突性能優于磷化膜電泳板，證明硅烷膜對底材和涂層有優良結合能力。
? 試驗中硅烷電泳膜厚厚于磷化電泳膜厚，若生產線上如此，可降低生產電壓節省電能消耗。
在自然災害頻發、氣候環境變差、節能減排受關注的當下，環保型涂裝前處理產品替代傳統磷化尤為重要。硅烷的環保、節能、綜合成本低三大優點使其在汽車行業的推廣不可避免，但作為新產品和工藝，應用上有許多需要注意的地方。
3 應用要點
作為新產品、新工藝，硅烷的試驗或實際應用時有 一些需考慮和注意的地方：
⑴硅烷對前序脫脂和水洗的要求較高，待處理工 件表面必須無油無脂，無其他污物，否則硅烷膜無法正 常生成甚至局部無膜，脫脂后必須要用純水將車身徹 底水洗干凈，硅烷前道水洗如果堿污染度較高，則硅烷 槽液的電導率上升較快，pH 升高，會打破槽液平衡導 致產品用量上升、藥劑浪費甚至產品的品質不良。硅烷 前道水洗電導率建議控制在 200 μS/cm 以內。
⑵硅烷膜需要在烘烤后才能脫水、聚合硬化，未經 過烘烤的硅烷膜處于水解、聚合的平衡狀態，膜疏松、 附著力差，用手觸摸便會破壞硅烷涂層而露出底材。因 此在硅烷后水洗時噴淋壓力不可太大，烘烤前不可觸 碰，可通過顏色觀察硅烷膜的完整性。
⑶雖然新開發的硅烷藥劑已能夠與多數的電泳漆 或其他涂層配套良好，但硅烷藥劑仍要盡量選用其有 機官能團與其上涂層的官能團能發生聚合反應的藥 劑, 以確保硅烷和涂層的配套性良好且使最終涂層的 性能更加優良。
⑷硅烷需要通過水解的羥基與金屬進行結合，但 同時也存在溶液中水解的硅烷之間的縮合從而導致槽 液的失效，因此，硅烷產品中需添加水解穩定劑使在沒 有金屬基材進入硅烷槽液中時硅烷的水解、縮聚達到 一個平衡狀態，使槽液穩定，不發生顯著的縮聚過程。 而國產化硅烷在穩定性上有所不足，硅烷藥劑多為進 口，必須在使用時充分做好物流和備貨的準備。
硅烷技術在金屬表面處理上的應用是一項嶄新的 領域，但隨著其進一步成熟與完善，硅烷表面技術必將 給傳統的磷化表面處理技術帶來重大變革。隨著磷、 鎳、鋅等資源的枯竭，以及對磷化槽液中鎳鹽使用量的 限制，我國從 2006 年 12 月 1 日起開始執行汽車制造 業清潔生產和涂裝標準，對磷化液做了各種限制，如不 含亞硝酸鹽和重金屬污染物、低溫低固體渣等，為硅烷 技術在汽車工業中推廣使用創造了條件。未雨綢繆，提 前對硅烷技術進行試驗、研究和探討，對企業將來的發 展意義重大。
