水基硅烷化处理剂的制备及应用研究

论文摘要

金属材料经硅烷化处理后可显著增强其抗腐蚀性能及其与有机涂层的粘结力,硅烷化处理可有效替代环境污染严重的铬酸盐转化处理及磷化处理工艺。常规的硅烷化处理液大多含高浓度易挥发的甲醇或乙醇,从而导致该表面处理技术难以推广应用。本文制备了一种水基硅烷化处理剂（水基硅醇溶液）,并利用该处理剂实现了铝及碳钢的硅烷化处理,比较了处理前后铝及碳钢的耐腐蚀性能。1、水基硅烷化处理剂的制备与表征。充分利用非极性的硅烷单体不溶于水而水解产物极性较强的特点,构建了以硅烷/正庚烷混合物为油相、预先调节好pH值的去离子水为水相的复相水解体系,经水解反应后,得到了水基硅烷化处理剂。研究了双-[γ-（三乙氧基）硅丙基]-四硫化物（BTESPT）水解过程中与硅醇浓度相关的电导率变化趋势和水解完成后处理剂的红外（FT-IR）及质谱（ESI-MS）特征。同时,采用正交实验法研究了乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）的水解时间、水解温度及pH值对硅烷化处理效果的影响。结果表明,BTESPT在复相体系中水解3小时后,生成了大量带2-3个羟基的BTESPT硅醇,水解时间增加,水相中的硅醇浓度基本不发生变化。VTES的最佳水解条件为：水解温度为35℃左右,水相pH值为7,水解时间不超过10小时。经此硅烷化试剂处理后的铝试样自腐蚀电流密度最小。2、水基硅烷化处理剂中铝表面BTESPT硅烷膜的制备与表征。采用浸涂法或电化学辅助沉积技术在铝表面制备得到了BTESPT硅烷膜,并通过扫描电子显微镜/X-射线能量衍射谱（SEM/EDS）技术和电化学方法分析了膜层的微观形貌及防腐蚀能力。结果表明,经水基BTESPT处理剂处理后,金属铝表面覆盖了一层平均厚度为188 nm左右的致密硅烷膜。电化学阻抗谱（EIS）及Tafel曲线测试结果表明,硅烷化处理后铝基体的耐腐蚀能力增加了近两个数量级。72小时盐水浸泡实验结果表明,BTESPT膜具有与铬酸盐转化膜相当的保护效果。不同沉积电位下制备的BTESPT硅烷膜SEM和EIS分析结果表明,-1.0 VSCE条件下沉积的硅烷膜最为均匀、致密,膜层的低频区阻抗值|ZLF|达到60000Ω·cm-2，相比空白铝试样增加了近两个数量级。-1.0 VSCE为水基硅烷化处理剂中电化学辅助沉积法制备硅烷膜的临界电位。3、碳钢表面硅烷化处理替代磷化工艺的研究。应用正交实验优化了常规磷化液配方,并在碳钢表面制备了高耐蚀性锌锰系磷化膜。磷化处理15分钟后的碳钢试片的EIS和Tafel曲线表明,磷化膜覆盖后碳钢的耐腐蚀性能显著提高,腐蚀电流密度下降至未磷化前的1/30左右。为替代能耗高的磷化工艺,采用浸涂法在碳钢表面制备了BTESPT、VTES及γ-环氧基硅丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）膜层,并利用EIS和Tafel曲线外推法分析了膜层的防腐蚀性能。结果表明,孔隙率为0.95%的VTES硅烷膜保护效率为近90%左右；WB-GPTMS硅烷膜的孔隙率为7.52%,保护效率为87.21%。BTESPT最为均匀致密,其孔隙率小于1%,保护效率超过95%。表面和截面的SEM分析结果表明,其膜层厚度为260 nm左右。综上所述,经硅烷化处理后的碳钢的腐蚀电流密度平均下降了约90%,厚度为几百纳米的硅烷膜具有与磷化膜相近的防腐蚀能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 金属腐蚀与防护简介
• 1.2 金属表面处理概述
• 1.2.1 锆钛处理
• 1.2.2 有机酸转化膜处理
• 1.2.3 稀土转化膜处理
• 1.3 金属表面硅烷化处理
• 1.3.1 硅烷偶联剂简介
• 1.3.2 金属表面硅烷化处理的优势
• 1.3.3 硅烷偶联剂作用机理
• 1.3.4 硅烷膜防腐蚀机理
• 1.3.5 金属表面的硅烷化处理过程
• 1.3.6 金属表面硅烷化处理进展与不足
• 1.4 本课题研究内容
• 第2章 实验内容和方法
• 2.1 实验材料及性状
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 主要材料介绍
• 2.2 实验仪器
• 2.3 主要实验方法
• 2.3.1 正交实验
• 2.3.2 电化学阻抗谱（EIS）
• 2.3.3 塔菲尔曲线外推法（Tafel）
• 2.3.4 电导率分析
• 2.3.5 电喷雾离子化源质谱分析（ESI-MS）
• 2.3.6 傅立叶转换红外分析（FT-IR）
• 2.3.7 SEM/EDS分析
• 第3章 水基硅烷化处理液制备及表征
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 水基硅烷化处理液制备
• 3.2.3 傅立叶转换红外分析（FTIR）
• 3.2.4 电喷雾离子化源质谱分析（ESI-MS）
• 3.2.5 水解工艺正交实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 水解过程电导率分析
• 3.3.2 硅烷化处理剂FT-IR
• 3.3.3 硅烷化处理剂ESI-MS谱
• 3.3.4 水解工艺对水基硅烷化处理剂性能的影响
• 3.4 小结
• 第4章 基于水基硅烷化处理体系的铝表面BTESPT膜的制备及表征
• 4.1 前言
• 4.2 试验
• 4.2.1 水基硅烷化溶液制备
• 4.2.2 铝的硅烷化处理
• 4.2.3 结构及化学成分分析
• 4.2.4 电化学分析
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 微观结构及化学组成
• 4.3.2 硅烷化处理后铝试样在NaCl溶液中的EIS谱
• 4.3.3 硅烷化处理后铝试样在NaCl溶液中的Tafel曲线
• 4.3.4 电化学辅助沉积硅烷膜的微观形貌
• 4.3.5 电化学辅助沉积硅烷膜的EIS谱
• 4.4 小结
• 第5章 碳钢表面硅烷化处理工艺替代磷化工艺的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验
• 5.2.1 磷化液组成及工艺参数
• 5.2.2 碳钢磷化工艺流程
• 5.2.3 碳钢硅烷化处理
• 5.2.4 微观结构分析
• 5.2.5 化学分析
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 碳钢磷化处理正交实验结果
• 5.3.2 磷化膜NaCl溶液中电化学行为
• 5.3.3 碳钢表面硅烷膜在NaCl溶液中的电化学行为
• 5.3.4 硅烷膜结构及表面成分分析
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 致谢