一.前言
铝合金卷材彩涂工艺已有近100年历史，国内在上世纪80年代正式开始彩涂工艺，随着中国经济发展，近十年来，该工艺得到快速发展，在建筑、汽车、家用电器、办公用具等方面有着广泛的用途。
在铝材彩涂生产中，铝卷能连续通过脱脂清洗、化学转化膜、涂漆和固化等步骤。其中，表面处理最主要的环节即是化学转化膜处理，目前多采用铬钝化工艺处理。这种处理方法存在较大缺陷，铬钝化处理本身含有铬，处理后仍需大量溢流水对铝件进行漂洗。其中，六价铬已经证实是致癌重金属，因此在欧盟的ROHS指令中对其含量有严格的规定；而相对环保的三价铬仍含有一定毒性且在环境中仍然会转化为六价铬。目前，在铝卷材彩涂业中仍大量使用三价铬甚至六价铬钝化工艺[2]。
为了适应对于环境日益严格的要求，同时在生产处理过程中节约资源。以尽量少的化学物质消耗量和常温不加热处理，使人们清醒的认识到采用无磷、无铬、无重金属、无渣、常温处理工艺的重要性，因此寻找一种能够替代传统的铬钝化处理的新材料具有积极深远的意义。
二. 技术原理
在发现硅烷偶联剂卓越的防腐性能以前，硅烷作为胶粘剂或附着力促进剂被广泛应用于玻璃或陶瓷强化高聚复合材料中。硅烷防锈性能系统全面地研究始于20世纪90年代初，通过研究发现，硅烷可以有效地用于金属或合金的防腐。硅烷处理技术是一类主要以硅烷偶联剂的有机/无机复合物，硅烷的基本结构为：R'(CH2)nSi(OR)3。其中-OR是可水解基团，R'是有机官能团。
硅烷在水溶液中的水解平衡反应式可简单表示为：
水解后的硅烷通过其SiOH基团与金属表面的MeOH基团(Me表示铝，铁等金属)形成氢键而快速吸附于金属表面。
一方面硅烷在金属界面上形成Si-O-Me共价键。硅烷与金属之间的结合是非常牢固的；另一方面，剩余的硅烷分子通过SiOH基团之间的缩聚反应形成Si-O-Si键：
从而在金属表面形成具有三维网状结构的硅烷膜，见图1：
图1：金属表面硅烷成膜过程
铝材表面经硅烷处理后，表面吸附了一层具有三维网状结构的超薄有机纳米膜层(20~200nm)，同时在界面形成结合力很强的Si-O-Al共价键，可将铝表面和涂层偶合，具有牢固的附着力，同时与涂层共同提供了良好的耐腐蚀性[4]。硅烷技术成本低廉，为工业化应用带来了应用先决条件，经过不断发展技术日趋成熟，对各种生产条件、工件材质都有了更广泛和成熟的应用。硅烷技术有望给铝材铬化技术带来革命性的变革。
目前硅烷技术在国内家电行业及铝塑板行业成功应用。我公司的硅烷技术已经成功升级到第三代技术，已经在国内铝塑板行业成熟应用，国内达到领先水平，得到了业内广大用户单位和专家的一致认可和好评。
三. 硅烷技术在铝板彩涂上的应用与性能测试
3.1 铝材彩涂硅烷应用工艺
我公司研制的铝材彩涂硅烷处理剂PSi-2在铝卷材彩涂工艺上得到成功应用，已稳定运行超过24个月。硅烷化处理的工艺流程分别如下：
⑴酸性清洗→水洗→水洗→直喷纯水洗→硅烷处理→烘干→辊涂；
⑵碱性清洗→水洗→水洗→酸出光→水洗→水洗→直喷纯水洗→硅烷处理→烘干→辊涂。
根据卷材表面状态选择不同的清洗方案，一般地，选用酸性清洗工艺可节省生产处理时间。
3.2 铝材彩涂性能测试
铝材彩涂后的性能测试按照YS/T 431《铝及铝合金彩色涂层板、带材》标准进行。
1）涂层附着力
按GB/T 9286的规定划格，划格间距为1mm。将粘着力大于10N/25mm的粘胶带覆盖在划格的涂层上，压紧以排去粘胶带下的空气，以垂直于涂层表面的角度快速拉起粘胶带，然后按GB/T 9286评级。
2) 耐冲击性
按GB/T1732的规定进行试验，测量冲击后铝试件涂层既元开裂或脱落、正反面铝材也无明显裂纹的最大冲击高度。
3) 耐盐酸性、耐碱性、耐硝酸性
均按照GB/T17748的要求进行试验，观察试验后的试样是否有脱落、起泡、粉化等异常变化。
4) T弯试验
使用T型弯曲仪来测试涂膜的T型弯曲性能，检查涂层有无开裂或脱落。
5) 盐雾试验
参照GB/T1771的规定进行试验，然后按GB1740的有关规定进行评级。以全部试样中性能最差者作为试验结果。
6) 水煮试验
将试样置于水中煮沸2h后，观察铝塑板涂层是否有脱落、鼓泡、开裂、变色等外观上的异常现象。
7) 高温水煮试验
把试样置于水中，于高压釜中加温至137℃，恒温30min后取出，冷却后目视检查，观察铝塑板涂层是否有脱落、变色等现象。
铝材硅烷处理后彩涂性能测试的结果见表1。
表1：PSi-2硅烷处理处理铝卷材彩涂后性能测试结果
四．应用效益及成本方面分析比较在表2中，比较了铝材硅烷处理工艺和传统铬化处理的使用情况。
表2：硅烷与铬化使用比较
由表2结果并综合各项生产应用工艺实际情况，应用硅烷处理工艺，其技术优势有：
1)硅烷处理常温运行无需加热，可以节能降耗；
2)硅烷工艺处理时间短，硅烷成膜效率高，提高生产效率和产能；
3)硅烷处理铝材表面积大，化学品消耗少，使用成本低；
4)硅烷处理槽液监控简单，无需除渣，使用便捷；
5)硅烷处理材料不含重金属等有害物质，甚至可达标直排，是绿色环保型产品。
铝材硅烷处理工艺与铬化工艺比较，铝材免水洗硅烷系处理工艺具有工艺操作简单，硅烷处理后免水洗，同时实现了在常温下进行工艺处理，与铬化工艺比较，缩短了工艺周期，降低了资源消耗，节约了设备占地面积。硅烷处理技术的综合成本与铬化工艺相比，具有明显的优势，可节约20%以上。
在污水处理上解决了铝工业固体废弃物减量化和无害化的根本问题，硅烷处理技术杜绝了有毒铬化物对环境的危害，彻底消除了原六价铬钝化工艺对周边群众身体健康的威胁，带动了行业的技术进步，推动了行业实现清洁化生产，对产业的带动和提升作用具有重要的战略意义。
四. 结论
本文介绍了硅烷处理技术的作用原理，绿色环保的硅烷处理技术可在铝表面形成一层厚度为纳米级转化膜，与有机涂层匹配，可作为替代传统的六价铬或三价铬钝化处理工艺。通过铝材彩涂试验和生产实际应用，结果表明：硅烷处理技术具有节能环保、反应时间快、涂漆附着力、耐蚀性、机械性能优越的特点，该硅烷处理工艺适用于现有的铬化生产线及设备，铝材彩涂加工后各项性能指标完全达到技术要求，可作为替代现有铬钝化工艺，应用在铝材彩涂的涂装前处理生产中，是一项节能、环保的铝材前处理技术。硅烷处理技术在铝材彩涂前处理中的应用可实现涂装工艺无铬、无磷，不含重金属等有害物质，同时还能降低能耗，为实现涂装表面处理的无磷无重金属环保目标带来希望，随着其技术进一步成熟与完善，硅烷技术将给传统的铬化表面处理技术带来重大变革，创造更大的社会和经济效益。
