硅烷偶联剂在金属预处理及有机涂层中的应用研究

摘要

硅烷偶联剂作为连接两种不同性质材料的“分子桥”已经在复合材料、涂料、胶粘剂等行业中得到了广泛的应用。用硅烷偶联剂进行金属表面预处理具有无污染、适用面广、成本低、对有机涂层粘接性能优异的优点，从而引起了国内外专家学者的关注，成为目前表面处理工艺的研究热点。由于硅烷偶联剂对金属基体和有机涂层的选择性，硅烷的水解、金属表面硅烷膜制备等工艺因其种类不同而有所不同，这都大大限制了它的工业化进程。鉴于此，本文优化选择了三种硅烷偶联剂(KH-550、KH-560、KBM-7103)，分别对其水解工艺、硅烷膜制备工艺、性能测试、结构表征及硅烷偶联剂在难粘涂层(聚乙烯涂层、氟树脂涂层)中的应用做了试验性研究，得出了有意义的结论。 本文在讨论了硅烷偶联剂水解与缩合机理的基础上，研究了所选三种硅烷的水解工艺，确定了工艺参数。采用对水解体系无干扰和破坏作用的电导率测定法检测硅烷的水解程度，对水解溶剂、水解时间、溶液浓度、pH值、温度、添加剂等因素对水解体系稳定性的影响进行了研究。结果表明：采用混合溶剂(水+醇)作为硅烷的水解溶剂较单一的醇解和去离子水水解要好，这样可以保证足够的硅羟基(Si-OH)含量；随着水解液中硅烷浓度的增大、水解时间的延长，硅烷溶液的稳定性降低；pH值只是对水解速度有很大的影响，pH值高助水解，反之则助缩合；20～40℃为最佳水解温度；多元醇的加入可以降低硅羟基缩合的几率。 本文采用钢基体在硅烷溶液中浸涂，进而经固化处理的工艺制备硅烷薄膜。通过对硅烷膜粘接性能、耐蚀性能测试，验证了硅烷膜制备工艺对膜性能的影响。结果表明：硅烷膜与基体的粘接强度随硅烷水解时间和固化时间的延长，固化温度的升高，硅烷溶液浓度的增大，呈先升高后降低的规律变化；钢基体经硅烷化处理后的耐蚀性能明显优于磷化处理；不同的硅烷对基材的防腐保护效果有选择性；硅烷膜耐酸性不好，但具优异耐碱性。 本文采用红外光谱、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、差示扫描量热法(DSC)等测试手段对硅烷膜的结构和性能进行了表征和分析，并利用热失重分析(TG)技术测试了KH-560、KBM-7103硅烷膜的热分解温度，研究了KH-560硅烷膜的热分解动力学。结果表明：硅烷在选用的水解溶剂中不仅仅是一个溶解过程，其水解反应效果明显并有大量硅醇生成；随着水解时间的延长，溶液中的硅羟基会逐渐形成二聚体或三聚体或更大的交联体；随着溶液浓度的增大、固化温度的升高，膜中硅羟基含量逐渐降低，而由硅羟基缩合而成的Si-O-Si聚硅氧烷含量逐渐升高；随着固化温度的升高，膜中硅原子含量先升高后降低，铁原子含量先降低后升高，包覆度呈先升高后降低的趋势；随着硅烷溶液浓度的升高，膜中铁原子含量逐渐降低，而硅原子含量逐渐升高，这间接证明了硅烷膜厚度与溶液浓度有关；硅烷膜中氧元素结合能升高、O1s、Si2p拟合谱图中新峰的出现证明了硅烷偶联剂和钢表面的Fe-OH发生了作用，硅烷偶联剂与钢基体之间是以一种化学键的方式结合而非简单的物理吸附；KH-560硅烷膜的耐热性不好，热分解温度比KBM-7103硅烷膜低50℃。 本文研究了不同的基体表面处理方法对聚乙烯涂层、氟树脂涂层与钢基体结合强度的影响，验证了硅烷偶联剂在金属表面预处理中的优异之处。结果表明：在聚乙烯涂层中，KH-560可以显著提高其结合强度，采用喷砂+KH-560混合处理工艺效果更佳，比磷化处理和喷砂处理分别提高了25.5％、21％，即使经20次热震冲击后，结合强度仅仅降低了10.9％，大大低于其他处理方法热震后的下降幅度；在氟树脂涂层中，KBM-7103硅烷没有显出优异性能，原因在于所选的氟树脂FEP的熔融温度太高(280℃)，在这个温度下，硅烷膜已发生或开始发生热分解。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章实验内容与方法

第三章硅烷偶联剂的水解工艺研究

第四章硅烷膜的制备工艺及结构表征

第五章硅烷膜的性能及测试分析

第六章硅烷偶联剂在有机涂层中的应用研究

第七章结论与展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文