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CN108330476B - 一种免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜 - Google Patents

一种免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种免水洗船用铝合金表面金属‑有机骨架膜。该骨架膜通过对船用铝合金表面利用处理液处理后得到，处理液由以下含量的组分配制而成：浓度为45％的氟锆酸0.1‑4wt％，浓度为50％的氟钛酸0.5‑3.5wt％，浓度为50％的氢氟酸0.2‑1wt％，硅烷偶联剂0.5‑2.5wt％，浓度为50％的植酸0.02‑0.1wt％，余量为水。本发明通过将处理液涂覆在铝合金表面，来赋予铝合金良好的耐腐蚀性能，处理液以氟锆酸和氟钛酸为主要原料，辅以硅烷偶联剂、植酸等有机物成分作用在铝合金表面上，采用无铬处理工艺，安全环保，大大降低了对环境的污染，且制得的骨架膜有助于提高铝合金表面的耐腐蚀性和对粉末涂料的附着性。

Description

一种免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜。
背景技术
铝合金由于具备良好的耐蚀性、可焊性及力学性能，被广泛应用于舰船结构材料。但由于铝合金自身氧化膜较薄，在海水及湿热海洋大气的侵蚀作用下基体会被腐蚀从而影响其外观及有机涂层附着力。目前大多通过对铝合金表面进行化学处理来提高其耐腐蚀性能，绝大多数使用的是铬酸-铬酸盐等含铬的处理液直接接触金属材料表面，从而使其析出铬酸盐膜，或者将其涂覆于金属表面，干燥后析出铬酸盐膜对铝合金表面进行保护。但由于六价铬对人体及环境极为有害，不仅处理过程中会产生污染，而且转化膜中的六价铬还将导致被处理产品在日后使用及废弃时对环境造成二次污染，因此六价铬化学转化处理技术的使用越来越受到严格限制。
目前各国都在开发更为有效、环保的无铬金属表面处理液，如公告号为CN1123649C的中国发明专利公开了类似无铬表面处理液，以含钛、锆或其混合物，磷酸盐和氟化物为主要组分，调整pH值1.5-4.0的酸性溶液。该溶液无沉渣和有害铬离子，但当该溶液在短时间(15到30秒)喷到金属材料表面时，得到的涂层不平整，表现出不稳定的耐腐蚀性能和对油漆或涂料的不均匀的附着性。公开号为CN102409324A的中国发明专利公开了无铬无磷纳米级化学转化液，由钛盐、锆盐、硅化合物、加速剂、pH调整剂、表面活性剂等组成，完全不含铬离子及磷酸盐，但在该纳米化学转化膜制备中经化学转化后需经过水洗步骤来除去膜表面酸碱等杂质，加大了工业生产成本，且该转化膜的耐腐蚀性能持续时间不长，使用范围较窄。
因此，提供一种无铬的、具有良好的耐腐蚀性能和附着性的铝合金表面膜层是本领域亟待解决的一项技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无铬的、具有良好的耐腐蚀性能和良好附着性的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，同时优化骨架膜的制备工艺，降低工业生产成本。
本发明采用以下技术方案：
一种免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，所述骨架膜通过对船用铝合金表面利用处理液处理后得到，所述处理液由以下含量的组分配制而成：浓度为45％的氟锆酸0.1-4wt％，浓度为50％的氟钛酸0.5-3.5wt％，浓度为50％的氢氟酸0.2-1wt％，硅烷偶联剂0.5-2.5wt％，浓度为50％的植酸0.02-0.1wt％，余量为水。
进一步的，处理液的pH值为2-5。
进一步的，处理液使用过程中用水进行稀释，稀释后溶液中处理液含量为2.5-4wt％。
进一步的，该金属-有机骨架膜的成膜工艺如下：
(1)铝合金表面预处理：将铝合金表面用碳化硅水砂纸打磨至表面粗糙度在10μm以下，置于酸性除油脱脂水溶液中浸泡2-6分钟后用清水冲洗干净，重复操作两次后自然晾干或风干；
(2)铝合金化学转化处理：将铝合金浸泡于处理液中，或将处理液直接喷淋于铝合金表面，或将处理液涂覆于铝合金表面，处理时间为40s-10min；
(3)干燥：将步骤(2)中经化学转化处理后的铝合金直接自然晾干或烘干。
进一步的，步骤(2)中铝合金浸泡在处理液中的处理时间为2-10min。
进一步的，步骤(2)中处理液直接喷淋在铝合金表面的处理时间为1-3min，喷淋压力为0.08-0.18KPa。
进一步的，步骤(2)中处理液涂覆于铝合金表面的处理时间为40-70s。
进一步的，步骤(3)中烘干温度为40-120℃，烘干时间为10-15min。
本发明的金属-有机骨架膜，通过将处理液涂覆在铝合金表面，来赋予铝合金良好的耐腐蚀性能。其中处理液以氟锆酸和氟钛酸为主要原料，辅以硅烷偶联剂、植酸等有机物成分作用在铝合金表面，形成的骨架膜以Zr-Ti复合无机物为成膜主盐，配合硅烷偶联剂、植酸为辅助成膜物质，可在铝合金表面快速生成一种以Zr-Ti为主盐元素的二元结构氧化物及其与有机物结合的无铬钝化膜，进而提高铝合金表面的耐腐蚀性和对粉末涂料良好的附着性。
利用本发明的处理液对铝合金表面进行处理时，根据阴极成膜机理，由于铝合金表面存在不同电位相及杂质原子，导致在表面微区形成无数原电池而发生电化学反应：微阳极区发生金属溶解：M-ze-→M z+(M代表铝合金中的金属元素)，微阴极区发生H2析出：2H++2e-→H2或O2还原：O2+2H2O+4e-→4OH-，从而使微阴极区OH-离子浓度增大，pH值升高，为铝氧化物的沉积创造有利条件，其反应方程式如下：
2Al+6H++3ZrF6 2-+5H2O→2AlOF.3ZrOF2+10HF+3H2
2Al+6H++3TiF6 2-+5H2O→2AlOF.3TiOF2+10HF+3H2
锆和钛的膜层的形成，一方面提高了钝化膜与粉末涂料之间的附着力，同时在微观上增大了骨架膜的致密度，提高其抗腐蚀能力。
同时，处理液中通过添加硅烷偶联剂等有机成分，有机原料中的不饱和键会与氟锆酸、氟钛酸水解出来的金属键结合形成化学键骨架，为铝氧化物的沉积提供基础，来有效提高金属-有机骨架膜的抗腐蚀能力。进一步的，硅烷偶联剂等有机成分的添加，使得处理液涂覆在铝合金表面后可直接晾干，无需水洗，简化了骨架膜的制作工艺并减少工业用水，通过免水洗，硅烷偶联剂溶液可以均匀保留在转化膜表面，涂装粉末或油漆之后固化过程中，硅烷会发生水解，在有机树脂和无机界面之间发生键合，促进界面融合，提升界面之间的结合力。
Figure BDA0001534391080000031
本发明的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，具有以下有益效果：
(1)本发明的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，通过将处理液涂覆在铝合金表面，来赋予铝合金良好的耐腐蚀性能，处理液以氟锆酸和氟钛酸为主要原料，辅以硅烷偶联剂、植酸等有机物成分作用在铝合金表面上，采用无铬处理工艺，安全环保，最大限度降低对环境的污染，且制得的骨架膜有助于提高铝合金表面的耐腐蚀性和对粉末涂料的附着性。
(2)本发明的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，采用硅烷偶联剂等有机原料，处理液涂覆在铝合金表面后可直接晾干，硅烷偶联剂溶液可以均匀保留在转化膜表面，涂装粉末或油漆之后固化过程中，硅烷会发生水解，在有机树脂和无机界面之间发生键合，促进界面融合，提升界面之间的结合力，无需水洗，一方面简化了骨架膜的制作工艺，提高了生产效率，另一方面节省了水资源，降低了生产成本。
(3)本发明的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，可使三级粉末涂料在船用铝合金材料表面具有优良的附着性能，与现有的铝合金表面无铬化钝化膜相比，适用范围更广，能较好的适应船舶行业的潮湿环境，使得铝合金材料的耐腐蚀性、粉末涂料的附着力、抗冲击性、韧性等机械性能都有显著提高。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
下列实施例中所用金属材料：
厚度为1mm的国产铝-镁合金型材6061，其主要成分为Fe：0.35％、Mg：0.8～0.9％、Si：0.65～0.75％、Cu：0.85～0.95％、Mn：0.15～0.25％，其余为Al。
依据专利CN201010206660.7或CN201010543878.1的酸性除油脱脂水溶液，对上述金属材料表面进行清洁，然后用于下列实施例的表面处理。
实施例1
一种免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，该骨架膜通过对船用铝合金表面利用处理液处理后得到，本实施例中处理液由以下含量的组分配制而成：浓度为45％的氟锆酸0.1wt％，浓度为50％的氟钛酸1wt％，浓度为50％的氢氟酸0.8wt％，硅烷偶联剂1wt％，浓度为50％的植酸0.05wt％，余量为水，调节处理液pH值为2。处理液使用过程中用水进行稀释，稀释后溶液中处理液含量为4wt％。
本实施例中骨架膜的成膜工艺如下：
(1)铝合金表面预处理：从6061大尺寸铝合金型材截取试样片，用碳化硅水砂纸打磨至表面粗糙度在10μm以下，置于酸性除油脱脂水溶液中浸泡2分钟后用清水冲洗干净，重复操作两次后自然晾干或风干；
(2)铝合金化学转化处理：将铝合金浸泡于处理液中4min，或将处理液直接喷淋于铝合金表面，喷淋压力为0.08KPa，处理时间为3min，或将处理液涂覆于铝合金表面，处理时间为60s；
(3)干燥：将步骤(2)中经化学转化处理后的铝合金直接自然晾干。
实施例2
一种免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，该骨架膜通过对船用铝合金表面利用处理液处理后得到，本实施例中处理液由以下含量的组分配制而成：浓度为45％的氟锆酸0.4wt％，浓度为50％的氟钛酸2.5wt％，浓度为50％的氢氟酸0.4wt％，硅烷偶联剂1.5wt％，浓度为50％的植酸0.02wt％，余量为水。调节处理液pH值为3.6。处理液使用过程中用水进行稀释，稀释后溶液中处理液含量为3.2wt％。
本实施例中骨架膜的成膜工艺如下：
(1)铝合金表面预处理：从6061大尺寸铝合金型材截取试样片，用碳化硅水砂纸打磨至表面粗糙度在10μm以下，置于酸性除油脱脂水溶液中浸泡6分钟后用清水冲洗干净，重复操作两次后自然晾干或风干；
(2)铝合金化学转化处理：将铝合金浸泡于处理液中6min，或将处理液直接喷淋于铝合金表面，喷淋压力为0.12KPa，处理时间为1min，或将处理液涂覆于铝合金表面，处理时间为40s；
(3)干燥：将步骤(2)中经化学转化处理后的铝合金直接烘干，烘干温度为40℃，烘干时间为15min。
实施例3
一种免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，该骨架膜通过对船用铝合金表面利用处理液处理后得到，本实施例中处理液由以下含量的组分配制而成：浓度为45％的氟锆酸1.0wt％，浓度为50％的氟钛酸2.4wt％，浓度为50％的氢氟酸0.2wt％，硅烷偶联剂2.5wt％，浓度为50％的植酸0.1wt％，余量为水。调节处理液pH值为5。处理液使用过程中用水进行稀释，稀释后溶液中处理液含量为2.5wt％。
本实施例中骨架膜的成膜工艺如下：
(1)铝合金表面预处理：从6061大尺寸铝合金型材截取试样片，用碳化硅水砂纸打磨至表面粗糙度在10μm以下，置于酸性除油脱脂水溶液中浸泡4分钟后用清水冲洗干净，重复操作两次后自然晾干或风干；
(2)铝合金化学转化处理：将铝合金浸泡于处理液中2min，或将处理液直接喷淋于铝合金表面，喷淋压力为0.1KPa，处理时间为2min，或将处理液涂覆于铝合金表面，处理时间为50s；
(3)干燥：将步骤(2)中经化学转化处理后的铝合金直接烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为10min。
实施例4
一种免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，该骨架膜通过对船用铝合金表面利用处理液处理后得到，本实施例中处理液由以下含量的组分配制而成：浓度为45％的氟锆酸1.2wt％，浓度为50％的氟钛酸0.5wt％，浓度为50％的氢氟酸1wt％，硅烷偶联剂0.5wt％，浓度为50％的植酸0.08wt％，余量为水。调节处理液pH值为4。处理液使用过程中用水进行稀释，稀释后溶液中处理液含量为3wt％。
本实施例中骨架膜的成膜工艺如下：
(1)铝合金表面预处理：从6061大尺寸铝合金型材截取试样片，用碳化硅水砂纸打磨至表面粗糙度在10μm以下，置于酸性除油脱脂水溶液中浸泡6分钟后用清水冲洗干净，重复操作两次后自然晾干或风干；
(2)铝合金化学转化处理：将铝合金浸泡于处理液中10min，或将处理液直接喷淋于铝合金表面，喷淋压力为0.18KPa，处理时间为1.5min，或将处理液涂覆于铝合金表面，处理时间为70s；
(3)干燥：将步骤(2)中经化学转化处理后的铝合金直接自然晾干。
对实施例1-4中得到的铝合金材料静电喷涂三级粉末涂料，之后进行固化处理，固化温度为210℃，固化时间为15min。将固化后的材料分别进行酸性盐雾试验、恒温冷凝水测试、耐SO2测试和丝状腐蚀测试，具体测试条件如下：
(1)酸性盐雾试验
试验依据为ISO 9227：2012，测试设备为Q-FOG/SSP1100，测试时长2000小时，技术要求依据QUALICOAT 14版：起泡等级依据ISO 4628-2：≤2(S2)；沿划格渗透面积：≤16mm2/10cm；沿划格单个最大渗透长度：≤4mm。
(2)恒温冷凝水测试
测试依据为ISO 6270-2：2005，测试设备LIEBISCH K300，测试时长2000小时，技术要求依据QUALICOAT 14版：起泡等级依据ISO 4628-2：≤2(S2)；沿划格单个最大渗透长度：≤1mm。
(3)耐SO2测试
测试依据为DIN EN ISO 3231，测试设备A-SC KBG 400 Co.Liebsche，测试时长24cycles，技术要求依据QUALICOAT 14版：无变色或起泡等级依据ISO 4628-2：≤2(S2)；沿划格单个最大渗透长度：≤1mm。
(4)丝状腐蚀测试
测试依据为DIN EN ISO 4623-2:2004，测试设备Climate Chamber Co Binder，测试时长1000小时，技术要求依据QUALICOAT 14版：丝状腐蚀最大长度：≤4mm，丝状腐蚀平均长度：≤2mm，丝状腐蚀个数：≤20/10cm。
实施例1-4进行的测试结果如表1-4所示。
表1 酸性盐雾试验结果
Figure BDA0001534391080000071
表2 恒温冷凝水测试结果
Figure BDA0001534391080000072
Figure BDA0001534391080000081
表3 耐SO2测试结果
变色或起泡等级 单个最大渗透长度/mm
实施例1 0(S0) 0
实施例2 0(S0) 0
实施例3 0(S0) 0
实施例4 0(S0) 0
表4 丝状腐蚀测试结果
Figure BDA0001534391080000082
由表1-4可知，本发明的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，使得铝合金材料对三级粉末涂料具有良好的耐腐蚀性能和较高的对粉末涂料的附着性，由于三级粉末涂料相对于一级和二级粉末涂料具有更强的韧性、耐冲击性等机械性能，使得本发明的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜可起到对船用铝合金材料优良的保护作用。同时，本发明的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜在成膜过程中，经化学转化后无需进行水洗，直接晾干即可，简化了生产工艺，且节约水资源，降低生产成本。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (8)

1.一种免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，其特征在于，所述骨架膜通过对船用铝合金表面利用处理液处理后得到，所述处理液由以下含量的组分配制而成：浓度为45％的氟锆酸0.1-4wt％，浓度为50％的氟钛酸0.5-3.5wt％，浓度为50％的氢氟酸0.2-1wt％，硅烷偶联剂0.5-2.5wt％，浓度为50％的植酸0.02-0.1wt％，余量为水。
2.根据权利要求1所述的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，其特征在于，所述处理液的pH值为2-5。
3.根据权利要求2所述的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，其特征在于，所述处理液使用过程中用水进行稀释，稀释后溶液中处理液含量为2.5-4wt％。
4.根据权利要求3所述的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，其特征在于，所述骨架膜的成膜工艺如下：
(1)铝合金表面预处理：将铝合金表面用碳化硅水砂纸打磨至表面粗糙度在10μm以下，置于酸性除油脱脂水溶液中浸泡2-6分钟后用清水冲洗干净，重复操作两次后自然晾干或风干；
(2)铝合金化学转化处理：将铝合金浸泡于处理液中，或将处理液直接喷淋于铝合金表面，或将处理液涂覆于铝合金表面，处理时间为40s-10min；
(3)干燥：将步骤(2)中经化学转化处理后的铝合金直接自然晾干或烘干。
5.根据权利要求4所述的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，其特征在于，步骤(2)中铝合金浸泡在处理液中的处理时间为2-10min。
6.根据权利要求4所述的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，其特征在于，步骤(2)中处理液直接喷淋在铝合金表面的处理时间为1-3min，喷淋压力为0.08-0.18KPa。
7.根据权利要求4所述的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，其特征在于，步骤(2)中处理液涂覆于铝合金表面的处理时间为40-70s。
8.根据权利要求4所述的免水洗船用铝合金表面金属-有机骨架膜，其特征在于，步骤(3)中烘干温度为40-120℃，烘干时间为10-15min。
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