一种采用带巯基有机硅液处理镁制品表面的方法
【专利摘要】本发明公开了一种采用带巯基有机硅液处理镁制品表面的方法。该方法包括：（1）将按照质量份数，将4～6份γ-巯丙基三甲氧基硅烷、10～30份乙醇和2～5份醋酸铵在碱性条件下水解；（2）向有机硅液中加入稀土金属盐；（3）将镁制品置入所述稀土-有机硅溶液中浸渍2～6min；（3）将经有机硅液浸渍过的镁制品在90～115℃下烘烤35～60min。本发明将表面浸过由γ-巯丙基三甲氧基硅烷通过水解反应得到含有端硅羟基的线性低聚物的有机硅液，然后在该有机硅液体中加入稀土金属盐，在高温下固化成膜，以在镁制品表面形成分子结构为网状的有机-无机复合膜，该有机-无机复合膜较为致密，提高镁制品的耐腐蚀性。
【专利说明】一种采用带巯基有机硅液处理镁制品表面的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属制品表面处理的【技术领域】，尤其涉及一种采用带巯基有机硅液处理镁制品表面的方法。
【背景技术】
[0002]镁是一种银白色的碱金属，它又是最轻和最易加工的结构金属。镁合金具有比强度和比刚度高，减震、降噪性能好等优点。镁合金的抗拉强度与铝合金接近，但比强度高于铝合金和某些高强度钢。所以，可用镁合金代替铝合金和钢材，减轻金属结构件的重量。镁合金的弹性模量低，减震性好，能承受较大的冲击载荷，适于制造承受剧烈震动的零部件。镁金属的塑性比铝低，常温下塑性变形小，只能在235°C以上进行压力加工，不宜进行冷压加工。但镁合金的切削性能十分良好、尺寸稳定性高，可以进行各种机械切削，也可以进行氢弧焊和其他工艺的焊接。镁的熔点较低(648.8°C)、锻造性能良好，其良好的低温性能适用于制造低温下工作的零部件。镁合金的散热性能不但比塑料高，而且还优于铝合金。镁合金具有很高的屏蔽电磁干扰性能，适用于做电子器材的外壳。另外，它还具有超导性能和储氢性能。镁合金的回收再生性良好，价格低廉，符合环保要求，可广泛使用在军工、汽车、飞机、手机、电脑、机电五金等工业用品上。
[0003]镁虽具备上述一系列优点，但镁的电极电位很低(为-2.37V)，即使在大气环境中也会形成氧化膜，而这种氧化膜的PBR值小于I (为0.99)，恒温氧化动力学曲线呈线性关系。因此，镁的自然氧化膜疏松多孔易脱落，不能起保护基体免受侵蚀的作用；还有合金内部的第二相或杂质引起的电偶腐蚀，容易发生点腐蚀，导致镁及其合金的耐蚀性很差，应用受到限制。现有技术对镁制品的表面处理方法有化学转化膜、电镀、化学镀。这些方法在形成的保护膜往往不够致密，存在结构缺陷，导致经过表面处理的镁制品的耐腐蚀性相比于未经表面处理镁制品并未得到较大的提高。
【发明内容】
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[0004]有鉴于此，本发明提供一种采用带巯基有机硅液处理镁制品表面的方法，该方法能在镁制品表面形成致密的有机-无机复合膜，从而提高镁制品的耐腐蚀性。
[0005]一种采用带巯基有机硅液处理镁制品表面的方法，包括以下步骤:
[0006](I)按照质量份数，将4~6份Y-巯丙基三甲氧基硅烷、10~30份乙醇和2~5份醋酸铵加入至水中形成混合液，调节该混合液的pH值为8~11，在50~65°C下分散
1.5~3h制得有机硅液；
[0007](2)向所述有机硅液中加入Ce(N03)3、KMn0jP氟化物，充分溶解形成含有5~15g/L Ce (NO3) 3、2~6g/L KMnO4、I~4g/L氟化物的稀土 -有机硅溶液。
[0008](3)将续制品直入所述稀土 _有机娃溶液中浸溃2~6min ；
[0009](4)将经有机硅液浸溃过的镁制品在90~115°C下烘烤35~60min。
[0010]其中，所述步骤(1)中水的质量份数为60~90份。[0011]其中，所述步骤(1)中将Y-巯丙基三甲氧基硅烷、乙醇和醋酸铵加入至水中具体为:首先将乙醇和醋酸铵溶解于水中，然后将Y-巯丙基三甲氧基硅烷向溶解有乙醇和醋酸铵的水中缓慢滴加，所述滴加的时间为30~60min。
[0012]其中，所述步骤(1)中混合液的分散采用转速为150~400rpm的机械搅拌。
[0013]其中，所述步骤(1)中浸溃的次数为I~5次。
[0014]其中，按照由先至后的顺序，所述步骤(3)之前依次还包括对镁制品进行用机械打磨、化学碱液除油和蒸馏水冲洗。
[0015]其中，所述化学碱液除油具体为:将镁制品置入温度为70~80°C的化学碱液中浸溃 20 ~40min。
[0016]其中，所述化学碱液包括40 ~60g/L Na0H、50 ~70g/L Na3P04、20 ~30g/LNa2C03、5 ~10g/L Na2Si03。
[0017]其中，所述机械打磨具体为:先用200目砂纸粗打磨，再用600目砂纸细打磨。
[0018]以上技术方案中，步骤(1)中Y -巯丙基三甲氧基硅烷是一种硅烷偶联剂，它在碱性条件下以乙醇为催化剂发生水解反应。该水解反应的过程分为以下三个阶段:(1)三甲氧基水解成硅醇；(2)硅醇之间缩水反应生成线性产物为主的端硅羟基的低聚物；(3)低聚物的硅羟基与金属表面氧化物或水合物的羟基形成氢键。在第三个阶段中，同时还发生低聚物中含有的硫原子与金属表面的原子螯合。无论何种反应方式，都使得有机硅成分紧密结合于金属表面。在前述的三个阶段里，溶胶粒子成核及溶胶粒子生长。步骤(1)中加入的醋酸铵可提高水解反应的进行程度。各反应组分的加料方式采用有机硅单体滴加法，即Y -巯丙基三甲氧基硅烷向水中缓慢滴加，这样可使得有机硅单体处于“饥饿”状态，从而提高有机硅单体的转化率。
[0019]步骤(2)中以Ce(NO3)3作为稀土金属盐，较CeCl3而言，前者增强镁制品的耐腐蚀性的效果更好。以KMn04作为氧化促进剂，可以降低成膜温度，提高成膜速率。以氟化物作为稳定剂。
[0020]步骤(4)中将经有机硅液浸溃过的镁制品烘烤是为了使有机硅液在镁制品固化成膜。在该固化成膜的过程中，前述线性的低聚物的硅羟基发生交联而成三维网状结构。同时低聚物的硅羟基与基材表面的羟基生成更为键能较氢键更大的共价键。固化后形成的膜为有机-无机相的复合膜，该复合膜中紧靠镁表面的是有娃氧键与金属原子键合形成无机相，该无机相远离镁表面的是由网状的含有硅氧链段的高分子链构成的有机相，有机硅偶联剂通过硅氧烷作为反应的活性位点，在无机相和有机相之间起着“桥梁”作用，有机-无机复合膜在有机网络中引入无机质点，改善了网络结构，增强了膜的机械性能，提高了热稳定性，改善和修饰膜的孔结构和分布，调节孔隙率和调整亲水疏水平衡，提高了膜的渗透性和分离选择性。
[0021]本发明将表面浸过由Y-巯丙基三甲氧基硅烷通过水解反应得到含有端硅羟基的线性低聚物的有机硅液，然后在该有机硅液体中加入稀土金属盐，在高温下固化成膜，以在镁制品表面形成分子结构为网状的有机-无机复合膜，该有机-无机复合膜较为致密，提高镁制品的耐腐蚀性。
【具体实施方式】[0022]下面分别结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0023]按照以下方法对后述实施例及对比例的镁制品进行预处理:
[0024]对镁制品进行打磨，即首先用200目砂纸粗打磨，随后用600目砂纸细打磨，打磨至镁制品表面露出金属光泽。将打磨过的镁制品置入温度为70~80°C的化学碱液中浸溃20~40min以除油，该化学碱液的成分为:40~60g/L Na0H、50~70g/L Na3P04、20~30g/L Na2C03、5~lOg/L Na2Si03。将除油过的镁制品用蒸馏水冲洗并用氮气吹干，以备用。
[0025]实施例1
[0026]以质量份计，将10份乙醇、2份醋酸铵和加入至盛有60份去离子水的四口烧瓶中充分搅拌使其溶解，调节该溶液的PH值为8。然后将四口烧瓶置入数显式恒温水浴锅内，并在四口烧瓶上的四个口上分别安装机械搅拌装置、温度计、恒压滴液漏斗和冷凝管，温度计要插入烧瓶的液面以下。将4份Y-巯丙基三甲氧基硅烷装入恒压滴液漏斗，打开机械搅拌装置，控制转速为150rpm。待温度计的读数为50°C后，打开恒压滴液漏斗的阀门，使其内的液体匀速缓慢滴下，控制滴加的时间为30min。待恒压滴液漏斗内的液体滴加完毕后，恒温3h，制得有机硅液。
[0027]向所述有机硅液中加入Ce (NO3) 3、KMnO4和氟化物，充分溶解形成含有5g/LCe (NO3) 3、2g/L KMnO4、lg/L氟化物的稀土 -有机硅溶液。将经预处理的镁制品置入前述制备的稀土 -有机硅溶液中浸溃2min，重复浸溃的操作5次。将经有机硅液浸溃过的镁制品置入烘箱中在90°C下使其固化成膜，固化时间为60min。
[0028]实施例2
[0029]以质量份计，将30份乙醇、5份醋酸铵和加入至盛有90份去离子水的四口烧瓶中充分搅拌使其溶解，调节该溶液的PH值为9。然后将四口烧瓶置入数显式恒温水浴锅内，并在四口烧瓶上的四个口上分别安装机`械搅拌装置、温度计、恒压滴液漏斗和冷凝管，温度计要插入烧瓶的液面以下。将6份Y-巯丙基三甲氧基硅烷装入恒压滴液漏斗，打开机械搅拌装置，控制转速为400rpm。待温度计的读数为65°C后，打开恒压滴液漏斗的阀门，使其内的液体匀速缓慢滴下，控制滴加的时间为60min。待恒压滴液漏斗内的液体滴加完毕后，恒温2.5h，制得有机硅液。
[0030]向所述有机硅液中加入Ce(N03)3、腸1104和氟化物，充分溶解形成含有15g/LCe (NO3) 3、6g/L KMn04、4g/L氟化物的稀土 -有机硅溶液。将经预处理的镁制品置入前述制备的稀土 -有机硅溶液中浸溃6min，重复浸溃的操作I次。将经有机硅液浸溃过的镁制品置入烘箱中在115°C下使其固化成膜，固化时间为35min。
[0031]实施例3
[0032]以质量份计，将20份乙醇、3.5份醋酸铵和加入至盛有75份去离子水的四口烧瓶中充分搅拌使其溶解，调节该溶液的PH值为9.5。然后将四口烧瓶置入数显式恒温水浴锅内，并在四口烧瓶上的四个口上分别安装机械搅拌装置、温度计、恒压滴液漏斗和冷凝管，温度计要插入烧瓶的液面以下。将5份Y-巯丙基三甲氧基硅烷装入恒压滴液漏斗，打开机械搅拌装置，控制转速为350rpm。待温度计的读数为60°C后，打开恒压滴液漏斗的阀门，使其内的液体匀速缓慢滴下，控制滴加的时间为45min。待恒压滴液漏斗内的液体滴加完毕后，恒温165min,制得有机娃液。
[0033]向所述有机硅液中加入Ce (NO3) 3、KMnO4和氟化物，充分溶解形成含有10g/LCe (NO3) 3、4g/L KMnO4,2.5g/L氟化物的稀土 -有机硅溶液。将经预处理的镁制品置入前述制备的稀土 -有机硅溶液中浸溃4min，重复浸溃的操作3次。将经有机硅液浸溃过的镁制品置入烘箱中在105°C下使其固化成膜，固化时间为47min。
[0034]实施例4
[0035]以质量份计，将15份乙醇、3份醋酸铵和加入至盛有70份去离子水的四口烧瓶中充分搅拌使其溶解，调节该溶液的PH值为10。然后将四口烧瓶置入数显式恒温水浴锅内，并在四口烧瓶上的四个口上分别安装机械搅拌装置、温度计、恒压滴液漏斗和冷凝管，温度计要插入烧瓶的液面以下。将4.5份Y-巯丙基三甲氧基硅烷装入恒压滴液漏斗，打开机械搅拌装置，控制转速为300rpm。待温度计的读数为55°C后，打开恒压滴液漏斗的阀门，使其内的液体匀速缓慢滴下，控制滴加的时间为35min。待恒压滴液漏斗内的液体滴加完毕后，恒温175min,制得有机娃液。
[0036]向所述有机硅液中加入Ce (NO3) 3、KMnO4和氟化物，充分溶解形成含有8g/LCe (NO3) 3、3g/L KMnO4、2g/L氟化物的稀土 -有机硅溶液。将经预处理的镁制品置入前述制备的稀土 -有机硅溶液中浸溃3min，重复浸溃的操作4次。将经有机硅液浸溃过的镁制品置入烘箱中在100°C下使其固化成膜，固化时间为40min。
[0037]实施例5
[0038]以质量份计，将25份乙醇、4份醋酸铵和加入至盛有85份去离子水的四口烧瓶中充分搅拌使其溶解，调节该溶液的PH值为11。然后将四口烧瓶置入数显式恒温水浴锅内，并在四口烧瓶上的四个口上分别安装机械搅拌装置、温度计、恒压滴液漏斗和冷凝管，温度计要插入烧瓶的液面以下。将5份Y-巯丙基三甲氧基硅烷装入恒压滴液漏斗，打开机械搅拌装置，控制转速为250rpm。待温度计的读数为60°C后，打开恒压滴液漏斗的阀门，使其内的液体匀速缓慢滴下，控制滴加的时间为50min。待恒压滴液漏斗内的液体滴加完毕后，恒温160min,制得有机娃液。
[0039]向所述有机硅液中加入Ce(N03)3、腸1104和氟化物，充分溶解形成含有12g/LCe (NO3) 3、4.5g/L KMnO4,3.5g/L氟化物的稀土 -有机硅溶液。将经预处理的镁制品置入前述制备的稀土 -有机硅溶液中浸溃5min，重复浸溃的操作2次。将经有机硅液浸溃过的镁制品置入烘箱中在110°C下使其固化成膜，固化时间为52min。
[0040]实施例6
[0041]以质量份计，将20份乙醇、3.5份醋酸铵和加入至盛有90份去离子水的四口烧瓶中充分搅拌使其溶解，调节该溶液的PH值为10.5。然后将四口烧瓶置入数显式恒温水浴锅内，并在四口烧瓶上的四个口上分别安装机械搅拌装置、温度计、恒压滴液漏斗和冷凝管，温度计要插入烧瓶的液面以下。将5份Y-巯丙基三甲氧基硅烷装入恒压滴液漏斗，打开机械搅拌装置，控制转速为250rpm。待温度计的读数为63°C后，打开恒压滴液漏斗的阀门，使其内的液体匀速缓慢滴下，控制滴加的时间为40min。待恒压滴液漏斗内的液体滴加完毕后，恒温170min,制得有机娃液。
[0042]向所述有机硅液中加入Ce (NO3) 3、KMnO4和氟化物，充分溶解形成含有10g/LCe (NO3) 3、3.5g/L KMn04、3g/L氟化物的稀土 -有机硅溶液。将经预处理的镁制品置入前述制备的稀土 -有机硅溶液中浸溃5min，重复浸溃的操作I次。将经有机硅液浸溃过的镁制品置入烘箱中在105°C下使其固化成膜，固化时间为50min。[0043]对比例
[0044]未经处理的镁制品。
[0045]将少量水滴入如实施例及对比例所述方法表面处理的铜制品表面，待水滴在表面充分铺展开后，采用德国dataphysics公司0CA20型接触角测量仪对水接触角进行测试。
[0046]采用日本BAS公司2323型恒电位仪对以上实施例及对比例的自腐蚀电位测试。具体为，采用三个电极，即以饱和甘汞电极作为参比电极，以钼电极作为辅助电极，测试在室温下进行。溶液介质选用质量分数为3.5%的NaCI溶液，以180mV/min的扫描速度进行测量，测试前将样品在该溶液介质中浸泡20min，以使腐蚀溶液均匀、稳定地浸入试样被测表面中。根据采集并处理得到的电流与电位变化的Tafel极化曲线图。用设备自带的软件对该极化曲线图进行分析便可得到自腐蚀电位。
[0047]对经以上实施例及对比例处理的镁制品进行腐蚀失重测试。采用全浸泡失重试验方法，把样品分别浸入20wt%的NaOH溶液和3.5wt%的NaCl溶液中，腐蚀实验持续时间分别为240h和340h，同时保持腐蚀介质温度为40°C，然后对其腐蚀后的失重进行测量，求得腐蚀速率。腐蚀前后样品均经过去离子水冲洗、乙醇超声清洗、真空干燥、称重四个步骤。腐蚀速率按照以下公式计算:
[0048]腐蚀速率=(腐蚀前质量一腐蚀后质量)/ (腐蚀时间X腐蚀表面积)。
[0049]实施例及对比例的以上测试结果如下:
[0050]
【权利要求】
1.一种采用带巯基有机硅液处理镁制品表面的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)按照质量份数，将4~6份Y-巯丙基三甲氧基硅烷、10~30份乙醇和2~5份醋酸铵加入至水中形成混合液，调节该混合液的PH值为8~11，在50~65°C下分散1.5~3h制得有机硅液； (2)向所述有机硅液中加入Ce(NO3) 3、KMnO4和氟化物，充分溶解形成含有5~15g/LCe (NO3) 3、2~6g/L KMnO4、I~4g/L氟化物的稀土 -有机硅溶液； (3)将镁制品置入所述稀土-有机娃溶液中浸溃2~6min ； (4)将经所述稀土-有机硅液浸溃过的镁制品在90~115°C下烘烤35~60min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中水的质量份数为60~90份。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中将Y-巯丙基三甲氧基硅烷、乙醇和醋酸铵加入至水中具体为:首先将乙醇和醋酸铵溶解于水中，然后将Y-巯丙基三甲氧基硅烷向溶解有乙醇和醋酸铵的水中缓慢滴加，所述滴加的时间为30~60min。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中混合液的分散采用转速为150~400rpm的机械揽拌。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中浸溃的次数为I~5次。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氟化物为NaF和/或KF。`
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照由先至后的顺序，所述步骤(3)之前依次还包括对镁制品进行用机械打磨、化学碱液除油和蒸馏水冲洗。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述化学碱液除油具体为:将镁制品置入温度为70~80°C的化学碱液中浸溃20~40min。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述化学碱液包括40~60g/LNa0H、50~70g/L Na3PO4,20 ~30g/L Na2CO3^5 ~10g/L Na2Si03。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述机械打磨具体为:先用200目砂纸粗打磨，再用600目砂纸细打磨。
【文档编号】B05D3/10GK103484018SQ201310438177
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】戎海明 申请人:昆山凯诺尔金属制品有限公司