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电镀金属表面钝化研究进展

发表时间：2021/4/16 来源：《中国科技信息》2021年5月作者：李玮儒

[导读] 目前，我国的金属材料加工领域的发展迅速，酸性铬酸盐钝化是随着化学科技发展，不断在各个领域得到广泛引用的一项化学技术。这项化学技术的基础原理，是金属和铬酸盐钝化剂之间发生的表面溶解反应。

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摘要：目前，我国的金属材料加工领域的发展迅速，酸性铬酸盐钝化是随着化学科技发展，不断在各个领域得到广泛引用的一项化学技术。这项化学技术的基础原理，是金属和铬酸盐钝化剂之间发生的表面溶解反应。一方面，溶解反应后获得的金属铬化物，会形成沉淀，进而完成金属的脱离剥落。另一方面，沉淀后会形成一个以三价铬化合物为核心结构的外镀膜层。这一膜层结构能够提升金属的耐腐蚀性。然而这一技术有一项致命性的缺陷，那就是过程中会产生少量的六价铬，这种物质具有严重的致癌性和污染性。因此，这一技术正处于限制使用的过程中。本研究提出无机钝化、有机钝化和两者复合钝化三种方式的电镀钝化形式，研究无铬钝化技术工艺。
关键词：电镀金属；表面钝化；研究进展
        引言：电镀技术是一种在材料表面进行加工处理的技术，作为制造业的基础工艺之一，我国现代制造之所以能够实现由大转强，电镀技术在其中发挥了极其重要的作用。由于各个行业的发展都离不开电镀技术的支持，这也使得电镀行业的发展规模越来越大，然而随之带来的问题就是电镀废水的排放量也越来越大。电镀废水中由于包含多种重金属离子，所以有着很强的毒性，如果直接排放将对周边环境产生特别大的危害，而且伴随时间的增长，当毒性不断积累，对生态环境的破坏程度也会越来越严重。因此通过有效的技术方法来处理电镀废水中的重金属，减轻其污染危害性就变得尤为重要。
        1污染影响因素分析
        污染影响因素分析需遵循清洁生产的理念，从工艺的环境友好型、工艺过程的主要产污环节点以及末端治理措施的协同性等方面，主要分析污染环境的主要因素。
        1.1废水
        电镀项目生产废水主要来自以下几个方面：一是电镀制件的清洗溶液，其中含有重金属、持久性有机污染物以及酸碱等，是污水的主要来源;二是废酸液、废碱液等的排放;三是离子树脂再生过程中产生的废水;四是喷淋塔更换的洗涤废水;五是冲洗地坪所产生的废水。
        1.2废气
        电镀项目废气主要为工艺槽使用化学药剂时，工艺槽挥发的酸雾对周围环境的影响，具体包括HCL、硫酸雾、氮氧化物和铬酸雾。按照酸雾的形成原理分为以下两种，一是酸液蒸发后与空气中水分子结合而成;二是酸液上浮，到达水面后破裂迸出酸雾。
        1.3噪声
        电镀项目噪声主要来自电镀车间设备、风机及废水处理站等，噪声值在75～85dB。噪声污染也是需要之一的问题，会对相关工作人员的体力以及神经系统造成损伤。
        1.4固体废物
        电镀项目主要固体废物主要有电镀试剂消耗产生废化学品容器、废阳极材料、除油槽槽液净化撇油产生的废油、镀槽清理产生的槽渣及槽液、树脂再生过程脱附废液、镀槽槽液的维护过程中产生的废过滤棉芯、废水处理系统产生的污泥、报废镀件和员工生活产生的生活垃圾等。
        2优化措施分析
        2.1无机钝化的研究进展
        无机钝化采用的方式为钼酸盐钝化膜。其形式和结构上与铬酸盐钝化膜相似。这种钝化工艺的结构形成方式为滚涂。具体化学工艺制剂成分及含量为:钼酸钠10g/L、磷酸5mL/L、硝酸4mL/L、羟基乙叉二膦酸(HEDP)4g/L。

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该项钝化工艺需求的钝化温度为40℃，钝化所需时间仅为30s。钝化完成后，需要进一步进行烘干工艺的操作。烘干温度为70℃，进行烘干时长为15min。这项无机钝化研究工艺进行钝化处理后，会在金属的表面形成钝化膜耐白锈。白锈从成型到最终钝化时间结束，接近24个小时。但是钼酸盐钝化膜的研究，没有完全解决钝化问题，仍存在着工艺缺陷。最大的问题在于其膜体容易出现裂纹。无法形成完整的转化膜，提供钝化保护。因此，在工艺应用过程中，需要配合使用其他的无机盐或有机化合物。另外的无机钝化方式为稀土金属盐转化膜。这种无机钝化方式已经取得一定的研究进展。具体工艺操作及原理为当镀锌层在铈盐溶液中预处理时，发生锌的阳极溶解和分子氧的阴极还原。溶液终会游离Ce3+并附着于金属表面，完成氢氧化锌钝化膜在金属基体表面沉积。沉积物最终完成氧化锌膜。这种方式形成的转化膜膜层较厚，能够很好地实现钝化作用，保护金属。
        2.2有机钝化的研究进展
        有机钝化研究，主要是针对双硅烷钝化液的金属钝化效果的研究。研究过程通过双硅烷钝化液对热镀锌板的处理，进行钝化膜效果的研究。通过研究发现，这一工艺效果非常突出，能够形成均匀、连续、致密的钝化膜。成膜后的金属在腐蚀试验中，经过长达96小时的腐蚀处理，腐蚀面占总面积比值仅有2%～4%。这项工艺的有机制剂配置及含量为:2%～4%硅烷偶联剂KH－560，1%～2%硅烷偶联剂KH－570，1%～1．5%氟钛酸，20%～25%苯丙乳液，0．1%～1．5%偏钒酸铵，0．2%封闭剂。钝化所需温度为150℃。需要钝化时间约为60秒。同时，要保证钝化液的钝化pH值保持在5．0左右。
        2.3无机-有机复合钝化的研究进展
        无机—有机复合钝化研究，目前有多种钝化形式。其中发展较多，同时研究方向较为集中的为钛、锆化合物以及硅烷复合物的钝化研究。这种方式受到研究者青睐的原因是由于钛、锆化合物成膜与硅烷偶联剂作用，可以增加金属氧化物形成后的附着力，同时可以提升金属膜的均匀性。因此，目前形成的钛、锆化合物—硅烷复合钝化方式有很多成熟的配方和案例。其中较为成功的一种钝化配方成分及含量为:γ—缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷0．2%～20．0%、交联剂聚乙烯醇0．0%～1．0%、碳酸锆铵0．1%～3．0%，其余质量占比为水。该项钝化工艺需要将以上配比形成的钝化液完成金属表面的液涂，并进一步进行烘烤。烘烤后所得的钝化膜层重量约为0．2～2．0g/m2。钝化膜成膜性突出，能够获得良好的耐腐蚀性。除此之外，利用树脂添加无机盐的无机—有机复合钝化研究也有很多。并且通过两种物质的复合，形成的钝化膜抗腐蚀效果通常较为完好。例如将丙烯酸树脂作为树脂添加无机盐的无机—有机复合钝化主成膜剂进行成膜。无机盐选择硅烷偶联剂。将其应用于金属钝化采用的工艺配方及含量为丙烯酸树脂20～30mL/L，钼酸盐1～2g/L，磷酸盐0．1～0．5g/L，改性硅烷偶联剂5～10mL/L。这种工艺的成膜条件，同样需要准确控制pH值，要确保其在3．0～4．0范围内。钝化成膜温度为40℃，所需时长约为1分钟。
        结语
        总而言之，鉴于电镀废水中包含着不同的重金属，所以电镀废水重金属的处理技术的选择和处理方案的制定也应当根据电镀废水中重金属种类、重金属离子浓度以及经济性等多个方面予以综合考虑，只有如此才能够实现以最小成本达到最好处理效果。本文先介绍了电镀废水的主要成分及其带来的危害，然后重点分析了化学沉淀法、离子交换法、生物吸附法、微电解法等几种电镀废水中重金属处理技术，希望能借此给予相关人员一定参考借鉴。还需要注意的是，电镀行业各个企业应自觉肩负起电镀废水的污染控制责任，积极运用有效的电镀废水重金属处理技术来从源头上降低重金属污染物的排放量，尽可能减轻电镀废水对生态环境以及人类健康所带来的破坏与威胁。
参考文献
［1］孔纲，郑亚敏，冯金良，等．镀锌层三价铬钝化研究进展［J］．电镀与涂饰，2013，32(6):40-42．
［2］朱智勇．镀锌钢板三价铬钝化膜层的制备与腐蚀性能研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2014．
［3］郝建军，安成强，邵忠财，等．A3钢镀锌层钼酸盐钝化膜的组成和性能［J］．材料研究学报，2006，(4):427-430．