新型涂层涂装体系是目前应用最为广泛的金属腐蚀防护手段,其中,预处理层在金属基体和有机涂层之间起到了至关重要的作用。通常,预处理层在涂层涂装体系中扮演两个重要角色:对金属材料的短期防护和为后续涂层与金属基体提供良好的结合力。在金属表面防护性预处理方面,近年来,硅烷化方法已成为取代铬酸盐钝化和磷酸盐转化等传统环境不友好的预处理工艺的研究热点之一,并可能实现大规模工业化应用。但是,对于碳钢来说,要实现硅烷化的工业化应用还存在两大问题。第一是碳钢表面难以硅烷化。通常碳钢表面形成的硅烷膜比较薄、不均匀、不致密,进而导致硅烷膜的短期防护性能和后续涂装性能都无法满足实际需求,寻找适合碳钢硅烷化的硅烷组分和相关工艺是人们密切关注的问题。第二是硅烷溶液的可持续使用。硅烷溶液在乙醇和水溶液中容易水解和缩聚,故硅烷溶液不能长期稳定存在,通常硅烷溶液在放置一段时间后失效,造成一定的经济损失。针对以上问题,本论文的具体研究内容包括:(1)针对碳钢表面难以硅烷化的问题,本论文采用了电化学阻抗谱(EIS)、浸泡实验、湿热实验、硫酸铜滴实验等腐蚀性能测试实验以及拉伸试验、划格实验等结合力测试实验、XPS测试实验,研究了1,2-二-[三乙氧基硅基]乙烷(BTSE)、硅酸四乙酯(TEOS)和3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MAP)三种硅烷复合得到的硅烷膜作为预处理层的短期腐蚀防护和在涂层体系中的界面结合力。结果表明,与单种硅烷或两种硅烷复合的硅烷膜相比,三元复合硅烷膜有更为优秀的腐蚀防护性能和界面结合性能,XPS测试结果显示BTM硅烷膜比BM硅烷膜膜层厚度大。(2)针对硅烷溶液稳定性问题,本论文分别研究了硅烷溶液水解时间对硅烷膜防护性能及溶液稳定性的影响规律。通过EIS、SEM、浸泡实验、湿热实验、硫酸铜滴实验表明,随着水解时间的延长,复合硅烷膜的防腐蚀性能呈现先增强后减弱的趋势;而硅烷溶液随放置时间的延长,取相同体积的硅烷溶液,能够有效成膜的面积/片数(采用硫酸铜滴实验测试所得硅烷膜的耐腐蚀性能,规定硅烷膜耐腐蚀时间为一定值t,低于此值即视硅烷膜无效成膜)同样呈现先增大后减小的趋势。通过电导率测试实验,表明硅烷溶液的水解程度呈现先增加后减小的趋势。(3)采用分子动力学模拟计算了在Fe、FeOOH、Fe3C表面不同种类的硅烷分子(BTSE、MAP以及两者复合的硅烷BM和含TEOS的BTM三元复合硅烷)的吸附。结果显示,在不同基体上,相比纯Fe基体和Fe3C基体,硅烷与FeOOH基体的相互作用能更大,硅烷能够在界面形成紧密吸附层;而硅烷在纯Fe和Fe3C基体表面的相互作用能较小,硅烷尤其不易在纯Fe相表面附着。在相同基体上,BTSE得益于其双硅烷的特性,有更多羟基与基体相互作用,表现出比其他硅烷体系(MAP、BM、BTM)较高的结合能。BTM硅烷体系虽在结合能方面稍微逊色,相比于其他硅烷体系,BTM能够更加均匀地分布在基体表面,为基体提供良好的覆盖度。