项目简介：

       金属腐蚀所造成的年损失量远远超过水灾、火灾、风灾和地震（平均值）等损失的总和。中国工程院重大咨询项目“我国腐蚀状况及控制战略研究”报告显示， 2014 年我国的腐蚀造成的直接损失达 21000 亿，占当年国民生产总值的 3.34%。在众多的腐蚀防护技术中，金属工件的喷漆涂装是目前最广泛使用和最有效的防腐蚀技术之一，其中涂装前的表面预处理则是涂装工艺中不可或缺的一道工序，预处理层（又称化学转化膜或涂装底膜）的主要作用是：（1）抑制金属工件表面微电池的形成，减缓腐蚀反应的速率；（2）提高金属基体与涂装层之间的附着力，使涂装层与金属工件构成一个结合紧密的整体结构，从而达到在苛刻的腐蚀环境中延长涂层使用寿命的目的。
       目前钢铁制件（涉及汽车、家电、机械制造等多个行业）在电泳涂漆、静电喷塑之前，工业界普遍采用磷化处理工艺在其表面形成磷酸盐转化膜（简称磷化膜），用以提高整个涂装系统的耐腐蚀性能。磷化膜业已成为涂层不可或缺的良好底层，不经磷化或者磷化效果不好均无法保证涂装质量。根据国家统计局和产业信息网提供的统计数字，2014 年金属表面处理行业实现的销售收入达 2348.63亿元，其中与磷化有关的企业占据半壁以上的江山。然而，磷化工艺也存在诸多问题，除能耗高、维护成本高（易在管壁及管道内结渣，须定期检修处理）之外，废液、废渣的大量排放造成了严重的重金属污染、富磷污染、废渣污染、废水污染。目前全国范围内多个省市正在重拳整治“小乱散污”企业，其中与磷化相关的金属前处理企业名列其中，长三角和长江流域地区甚至明确提出“限磷”和“无磷”
的目标和具体措施。
       但须注意到，传统的工程金属或合金的涂装防护技术是建立在磷化膜处理技术基础上的，磷化膜与高档涂层之间的配搭已经成为这些行业固有的思维模式，在性能更好、价格更合理、操作更方便的环保型新产品和新工艺出现之前，仅仅依靠集中整治和行政命令实难以实现彻底取缔污染性磷化企业的目标，特别是对那些高产值、支撑性的大企业而言。随着科技的不断进步和公众环保意识的日益提高，只有在成膜理论和成膜工艺上实现新突破，研发出能真正能替代磷化膜的产品及相关工艺，才能彻底根治磷化工艺带来的污染。我们课题组研制新型环境友好化学转化膜产品及发展绿色成膜工艺的目的就是为了彻底取代污染性的磷化膜产品，实现金属涂装界的新旧动能转换。
       本产品是以金属螯合化反应原理在金属表面形成螯合物为主的无机-有机杂化膜。新型杂化膜产品选取含有多个官能团的天然无毒的植物提取物（如植酸、单宁酸等）作为主成膜剂，利用它们对金属离子（如钙、铝、锌、钛离子）超强的螯合作用，实现了在水溶液中直接在金属基体表面以自组装的方式成膜，成膜物质利用率高，从成膜的源头解决了沉渣产生的技术难题，而且膜的厚度可在亚微米到微米范围内进行调制。杂化膜产品在成膜理念和成膜工艺上均具有原创性，科学意义重大。该产品不仅绿色环保，而且膜层的耐腐蚀能力明显优于传统磷化膜，其附着力性能也与磷化膜相当，因此杂化膜的应用更具经济效益和社会价值。值得一提的是，新一代无磷、无氮的杂化膜产品已经在山东青岛和烟台、浙江嘉善等地试用成功，2020 年将会有更多的企业使用该产品。
       以山东省的金属表面预处理为例，山东省是机械制造业、钢铁工业大省，现在正面临新旧动能转换和产业升级的关键点。金属预处理行业是山东制造业的支柱性产业，目前因环境保护的问题面临困境，亟待实现产业的升级。杂化膜产品作为传统磷化膜的替代品，它的工业化应用将彻底解决磷化工艺带来的环境污染问题，必将助力山东的机械制造、金属加工等行业尽快实现绿色可持续发展，也有利于山东大学服务山东战略的有效实施。

       核心技术：

    （一）创新性：

       杂化膜是以金属螯合化反应原理在工程用金属表面形成的一种螯合化的无机-有机复合薄膜，特别适合钢铁（包括冷轧钢、热轧钢、各类碳钢等）、铝及铝合金、锌等多种金属基材的涂装前表面处理。主要成膜物质选取含有多个官能团的天然无毒的植物提取物（如植酸、单宁酸等），利用多官能团成膜剂对金属离子（如钙、铝、锌、钛离子）超强的螯合作用，实现了在水溶液中直接在金属基体表面的自组装成膜，大大提高了成膜物质的利用率，从成膜技术的源头解决了沉渣产生的“卡脖子”技术难题，更重要的是膜的厚度可在亚微米到微米范围内进行调制。
       杂化膜产品在成膜理念和成膜工艺上均具有原创性，属具有自主产权的创新技术，科学意义重大。该产品不仅绿色环保，而且膜层的耐腐蚀能力明显优于传统磷化膜，其附着力性能也与磷化膜相当，是目前市场上为数甚少的磷化膜的理想替代品，它的使用将解决棘手的磷化工艺污染问题，更具经济效益和社会价值。

     （二）杂化膜产品的技术优势：
       环保方面
       磷化液:废液沉渣多，引起污染环境
       硅烷锆化: :有少量沉渣，须定期更换槽液，有废液排放
       杂化膜:以吸附方式成膜，无废液沉渣的排放，是环保型产品性能方面:
       磷化液防腐性能：良
       附着力：优:
       硅烷锆化防腐性能：差
       附着力：优
       杂化膜:防腐性能：优
       附着力：优
       成本方面:

       磷化液处理成本：0.25-0.35 元/米2
      但环保成本日益攀升
       硅烷锆化使用成本：0.18-0.25 元/米2
       杂化膜:使用成本：0.1-0.15 元/米2
       需特别说明的是，杂化膜裸膜的防腐性能明显优于磷化膜、硅烷转化膜和锆化转化膜，非常适用于在苛刻条件下的金属表面防腐预处理。

       成果及应用案例：

案例 1：

      2019 年 10 月在浙江盛威安防科技有限公司开槽成功以来，至今一直正常运转，没有出现过停工维修的情况。
       该公司处理的金属基材属含碳量较高的碳钢材料，处理前需要酸洗，在自然晾干过程中极易返锈。同时钢材表面覆盖较厚的油脂层，普通脱脂剂难以做到完全脱脂，因此常用的商业化成膜剂无法做到成膜均匀。该公司的处理线因工艺条件苛刻、复杂，加之厂家对成膜质量有严格的要求，国际知名品牌公司曾多次开槽失败而不得不放弃。

案例 2：
       2018 年 10 月在烟台峰茂液压机械设备有限公司开槽成功，至今已经正常运行了1 年多的时间，成膜质量（外观颜色、防腐性能）一直保持稳定，厂家感到非常满意。
之前该厂家使用磷化工艺对钢管（碳钢基材）进行表面处理，其要求是薄膜颜色均匀，成膜后露天放置15 天不生锈。磷化膜因防腐性能差难以达到 15 天不生锈的要求，而且每 10 天就要清理一下处理槽，不仅造成环境污染，而且维护成本较高。为此，厂家提出在基本保持原有处理线的基础上更换成膜处理剂。
由于该厂的处理线由传统磷化处理线改造而成，现场作业条件很差，硅烷、锆化产品均无法满足技术需求。相比之下我们的杂化膜产品表现出了比磷化膜更好的防腐蚀性能，不仅外观颜色均匀，而且有效解决了成膜过程中的沉渣问题，降低了维护成本，受到企业的欢迎。

       市场前景：

       现有的杂化膜产品非常适合于冷轧板、热轧板和各种碳钢涂装前的表面预处理。通过调整成膜添加剂也可用于镀锌钢和铝合金工件的表面预处理。

       适用的行业包括：

    （1） 汽车及零部件行业（包括农用车、摩托车、自行车、农机等）；
    （2） 普通工业（包括机械、冰箱、冰柜、空调、各类电器等）
    （3） 建材行业（包括各类门业、炊具、健身器材）
    （4） 铝合金（包括铸铝、型材、铝板等）。