防止钢板黑化的成膜组合物以及含有由组合物形成的膜的钢板
技术领域
本发明涉及一种用于在钢板——特别是在其表面上含有镁(Mg)的钢板,例如Mg钢板或镀有含Mg材料的钢板——上形成抗黑化膜(blackening resistance film)的组合物,并且涉及含有由所述组合物形成的抗黑化膜的钢板。
更具体而言,本发明涉及一种用于在表面上含有Mg的钢板——例如Mg钢板或镀有含Mg材料的钢板——上形成膜的组合物,以防止钢板黑化,使钢板即使在高温、高湿度的地区也能保持光泽和外观美观,并且涉及包含由所述组合物形成的膜的钢板。
背景技术
在钢铁工业中,经表面处理的钢板被生产为广泛应用于汽车、家电、建筑物和集装箱的高价值产品。随着行业的进步,需要具有各种特性的经表面处理的钢板。
多种表面处理技术被用于改善钢板的耐蚀性,大多数表面处理技术涉及湿法工艺,例如电镀、热浸镀、化学转化处理和涂装。锌已被普遍用作改善钢铁产品的耐蚀性的材料,并且已经研究并提出了各种方法,例如添加其他材料或使用PVD或CVD工艺,以改善镀锌层的性能并且满足客户对高度耐蚀性钢铁产品增加的需求。此外,随着具有高的比强度的镁(Mg)在许多行业例如汽车和电子产业中的使用增加,含有镁的钢板越来越受到人们的关注。
镁钢板和镁-合金-镀覆钢板(例如Zn-Al-Mg-镀覆钢板、Zn-Al-Mg-Si-镀覆钢板、Zn-Mg-镀覆钢板、Mg/Zn-镀覆钢板、Al-Mg-镀覆钢板或Al-Mg-Si-镀覆钢板)是高度耐蚀性的,然而,当在高温和高湿度的地区运输或存储时,Mg钢板或Mg-合金-镀覆钢板可能会由于大气中含有的氧气或水分而变黑(已知为黑化现象)。
当含有Mg的经镀覆的钢板与水分接触时,在经镀覆的钢板的表面上可形成Mg和Zn的氢氧化物和/或氧化物,这被认为是黑化现象的成因。这种黑化现象可能会破坏钢板的外观,降低钢板的价值,并且客户可能会向提供变黑的钢板的厂商提出索赔。
因此,人们已经做出各种努力,以防止或抑制在其表面上含有Mg的钢板——例如Mg钢板或镀有含Mg材料的钢板——的黑化。
根据用于防止或抑制黑化现象的常用方法,Mg钢板或Mg-合金-镀覆钢板可以经涂油、阳极化处理或涂敷。然而,在很长的一段时间内存储钢板的情况下,涂油不适于防止黑化现象。
可以使用阳极化处理来代替PVD或CVD工艺,以提高镀覆速率或成膜速率,从而改善加工性和生产率。在阳极化工艺中,对钢板的表面进行蚀刻以除去氧化物,钢板经蚀刻的部位和其他暴露部位紧密涂敷有氧化膜(阳极氧化膜),以防止黑化现象。然而,大量的对环境和人类有毒的强无机酸被用于形成这样的阳极氧化膜。此外,与连续生产线上的其他工艺相比,阳极化工艺很复杂且费时,因此,这样的阳极化工艺可能很难适用于连续生产线。
可以用有机膜(大多是有机硅烷薄膜)涂敷钢板,以防止黑化现象。然而,这种方法需要高的加工温度以形成无机膜并且需要很长的一段时间来干燥无机膜。因此,已经提出了适用于连续生产线的喷涂法,以防止黑化现象。
韩国专利申请公开号2007-0082367公开了使用喷涂法的表面处理技术。在所公开的技术中,经过十个步骤在Mg合金产品上形成阳极氧化膜。除产品安装步骤、染色步骤和干燥步骤之外,在表面处理中实际上涉及了七个步骤。然而,所公开的技术并不用于钢板,而是用于钢制零件,由于过多的步骤和很长的处理时间该技术是不经济的。
美国专利申请公开号2010-7754799公开了一种用于改善镁合金钢板的耐化学性的方法,所述方法使用了钛螯合物、环氧硅烷、经石蜡处理的碳酸钙,以及经有机聚硅氧烷、非活性硅油处理和硅烷处理的氧化锌。尽管这种方法需要的加工温度低,但是其干燥过程的时间可能相对较长,并且有机聚硅氧烷和硅油使该方法很难应用于面漆。因此,根据镁钢板或合金钢板的各种用途,难以使用所公开的方法。
日本专利申请特许公开号1997-241828公开了一种用于防止黑化现象的技术,将Zn-Mg镀覆钢板浸渍在含有0.01重量%至30重量%磷酸的磷酸酸洗液,以将Zn-Mg镀覆层表面上Mg的浓度减少至1%或更低,从而抑制镁的氢氧化物或氧化物的生成。然而,在使用磷酸酸洗液进行处理的过程中,可能会损坏Zn-Mg镀覆钢板的光泽度和表面质量,并且必须除去Zn-Mg镀覆钢板的浸酸区域(pickled area)上残留的酸渣(sludge)。
日本专利申请特许公开号1995-143679公开了一种预先使Zn-Mg镀覆钢板的表面黑化的技术。根据所公开的技术,Zn和Mg依次沉积在钢板上,将钢板加热,使钢板镀覆有具有预定厚度且具有单层、双层或三层结构的Zn-Mg合金膜(Zn-Mg镀膜)。然后,将经镀覆的钢板在高达80℃的温度和高达80%的湿度下放置10分钟至60分钟,以便将经镀覆的钢板的表面改性为Mg(OH)2、Zn和ZnO。然而,根据所公开的技术,Zn-Mg镀膜钢板的表面可能黑化不均匀,从而钢板的外观可能较差。即,可能无法获得Zn-Mg镀膜钢板的特性如高度光滑和外观美观。因此,可能会降低钢板产品的价值,并可能会增加钢板产品的次品率。
发明内容
技术问题
本发明的一个方面提供了一种用于在表面上含有Mg的钢板——例如Mg钢板和Mg-合金-镀覆钢板——上形成抗黑化膜的组合物,从而改善钢板的抗黑化性能和加工性以及保持钢板的外观美观。本发明的各方面还提供了由所述组合物形成的抗黑化膜、在其表面上含有Mg并且涂敷有由所述组合物形成的膜的钢板、以及使用所述组合物形成膜的方法。
技术方案
根据本发明的一个方面,提供了一种用于在含有镁的钢板上形成抗黑化膜的组合物,该组合物包含:2.5至7.5固体重量份的水溶性苯氧基树脂;0.1至0.5固体重量份的氟化金属酸;0.1至0.5固体重量份的金属化合物;和1至5固体重量份的交联剂。
水溶性苯氧基树脂可具有20,000至60,000的数均分子量。
氟化金属酸可包括选自下列中的至少一种:六氟钛酸、六氟硅酸、六氟锆酸、六氟钨酸、六氟钼酸和六氟锗酸。
金属化合物可包括选自下列中的至少一种:硅、铝、锰、钛、铈、锌、钼、钒、锆及其结合物。金属化合物可以盐和/或纳米尺寸的胶体的形式存在于水中。
交联剂可以包括选自下列中的至少一种:3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己基)乙基三乙氧基硅烷和3-环氧丙氧基丙基甲基二乙氧基硅烷。
根据本发明的另一个方面,提供了一种钢板,其包括:在其至少一个表面上的镁,以及由所述组合物形成的抗黑化膜。
抗黑化膜可以在含镁钢板的表面上形成,并具有100mg/m2至1000mg/m2的干密度。
钢板可以是镁钢板、镁镀覆钢板、或镁-合金-镀覆钢板。镁-合金-镀覆钢板可包括选自下列的镁合金镀层:Zn-Al-Mg、Zn-Al-Mg-Si、Zn-Mg、Mg-Zn、Al-Mg和Al-Mg-Si。
有益效果
根据本发明,用于在含有镁(Mg)的钢板上形成膜的所述组合物不含有毒的铬。此外,由于可通过使用所述组合物在钢板——例如Mg钢板或镀有含Mg材料的钢板——上形成抗黑化的美观膜,可以保持钢板的性能特征,并且可以提高钢板的价值。
最佳实施方式
本发明的实施方案提供了一种用于在钢板上形成抗黑化膜的成膜组合物。所述成膜组合物包含水溶性苯氧基树脂、氟化金属酸、金属化合物和交联剂。
实施方案的成膜组合物用于防止钢板黑化。所述成膜组合物可用于任意钢板。例如,成膜组合物可以用于在其表面上含有镁(Mg)的钢板。这种钢板的实例包括含Mg的钢板和镀有Mg合金层(镀层)例如Zn-Al-Mg、Zn-Al-Mg-Si、Zn-Mg、Mg/Zn、Al-Mg或Al-Mg-Si合金层的钢板。只要镀层含有镁,镀层就可以是任意种类的镀层,例如热浸合金镀层或干镀层。
成膜组合物包括水溶性苯氧基树脂作为主要树脂以形成膜。在使用成膜组合物在钢板上形成的膜中,水溶性苯氧基树脂可以阻隔水分,以防止钢板中包含的Mg与水分接触。即,水溶性苯氧基树脂赋予成膜组合物抗蚀性和抗黑化性能。
水溶性苯氧基树脂在被溶解或分散后可稳定地存在于水中。水溶性苯氧基树脂可以是数均分子量为20,000至60,000的聚合物树脂。具有上述范围内的数均分子量的水溶性苯氧基树脂可由环氧树脂和双酚A形成。如果水溶性苯氧基树脂的数均分子量小于20,000,则可能不会形成具有足够的水分阻隔性质的膜。如果水溶性苯氧基树脂的数均分子量大于60,000,则水溶性苯氧基树脂可能无法顺利地溶解或分散在水中。即,可能无法获得稳定存在于水中的聚合物。
水溶性苯氧基树脂可如下制备:苯氧基树脂通过与含羟基的胺反应而带有酸中和基团,用磷酸中和所述苯氧基树脂。如上所述使苯氧基树脂在水中可溶之后,可将水溶性苯氧基树脂溶解在水中,以得到水溶性苯氧基树脂溶液。此时,可以控制磷酸的量,使得水溶性苯氧基树脂溶液的pH值可以在3至5的范围内。如果水溶性苯氧基树脂溶液的pH值低于3,则镁可能在初期阶段就被过度氧化,并且可以在其上形成污物。如果水溶性苯氧基树脂溶液的pH值高于5,则水溶性苯氧基树脂可能由于未充分中和而不能充分地溶解或分散在水中。
成膜组合物可包括2.5至7.5重量份的水溶性苯氧基树脂。如果成膜组合物包含少于2.5重量份的水溶性苯氧基树脂,则可能无法获得足够的抗黑化和抗蚀作用。另一方面,如果成膜组合物包含多于7.5重量份的水溶性苯氧基树脂,则用作中和剂的磷酸的浓度可能会过量,从而可能由于残留磷酸而降低抗黑化作用。
氟化金属酸可与钢板表面中含镁的表面层轻微熔融(fuse)并反应,以形成稳定的氟化物膜,部分经氟化金属酸熔融的镁可与水溶性苯氧基树脂反应,以形成具有离子交联结构的螯合物。以这种方式,可以提高钢板的耐蚀性。氟化金属酸的非限制性实例包括六氟钛酸、六氟硅酸、六氟锆酸、六氟钨酸、六氟钼酸和六氟锗酸。所列出的实例中的任何一种或组合可被用作氟化金属酸。
成膜组合物可包括0.1至0.5重量份的氟化金属酸。如果成膜组合物包含少于0.1重量份的氟化金属酸,则可能难以使用所述成膜组合物形成硬质膜,从而可能无法得到所需的抗黑化水平。与此相反,如果成膜组合物包含多于0.5重量份的氟化金属酸,则通过所述成膜组合物形成的膜可能具有差的防水性能,并且所述膜可能会由于镁的初始变色而黑化。在使用氟化金属酸之前,可用水稀释氟化金属酸,以防止过量的金属盐和水溶性苯氧基树脂之间的凝聚。
如上文所述,本发明实施方案中的成膜组合物包含金属化合物。所述金属化合物在镁的氧化过程中可以是活泼的,然后被洗脱以形成一种不溶性氧化膜。即,金属化合物可以与水溶性苯氧基树脂一起起到抗黑化屏障的作用,以防止导致腐蚀的物质例如水和氯化物与镁接触。
所述金属化合物可包括硅、铝、锰、钛、铈、锌、钼、钒和锆中的一种或多种。例如,所列金属的金属化合物的任意一种或组合可以被用作金属化合物。金属化合物可以盐和/或纳米尺寸的胶体的形式溶于水中。
成膜组合物可包含0.1至0.5重量份的金属化合物。如果成膜组合物包含少于0.1重量份的金属化合物,则金属化合物可能不会参与经熔融的镁的氧化还原反应,从而导致黑化现象。如果成膜组合物包含多于0.5重量份的金属化合物,则由所述成膜组合物形成的膜可能具有差的防水性和抗黑化性,如同成膜组合物包含多于0.5重量份的氟化金属酸的情况。在使用金属化合物之前,可用水稀释金属化合物,从而防止由过量的金属化合物导致的水溶性苯氧基树脂和氟化金属酸之间的凝聚。
交联剂可以参与水溶性苯氧基树脂分子之间的偶联和水溶性苯氧基树脂分子和钢板表面上所包含的镁之间的偶联。水溶性苯氧基树脂分子结构的环氧可参与水溶性苯氧基树脂分子的交联,水溶性苯氧基树脂分子结构的烷氧基可经水水解并且与镁上的羟基偶联。
交联剂的非限制性实例包括:3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己基)乙基三乙氧基硅烷和3-环氧丙氧基丙基甲基二乙氧基硅烷。所列出的实例的任意一种或组合可被用作交联剂。
成膜组合物可包含1至5重量份的交联剂。如果成膜组合物包含少于1重量份的交联剂,则水溶性苯氧基树脂和镁的偶联会比较差,导致不足的抗黑化性能。如果成膜组合物包含多于5重量份的交联剂,则很难存储所述成膜组合物的溶液,并且在反应后残留的过量的交联剂可能会导致黑化现象。
每100重量份的成膜组合物可包括上述重量份范围内的苯氧基树脂、氟化金属酸、金属化合物和交联剂,其余的可以是水。
如上所述,尽管本发明实施方案中的成膜组合物不包含有毒的铬,但是成膜组合物可用于形成能够防止含镁的钢板黑化的美观膜,以改善镁钢板的表面质量和适用性。
本发明实施方案中的成膜组合物可用于在钢板上形成膜,特别是在镁钢板或钢板的含镁镀层上,从而有效地防止镁与水分接触。
所述膜可通过将成膜组合物施加至钢板上并且干燥所述成膜组合物而形成。成膜组合物可通过任何方法施加至钢板。例如,可以使用在本发明所属的技术领域中通常使用的施加方法,例如辊涂法、棒涂法、旋涂法、浸涂法和喷涂法。
使用成膜组合物在钢板上形成的经干燥的膜的密度不受限制。即,可以适当地选择经干燥的膜的密度。例如,经干燥的膜的密度可以是100mg/m2至1000mg/m2,优选250mg/m2至800mg/m2。干燥温度并不限于一个特定的值。例如,使用成膜组合物在钢板上形成的膜可通过将钢板加热到80℃至150℃而进行干燥。
具体实施方式
在下文中,将参照实施例更详细地描述本发明。这些实施例仅用于说明本发明,本发明并不限定于此。
实施例
制备实施例:苯氧基树脂的制备
制备实施例1
在21个配有搅拌器、冷凝器、加热套、温度计和氮气注入管的烧瓶中,在向其中注入氮气后,将450g环氧树脂(购自Kukdo Chemical Co.Ltd.的YD-128)、160g双酚A和0.095g溴化铵(tetraammoniumbromide)催化剂混合并保持在130℃下,从而引发它们之间的反应。反应5小时后,向混合物中加入56g甲基二乙醇胺,并使该混合物再反应2小时。此后,用1237g2-丁氧基乙醇稀释该混合物,以得到苯氧基树脂。苯氧基树脂的数均分子量为32,000,固含量为35%,且加德纳粘度为Z2。
苯氧基树脂如下中和:搅拌苯氧基树脂,同时于1小时内向苯氧基树脂中均匀地滴加57g磷酸(85%)。以这种方式,使得苯氧基树脂可溶。之后,通过将水溶性苯氧基树脂溶于水中而制备水溶性苯氧基树脂溶液。水溶性苯氧基树脂溶液的固含量为25%且pH为约4。
制备实施例2
在21个配有搅拌器、冷凝器、加热套、温度计和氮气注入管的烧瓶中,在向其中注入氮气后,将570g环氧树脂(购自Kukdo Chemical Co.Ltd.的YD-104)、13g双酚A和0.15g溴化铵催化剂混合并保持在130℃下,从而引发它们之间的反应。反应5小时后,向混合物中加入27g甲基二乙醇胺,并使该混合物再反应2小时。此后,用1133g2-丁氧基乙醇稀释该混合物,以得到苯氧基树脂。苯氧基树脂的数均分子量为36,000,固含量为35%,且加德纳粘度为Z6。
苯氧基树脂如下中和:搅拌苯氧基树脂,同时于1小时内向苯氧基树脂中均匀地滴加28g磷酸(85%)。以这种方式,使得苯氧基树脂可溶于水中。之后,通过将水溶性苯氧基树脂溶于水中而制备水溶性苯氧基树脂溶液。水溶性苯氧基树脂溶液的固含量为25%且pH为约4。
制备实施例3
在21个配有搅拌器、冷凝器、加热套、温度计和氮气注入管的烧瓶中,在向其中注入氮气后,将300g环氧树脂(购自Kukdo Chemical Co.Ltd.的YD-128)、106g双酚A和0.15g溴化铵催化剂混合并保持在130℃下,从而引发它们之间的反应。反应5小时后,向混合物中加入37g甲基二乙醇胺,并使该混合物再反应2小时。此后,用823g2-丁氧基乙醇稀释该混合物,以得到苯氧基树脂。苯氧基树脂的数均分子量为19,000,固含量为35%,且加德纳粘度为Z+。
苯氧基树脂如下中和:搅拌苯氧基树脂,同时于1小时内向苯氧基树脂中均匀地滴加38g磷酸(85%)。以这种方式,使得苯氧基树脂可溶于水中。之后,通过将水溶性苯氧基树脂溶于水中而制备水溶性苯氧基树脂溶液。水溶性苯氧基树脂溶液的固含量为25%且pH为约4。
制备实施例4
在21个配有搅拌器、冷凝器、加热套、温度计和氮气注入管的烧瓶中,在向其中注入氮气后,将800g环氧树脂(购自Kukdo Chemical Co.Ltd.的YD-104)、19g双酚A和0.15g溴化铵催化剂混合并保持在130℃下,从而引发它们之间的反应。反应5小时后,向混合物中加入40g甲基二乙醇胺,并使该混合物再反应2小时。此后,用1595g2-丁氧基乙醇稀释该混合物,以得到苯氧基树脂。苯氧基树脂的数均分子量为62,000,固含量为35%,且加德纳粘度为Z6。
搅拌苯氧基树脂,同时于1小时内向苯氧基树脂中均匀地滴加89g磷酸(85%),并且向苯氧基树脂中加入水。然而,所述苯氧基树脂没有均匀地溶于或分散于水中,而是在水中存在苯氧基树脂的固体颗粒。即,苯氧基树脂不适合使用。
样品1-8和对比样品1-12
使用制备实施例1-3中所得的水溶性苯氧基树脂溶液制备含镁钢板的成膜组合物样品。成膜组合物样品的组成示于表1。
具体地,使用固含量为25%的实施例1-3的水溶性苯氧基树脂溶液和以下材料制备本发明的样品和对比样品:
用水稀释至固含量为10%的六氟锆酸(FZr);
用水稀释至固含量为10%的六氟钛酸(FTi);
用水稀释至固含量为20%的硝酸锆(NZr);
用水稀释至固含量为20%的硝酸铈(NCe);
用水稀释至固含量为20%的二氧化硅;
用水稀释至固含量为20%的钒酸钠(VNa);
交联剂:硅烷化合物、购自Shinetsu,Japan的KBM403或KBM303;
二氧化硅:胶体二氧化硅,购自Nissan Chemical,Japan的SNOWTEX-O
表1
*IS:本发明的样品,**CS:对比样品,
***PE:制备实施例
实验实施例:膜性能的评估
使用刮棒涂布机将本发明的样品1-8和对比样品1-12涂敷在镀有Zn-Mg合金的钢板上,并且在100℃下干燥所述钢板。此后,将钢板放置24小时。经干燥的涂膜的密度为500mg/m2。
对膜的抗黑化性能和成膜组合物样品的溶液贮藏性进行了评估,如表2和3所示。表2示出了本发明的样品的评估结果,表3示出了对比样品的评估结果。如下抗黑化性能或溶液贮藏性被评为良好(O)或差(X)。
抗黑化性能:将防锈油施加至经样品处理的钢板,将钢板放置24小时。此后,将0.1毫升纯净水液滴滴落在各个钢板间隔2厘米的三个点上,并且折叠钢板。经折叠的钢板在10kgf/cm2至50kgf/cm2的压力、50℃的温度和95%的湿度下放置120小时。之后,用色差计测定钢板的颜色变化(ΔE)。如果ΔE等于或小于4(ΔE≤4),则样品的抗黑化性能被确定为良好,如果ΔE等于或大于4(ΔE>4),则样品的抗黑化性能被确定为差。
溶液贮藏性:本发明的样品和对比样品的溶液在室温下放置30天。如果溶液的外观、颜色或粘度没有显著改变(例如,如果粘度的变化小于3秒数),则溶液贮藏性被确定为良好,否则为差。
表2
评估项目 |
IS1 |
IS2 |
IS3 |
IS4 |
IS5 |
IS6 |
IS7 |
IS8 |
抗黑化性 |
O |
O |
O |
O |
O |
O |
O |
O |
溶液贮藏性 |
O |
O |
O |
O |
O |
O |
O |
O |
表3
如表2和表3所示,当由包含以下组分的本发明的各个成膜组合物样品形成薄膜时:2.5至7.5重量份的水溶性苯氧基树脂;0.1至0.5重量份的氟化金属酸;0.1至0.5重量份的金属化合物;和1至5重量份的交联剂,膜的抗黑化性能良好,并且本发明的样品的溶液贮藏性良好。然而,具有与本发明样品的组成不同的对比样品的溶液贮藏性差,并且由对比样品形成的膜的抗黑化性能差。