CN115803123A - 用紫外线固化的保护性清漆处理金属箔表面的方法 - Google Patents

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Abstract

该方法包括以下步骤：在待处理的金属箔(10)的表面的每个区域部分上施加常压等离子体(PA)；增加金属箔(10)的表面自由能，使所述表面自由能与待施加到金属箔(10)上的清漆的表面张力相容；向已经受常压等离子体(PA)的金属箔(10)的表面施加紫外线固化的清漆层(CV)，其可以是低聚物、单体或光引发剂，固体含量为99％至100％；以及使用紫外线照射来固化清漆层(CV)以形成粘附到金属箔(10)表面的清漆涂层。

Description

用紫外线固化的保护性清漆处理金属箔表面的方法
技术领域
本发明涉及一种通过施加常压等离子体对金属箔表面进行处理的方法，所述金属箔表面涂覆或者未涂覆有铬和锡，特别是用于金属包装行业的金属箔，从而允许在用于形成这些包装的主体和部件的金属箔的一面或两面上以良好的附着性和高润湿性施加保护性清漆，所述保护性清漆可通过紫外线照射固化，这些包装通常呈两件、三件或更多件的罐形式。
背景技术
金属包装行业使用以高铁含量和低碳含量形成的钢箔作为其产品的基本基底，这些钢箔需要防潮以避免氧化，所述氧化会导致包装体和包装于其内的产品的损失。
钢铁行业提供用于形成金属包装体的钢箔卷材，通常对所述金属箔施加电解沉积工艺，以便在其中形成锡或铬的金属间化合物表面层，对所述金属箔进行热处理以巩固铬或游离锡层的晶体学/晶粒学和孔隙率。
提供上述处理以增加耐腐蚀性。然而，由于上述处理是通过另一种金属(铬或锡)进行的，并且通常以1.0至11.2g/m2的范围施加，它会产生极薄(1至2nm)的层，这对于将承受机械应力的成品不是有效的，不仅在罐子及其部件(盖子和底部)的组装中，而且在它们的运输、包装、操纵以及暴露于包装体将被储存或出售的环境中的气候中。因此，有必要在金属箔的一面或两面上施加清漆，以保护形成包装体的钢材，从而防止其氧化。
为了获得与金属箔表面的均匀铺展和粘附程度，目前用于保护金属包装体的清漆在其化学组成中具有约50％的溶剂。这种特性导致在热固化过程中有至少一半的清漆含量损失，溶剂变成剧毒的蒸气，在到达大气之前必须将其焚烧。
溶剂是容许清漆在金属箔上达到所需和正确的铺展程度的标准介质，其进入金属基底的沟槽并将清漆的固体携带到金属箔的整个表面，清漆固体易于粘附到所述金属箔的表面。
当前工艺具有灵活性、良好的铺展性、伸展性和粘附性，此外还最小化油脂或残留污垢对金属表面的影响、溶解或分散这些污染物。然而，当前工艺中的这些清漆使用的溶剂具有高百分比的挥发性有机化合物，当在大型设备中通过加热和强制对流使清漆固化或干燥时，所述挥发性有机化合物会蒸发，从而消耗高的能量和加工时间。
溶剂型清漆中的挥发性化合物可由单一化合物定义，或由例如醚类、乙酸酯、芳香族化合物、二醇醚和脂肪烃的混合物定义，从而需要使用昂贵的焚烧***，使得它们不会释放到大气中，因为它们可能对环境造成极大危害。
不含挥发性化合物的清漆(即在固化过程之后的清漆)的成分的约99％至100％在金属箔上凝固，形成单一聚合物，例如本发明的方法目的所建议的，如果不将金属箔的表面自由能改变为与有待以液态施加的清漆的表面张力相容的值，则不能使用。
液态清漆的表面张力值与金属箔固体表面的自由能的相容性是必要的，以避免形成球形液滴，其导致金属箔表面某些点具有高浓度的清漆层，而在其他点施加的层减少或甚至没有层。固体的自由能与其润湿性密切相关，也就是说，它的与接触其的液体形成共同界面的能力。自由能和表面张力的数值的相容性允许均匀的铺展，以及清漆与金属箔表面的期望且安全的粘附。
发明内容
由于与使用溶剂型清漆相关的不便以及获得具有高固体浓度的清漆的充分铺展和粘附的困难，本发明旨在提供一种方法，该方法允许在金属箔中施加通过紫外线照射固化的保护性清漆，该金属箔是未涂覆的或涂覆有铬或锡并且是用于金属包装行业，用于罐体和部件的内部和外部保护。
所讨论的方法允许用通过紫外光固化并且与环境相容的清漆替代热固化的溶剂型清漆，所述溶剂型清漆需要大型炉，其使用气体来产生热量以及对人类和环境非常有害的大量有机蒸气。
所讨论的方法节省了大量工艺成本，因为该方法允许停用燃气炉和有机蒸气焚烧炉，与本文提出的技术方案中使用的新型紫外线固化生产线相比，这些炉具有高的维护成本。
该方法包括处理金属性基底的表面，通过常压等离子体对其进行清洁和活化。该工序将金属性基底的自由能提高到等于或大于要施加到所述基底上的紫外线固化清漆的表面张力值的数值，从而使所述自由能的极性部分增加约8倍，其具有亲水特性，因此改善金属箔的粘附性能和润湿性，并允许清漆的恰当铺展和对金属性基底的高粘附程度。
每种物质都寻求尽可能最低的自由能。在没有重量影响的情况下，液体形成球形液滴。反过来，固体不能使其表面变形，以集中在尽可能最小的空间内，但它们能够与液体形成共同且相容的界面，从而减小自由能，也就是说，它们可以被润湿。因此，固体的表面自由能与其润湿性密切相关，因此与清漆的铺展程度密切相关。术语“表面自由能”和“表面张力”在物理上是等同的。术语表面自由能通常用于固体表面和液体表面的表面张力。然而，有时也使用固体的表面张力这一术语。表述“自由”是指能量中可以转化为机械功的部分，与内能相反，内能还包含与热相关的熵。术语“自由”经常被省略。
附图说明
下面将参考附图描述本发明，其中：
图1以示意和简化的方式呈现了当用于金属箔的表面保护时的本发明处理方法的步骤。
具体实施方式
如附图中的图1所提及和所示，本发明的方法旨在通过施加可通过紫外线照射而固化的保护性清漆，在金属箔10的一个或两个面上提供表面保护处理。
进行本发明方法的金属箔10可涂覆或不涂有铬或锡，并且特别用于金属性包装行业，其形式为两件式或三件式罐。
根据该方法，金属箔10的任何面都与称为常压等离子体PA的离子化气体进行接触，常压等离子体被认为是物质的第四种状态并且从等离子体喷嘴20被释放到待处理的表面。
通过高频和高压等离子体发生器21产生的电能的受控释放，在等离子体喷嘴20内产生常压等离子体PA，从压缩空气产生器22向所述等离子体喷嘴进一步供给压缩空气。附图中的图1示出了仅一个高频和高压等离子体发生器21、压缩空气产生器22和等离子体喷嘴20，其产生的常压等离子体PA冲击在金属箔10的表面上。应当理解的是，等离子体喷嘴20和等离子体发生器21的数目可以根据金属箔10的横向尺寸、金属箔10和等离子体喷嘴20之间的相对移动速度以及等离子体喷嘴的强度而变化。
附图中的图1示出了通过传送带30移动金属箔10在常压等离子体PA下穿过的示例，线速度由上述其他参数确定并且与金属箔10的类型和等离子体喷嘴20的能力有关，假定后者的数量足够并且位置上足以覆盖穿过常压等离子体PA的金属箔10的宽度。
在金属箔10暴露到常压等离子体之前，其表面自由能平均为28至45mN/m，极性部分被认为是亲水性的并且较低，涂覆锡的金属箔的表面自由能平均为1至3，并且镀铬的箔片的表面自由能平均为4至5，取决于其生产、机加工、游离锡或铬的层和钝化。原子和分子之间的内聚作用引起物质的表面能/张力，可以用不同的相互作用类型来解释。特别地，色散相互作用和极性相互作用可以彼此区分。由原子/分子中的载荷分布的暂态波动引起的相互作用被称为色散相互作用(范德华相互作用)。
所述极性相互作用包括永久偶极子之间的库仑相互作用以及永久偶极子和感应偶极子之间的库仑相互作用(例如，氢键)。由于范德华相互作用发生在所有原子和分子之间，因此不存在表面能/张力仅由极性部分组成的物质。组分i的表面能/张力σi以相加方式由色散部分σi d和极性部分σi p构成：
Figure BDA0003935316160000051
通过比较基底和清漆之间的表面能/张力的色散部分和极性部分之间的比例，允许预测所述两种组分之间的粘附力。基底和清漆之间的关系越接近，组分之间的相互作用就越可能，从而它们之间的粘附力就越大。
在将金属基底(钢箔)暴露于常压等离子体PA之后，使用高频和高压等离子体发生器21，将等离子体喷嘴20放置在离钢箔1至3mm的位置，在射流出口处以每分钟50至60升氮气的流量和245mbar(24.5KPa)的压力，以40至80m/min的速度移动基底(其形式为金属箔10)，所述基底的表面自由能增加至可调整从而与待施加的清漆的表面张力相容的参数，对于涂有锡或铬的金属箔，经处理的箔的所述表面自由能可限定为29至72mN/m，具有高的极性部分。如果使用涂有锡的金属箔，则在处理前的表面自由能为41mN/m，分散性为39/极性2，在等离子体施加后的结果导致自由能增加至56mN/m，极性部分为16。如果使用涂覆铬的金属箔，表面自由能为41mN/m，分散性35/极性6，则在等离子体施加后，导致自由能增加至56mN/m，极性部分为16。
高频高功率等离子体发生器21必须配置为产生300至400伏特，脉冲频率在20至30kHz之间，以达到900至1000W之间的功率。要压缩的气体可以是氧气或氮气，后者(N2)最为有效。在这两种情形中，释放的气体量应为每分钟50至60升，射流出口处的压力为240至250mbar(24.5至25.0KPa)。
在上述参数中，发现金属箔表面和清漆之间的稳定性，从而允许所用的紫外线固化清漆的良好润湿性和粘附性。然后，所述箔可以成功地进行标准测试“刮擦和胶带-粘附”和反向冲击。
这个预处理工序产生以下效果：有机物的清洁、处理中的金属性表面的极化以及金属箔10的钢表面自由能的增加，从而使所述表面自由能与待施加到金属箔10上的紫外线固化清漆的表面张力相容，允许清漆在箔上的良好粘附和铺展，其速度大于每小时3500张钢箔(涂有锡或铬的箔)，考虑由氮气或由压缩氧气产生的常压等离子体PA，每分钟使用56升气体，在射流出口处的压力为245mbar(24.5KPa)，并且金属箔的速度为约50m/min。
通过常压等离子体PA表面处理过的金属箔10由带30输送至清漆施涂器40，清漆施涂器可由例如清漆辊41限定，该清漆辊供给施涂辊42，所述施涂辊与支撑辊43相对运行。在施涂辊42和支撑辊43之间穿过时，在金属箔10的接触施涂辊42的面上形成紫外线固化性清漆层CV。紧接着，金属箔10进入固化单元50，该固化单元由例如汞蒸气或LED灯形成，其产生足够的紫外线照射以激活清漆的化学组成中的光引发剂，从而导致其聚合、其与金属箔表面的粘附以及对金属箔的所述表面的完全覆盖和保护，所述金属箔有待用于生产金属包装的主体、圆顶和底部。
必须使用固体含量高的清漆，无分散剂或基于化学溶剂的载体，并通过汞蒸气灯产生的紫外线照射固化。
该工艺中使用的清漆包含低聚物、单体和光引发剂，通过光刻辊42施涂，而无需稀释，粘度为40至60秒CF4/25℃，比重为1.01至1.05/25℃，固体含量为99至100％。
所讨论的方法允许使用所述保护产品，即由三件或两件构成的金属性包装的主体和部件(圆顶和底部)的内部和外部零件上的清漆，该清漆具有99％的通过紫外线照射而固化的固体，该方法还允许用带有紫外线灯的固化站代替燃气炉。
清漆的固化是通过清漆组合物中的光引发剂的相互作用引起的清漆聚合而发生，采用固化单元50的灯发出的紫外线照射(超过100mJ/cm2)，从而导致最终干燥层为4.65至7.75g/m2。
现在提出的方法的有利效果可列出如下：
-消除对健康和环境有害的气体的排放；
-消除在工业过程中使用气体；
-由于使用不易燃清漆而消除了对环境的危害，这与使用溶剂型清漆的方法截然不同，所述溶剂型清漆通过热固化和有毒气体处理来消除；
-减少了工厂空间，消除了用于溶剂型清漆的热固化的燃气炉，并使用了显著更小的紫外线固化站；
-减少施涂线和处理线的维护，因为它们较小且简化；
-在维护、租金和较少操作员方面的显著节省；
-节省运费，因为不再需要运输先前使用的清漆溶剂，而只需要运输有待涂覆到钢箔上的固体；
-金属性基底的更大稳定性，从而确保更好的粘附性和润湿性。

Claims (6)

1.一种用紫外线固化的保护性清漆处理金属箔表面的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
-在金属箔(10)的待处理表面的每个区域部分上施加常压等离子体(PA)，增加金属箔(10)的表面自由能，使所述表面自由能与待施加到金属箔(10)上的清漆的表面张力相容；
-在经受常压等离子体(PA)的金属箔(10)的表面上施加紫外线固化的清漆层(CV)，该清漆层选自低聚物、单体和光引发剂的化合物，粘度为40至60秒CF4/25℃，比重为1.01至1.05/25℃，固体含量为99％至100％；和
-通过在固化单元(50)中使光引发剂与紫外线照射相互作用，通过清漆化合物的极化，使施涂在金属箔(10)表面上的清漆层(CV)固化，形成粘附到金属箔(10)表面的清漆涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述清漆涂层的厚度为4.65至7.75g/m2。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，从至少一个等离子体喷嘴(20)将常压等离子体(PA)释放在金属箔(10)的有待处理的表面上，通过高频和高压等离子体发生器(21)产生的电能的受控放电在等离子体喷嘴(20)内产生所述常压等离子体(PA)，还从压缩空气产生器(22)向所述等离子体喷嘴供给压缩空气。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述等离子体发生器(21)产生300至400伏特，20至30kHz的脉冲频率，900至1000W的功率，待压缩气体选自氧气或氮气，其量为50至60升/分钟，并且压力为240至250mbar(24.5至25.0KPa)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述金属箔(10)保持在距离等离子体喷嘴(20)1至3mm的距离处，以50m/min移动，经受常压等离子体(PA)，流量为每分钟56升氮气并且压力为245mbar(24.5KPa)，以便呈现56mN/m的表面自由能。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述固化单元(50)向所述清漆层(CV)施加由汞蒸气或LED灯发射的大于100mJ/cm2的紫外线照射。
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