DE69926237T2

DE69926237T2 - Beschichtungszusammensetzung

Info

Publication number: DE69926237T2
Application number: DE69926237T
Authority: DE
Inventors: Todd R. Hawkins; Steven K. Geer
Original assignee: GEOTECH CHEMICAL Co TALLM; GEOTECH CHEMICAL COMPANY TALLMADGE
Current assignee: Avient Corp
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: EP1086182B1; AU4002799A; CN1202177C; WO1999064524A1; US6231789B1; CN1308660A; DE69926237D1; US5976419A; EP1086182A1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Korrosions-Schutz-System und ein Verfahren zu dessen Herstellung, konkreter ein System zum Schutz eines Metallsubstrats vor Korrosion unter Verwendung einer kathodischen Beschichtung umfassend mindestens ein inhärent leitendes Polymer und Opfermetallpartikeln.
Allgemeiner Stand der Technik
Eine Art der Beschichtung, die verwendet wird, um Metalle vor Korrosion zu schützen, wird Abdeckbeschichtung genannt. Abdeckbeschichtungen funktionieren durch Trennung des Metalls von der umgebenden Umwelt. Einige Beispiele für Abdeckbeschichtungen beinhalten Farben und Nickel- und Chrombeschichtungen. Eine effektive Abdeckbeschichtung beinhaltet eine Schicht des leitenden Polymers Polyanilin. Wie jedoch bei allen Abdeckbeschichtungen, wird das Metallsubstrat durch Unterbrechungen in den Abdeckbeschichtungen anfällig für Korrosion. Elektrochemisch wirksame Abdeckbeschichtungen, wie Nickel, Chrom und leitende Polyanilinschichten, können sogar bei Unterbrechungen in der Beschichtung die Korrosion darunter liegender Metalle beschleunigen.
Eine andere zum Schutz von Metallsubstraten verwendete Art von Beschichtung wird Opferbeschichtungen genannt. Das Metallsubstrat ist mit einem Material beschichtet, das mit der Umgebung reagiert und bevorzugt zu dem Substrat, das es beschützt, verbraucht wird. Diese Beschichtungen können weiter unterteilt werden in chemisch reaktive, zum Beispiel Chromatbeschichtungen, und elektrochemisch aktive oder galvanisch aktive, zum Beispiel Aluminium, Kadmium, Magnesium und Zink. Die galvanisch aktiven Beschichtungen müssen leitend sein und werden normalerweise kathodischer Schutz genannt.
Im Stand der Technik war eine der Hauptschwierigkeiten die Bildung einer Beschichtung, die wie ein kathodisches System schützt, aber so einfach wie eine typische Abdeckbeschichtung aufgetragen wird. Ferner gibt es viele die Umwelt betreffende Nachteile sowohl bei den herkömmlichen Abdeck- als auch bei den Opferverfahren, von der Verwendung hoher Pegel flüchtiger organischer Verbin dungen bis hin zur teuren Behandlung von Abwässern, verursacht durch die Beschichtung und nachfolgende Oberflächenvorbereitung für Oberflächenbeschichtungsprozesse.
Die JP-A-08277370 offenbart Grundierungsmaterial für gängige Schiffsbauten. Um ein Grundierungsmaterial zu erhalten, welches aus einem organischen Harz, einem Metallpulver unedler als Eisen und einer elektrisch leitenden Polymerverbindung besteht und fähig ist, das Herabtropfen von Eisenrost von beschädigten Teilen des Beschichtungsfilms zu verhindern.
Dieses Beschichtungsmaterial ist zusammengesetzt aus (A) einem organischen Harz, (B) mindestens einem Metallpulver unter den Metallen, die unedler als Eisen sind (z.B. Aluminium (Al), Zink (Zn) etc., besonders bevorzugt Zn-Pulver) und (C) einer elektrisch leitenden Polymerverbindung (z.B. Polyacetylen, Polyparaphenylen, Polyanilin, Polypyrrol oder Polyazulen).
Die JP 59075943 offenbart die Herstellung einer elektrisch leitenden Polymerzusammensetzung. Diese Zusammensetzung besteht aus einem Polymer mit einer konjugierten Doppelbindungskette in der Hauptkette und einem elektrisch leitenden Material, unter Durchführung der Polymerisation in Anwesenheit eines elektrisch leitenden Materials.
Die vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes Beschichtungssystem wie in Anspruch 1 definiert vor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, welches die vorerwähnten Probleme und andere überwindet, während es bessere und vorteilhaftere Gesamtergebnisse liefert.
Offenbarung der Erfindung
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein verbessertes kathodisches korrosionsbeständiges Beschichtungssystem bereitgestellt, welches leicht in einer umweltfreundlichen, wirksamen, sicheren und kostengünstigen Weise auf ein Metallsubstrat aufgetragen werden kann.
Insbesondere verwendet das Beschichtungssystem mindestens ein inhärent leitendes Polymer in Kombination mit galvanisch anodischen Metallen, die in einer Harzmatrix dispergiert werden und auf ein Metallsubstrat aufgetragen werden, um eine kathodische Beschichtung zu bilden, die korrosionsbeständig ist.
Erfindungsgemäß wird eine Beschichtungszusammensetzung zur Verwendung beim Schutz von Metallsubstraten vor Korrosion bereitgestellt, die mindestens ein inhärent leitendes Polymer und zu dem Substrat anodische Metallpartikel, die in einer Harzbasis dispergiert sind, umfaßt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz eines Metallsubstrats vor Korrosion bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorbereitung einer Oberfläche des Substrates; Beschichtung der vorbereiteten Oberfläche mit einer Beschichtungszusammensetzung umfassend ein inhärent leitendes Polymer und zu dem Substrat anodische Metallpartikel, die in einer Harzbasis dispergiert sind; und Aushärten der Beschichtungszusammensetzung, um eine korrosionsbeständige Beschichtung zu bilden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt des Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungszusammensetzung bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfaßt: Dispergieren von mindestens einem inhärent leitenden Polymer und zu dem vorgesehenen Substrat anodischen Metallpartikeln in einem Harzbasismaterial.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann die Beschichtungszusammensetzung eine High Solid-Formulierung sein.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann die Beschichtungszusammensetzung eine UV-härtbare Formulierung sein.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann die Beschichtungszusammensetzung eine Pulverbeschichtungs-Formulierung sein.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß bei der beanspruchten Beschichtung die meisten herkömmlichen Auftragungsverfahren, einschließlich Eintauchen, Bürsten, Rollen, Spritzen, Fließbett, elektrostatisches Beschichten und thermisch gespritztes Pulver, verwendet werden können.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Reduktion oder Eliminierung der Emission flüchtiger organischer Verbindungen in die Atmosphäre.
Ein weiter Vorteil ist die Elimination der Spülvorgänge, die mit der Galvanisierung und den Beschichtungsverfahren, Oberflächenvorbereitung für die Oberflächenbeschichtung und der nachfolgenden Abwasserbehandlung verbunden sind.
Ein weiterer Vorteil ist die Reduktion des Pegels von Zink, Blei, Kadmium und anderen Schwermetallen in Wassersystemen und im Boden aufgrund der Verwitterung von galvanisierten und beschichteten Strukturen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Kosteneffektivität des Verfahrens. Die Beschichtung kann mit angemessenen Kosten produziert und mit bestehenden Aufbringungsverfahren aufgetragen werden. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die Nutzdauer verlängern und die mit der Korrosionswartung verbundenen Kosten reduzieren.
Noch andere Nutzen und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung für die Fachleute deutlich, zu deren Gebiet die Erfindung gehört.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und Anordnungen von Teilen Gestalt annehmen, von denen eine bevorzugte Ausführungsform in dieser Beschreibung detailliert beschrieben und in den begleitenden Figuren dargestellt wird, die ein Teil davon sind und worin:
1 zeigt ein Flussdiagramm für die Herstellung von drei Arten erfindungsgemäßer kathodischer Beschichtungen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kathodische Beschichtung für Eisen- oder Nicht-Eisen-Metallsubstrate. Im allgemeinen nutzt das Beschichtungssystem inhärent leitende Polymere und zu dem Metallsubstrat anodische Metallpartikel, dispergiert in einer Beschichtungsmatrix. Es wurde herausgefunden, daß das hierin offenbarte Beschichtungssystem durch Bildung einer anhaftenden, elektrochemisch aktiven und wirklich kathodischen schützenden Beschichtung einen unerwarteten und signifikant verbesserten Korrosionsschutz bereitstellt.
Das erfinderische Beschichtungssystem erzeugt wirksam einen Elektronenfluß durch die gründliche Dispersion eines oder mehrerer leitender Polymere und Metallpartikel, welche dielektrische Barrieren, die mit anderen organischen Systemen verbunden sind, eliminiert, und erzeugt so eine schützende galvanische Korrosionszelle.
Die vorliegende Erfindung ist auf Beschichtungssysteme gerichtet, die mindestens ein inhärent leitendes Polymer und zu dem Substrat anodische Metallpartikel, dispergiert in einer Harzbasis, verwenden. Die Beschichtungssysteme der vorliegenden Erfindung können als High Solid-Systeme, durch Strahlung härtbare Systeme und Pulverbeschichtungssysteme formuliert sein.
Zum Zweck der vorliegenden Erfindung bedeutet "High Solid" eine bei Umgebungstemperatur härtbare Beschichtung, die mit der Definition der Los Angeles County-Regel 66 übereinstimmt, d.h. 80 Volumenprozent oder mehr nicht flüchtiger Stoffe. "Durch Strahlung härtbar" umfaßt die Polymerisation und Kreuzvernetzung von funktionellen Monomeren und Oligomeren (gewöhnlich flüssig, können [aber auch] ein Pulver sein) in ein kreuzvernetztes Polymernetzwerk (gewöhnlich ein fester Film), induziert durch Photonen (UV-Aushärtung) oder Elektronen (EB Aushärtung). Das Aushärten kann entweder durch freie Radikale oder kationische Polymerisation erfolgen. Infrarot- und Betastrahlung können ebenfalls als Energiequellen für einige Strahlungs-Härtungsverfahren verwendet werden. "Pulverbeschichtung" umfaßt die Beschichtung von Gegenständen mit elektrostatisch gesprühten, thermisch gesprühten oder verflüssigtem Polymerpulver unter Einfluß von thermischer Energie, die bewirkt, daß das feine Pulver schmilzt oder um den Gegenstand kreuzvernetzt und bei Abkühlung eine kompakte Polymerschicht erzeugt. Die Verfahrensschritte und Ausrüstung zur Herstellung der Beschichtungen der vorliegenden Erfindung werden unten beschrieben.
Im allgemeinen ist das bevorzugte leitende Polymer für die Verwendung bei jedem dieser Systeme Polyanilin. Aluminium ist das bevorzugte anodische aus Partikeln bestehende Metall, erfindungsgemäß kann jedoch jedes anodische Metall verwendet werden, das eine ausreichende Potentialdifferenz zum Metallsubstrat erzeugt. Vorzugsweise wird eine Potentialdifferenz von mindestens 0,02 Volt geschaffen. Bei der bevorzugten Ausführungsform sollte die Beschichtung eine polarisierte Kathodenoberfläche von –0,85 Volt oder mehr elektronegativem Potential erzeugen, wenn eine Kupfer-Kupfersulfat Elektrode, nahe der Elektrolyt-/Struktur-Schnittstelle plaziert, zur Messung verwendet wird. Diese Messung ist eigentlich eine Messung des Spannungsabfalls an der Schnittstelle der Metallsubstratoberfläche und des Elektrolyts, wobei die Bezugszelle ein Kontaktpol und die Metalloberfläche der andere Pol ist.
Allgemeine Formulierungen für die erfindungsgemäßen Beschichtungssysteme werden wie folgt dargelegt:
A. Harzbasis:

1. High Solid-Beschichtungen a. Polyurethan b. Epoxidharz c. pH-neutrale oder saure Harze
2. durch UV-Strahlung härtbar a. Acrylate b. Polyurethan c. Epoxidharz d. Polyester
3. Pulverbeschichtung a. Epoxidharz b. Polyurethan c. Polyester d. Glycidylacrylat e. Hybride oder Harzmischungen, d.h. Polyester und Epoxidharz

B. inhärent leitende Polymere

1. Polyanilin
2. Polypyrrol
3. Polythiopen
4. Polyacetylen
5. Poly(p-phenylen)
6. Poly(p-phenylenvinylen)
7. Poly(p-phenylensulfid)
8. Polyanilin substituiert mit Alkyl-, Aryl-, Hydroxy-, Alkoxy-, Chlor-, Brom- oder Nitrogruppen

C. anodische Metallpartikel

1. Aluminium
2. Kadmium
3. Magnesium
4. Zink
5. Legierungen der obigen Metalle

D. Weichmacher

1. Sulfonamid
2. Phosphatesterarten

E. Härtungsmittel

1. Sulfonamid
2. Anhydridarten
3. Photoinitiatoren a) freie Radikalarten b) kationische Arten

F. andere Zusätze

1. oberflächenaktive Substanzen
2. Katalysatoren
3. Adhäsionspromoter
4. Lösungsmittel

In bezug auf 1 wird ein Flußdiagramm bereitgestellt, das jede Art von Beschichtungssystem beschreibt. Die folgenden Beispiele für jedes der Systeme zeigen, wie die vorliegende Erfindung angewandt werden kann, sollten aber nicht als die Erfindung einschränkend aufgefaßt werden. Das allgemeine Verfahren wird mit beispielhaften Materialien in Klammern beschrieben.
HIGH SOLID-SYTEM
Die Verfahrensschritte zur Herstellung und Anwendung eines exemplarischen High Solid-Systems werden in 1, Schritte 1.a. bis 1.g., gezeigt.
Das Verfahren zur Herstellung der Beschichtung ist in den Schritten 1.a. bis 1.c. skizziert. Jeder geeignete Mehrfach-Rührwerk-Mischer kann für die Misch-, Dispergier- und Mahlvorgänge verwendet werden.
Das leitende Polymer (Polyanilinpulver) ist zusammen mit einem Weichmacher (Sulfonamid) in einer (Polyurethan) Harzbasis in einer ausreichenden Menge dispergiert, um das gewünschte Potential zu erreichen. Die Dispersion wird für ungefähr 30 bis 45 Minuten bei einer Verfahrenstemperatur von ungefähr 70 ° (21,1 °C) bis 150 °F (65,5 °C) hoch scherend gemischt.
Jegliche übrig bleibenden Zusätze und Lösungsmittel (höchstens etwa 15 Gewichtsprozent) werden der Dispersion zugefügt und über einen zusätzlichen Zeitraum gemischt, während die Verfahrenstemperatur aufrechterhalten wird. Wenn ein zweiteiliges Beschichtungssystem gewünscht wird, sollte der Katalysator der Mischung erst unmittelbar vor Aufbringen der Beschichtung hinzugefügt werden.
Das Metall in Form von fein zerteilten Partikeln (Aluminiumpulver oder -flocken) wird der Mischung in einer ausreichenden Menge zugefügt, um das gewünschte Potential zu erreichen. Vorzugsweise werden reine niedrig oxidierende Aluminiumflocken oder Aluminiumpulver verwendet, die in einer inerten Umgebung zerstäubt und gequenscht werden. Das Aluminium kann ebenfalls mit Stearinsäure beschichtet werden, um die desoxidierte Oberfläche beizubehalten. Diese Mischung wird weiter unter Verwendung derselben Ausrüstung wie in den vorhergehenden Schritten dispergiert und gemahlen. Während die Verfahrenstemperatur unter 150 °F (65,5 °C) gehalten wird, wird für zusätzliche 45 Minuten oder bis die gewünschte Feinheit der Mahlung erreicht ist, gemahlen und dispergiert.
Schritt 1.d. ist ein Verpackungsschritt. Jeder geeignete Polypropylen- oder Plastikbehälter kann als Verpackung verwendet werden. Die High Solid-Beschichtungsmischung kann direkt vom Mischkessel in den Verpackungsbehälter entladen werden. Falls ein zweiteiliges System verwendet wird, würden Teil A und B, unter Verwendung von aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, getrennt verpackt.
Die Oberflächenvorbereitung des Substrates wird in Schritt 1.e. skizziert. Eine Stahlkabine oder ähnliche Mittel können für die mechanische Oberflächenvorbereitung verwendet werden. Alternativ können andere Verfahren der Oberflächenvorbereitung, einschließlich chemischer Mittel wie desoxidierender Bäder, verwendet werden. Das bevorzugte Verfahren umfaßt leichtes Sandstrahlen des Substrates mit Aluminiumoxidsand. Die vorbereitete Oberfläche sollte so schnell wie möglich beschichtet werden.
Schritt 1.f. skizziert die Aufbringung der Beschichtung auf das Substrat. Das High Solid-System ist für verschiedene Verfahren der Aufbringung geeignet, die im Stand der Technik gut bekannt sind und durchgeführt werden. Die Beschichtung sollte vor der Aufbringung durch Rühren oder Schütteln gründlich gemischt werden. Wenn eine zweiteilige Beschichtung verwendet wird, sollte der Katalysator ebenfalls zu diesem Zeitpunkt hinzugefügt werden. Die Beschichtung kann durch Eintauchen, Bürsten, Rollen oder Sprühen aufgebracht werden. Die Beschichtung sollte gleichmäßig auf alle zu beschichtenden Oberflächen bis zu einer feuchten Beschichtung aufgebracht werden, deren Dicke genügt, um eine feuchte Filmdicke von 2 bis 10 mil (50,8 bis 254 μm) zu erhalten.
Schritt 1.g. ist ein Aushärtungsschritt. Das Aushärten kann erreicht werden, indem der beschichtete Gegenstand 24 bis 72 Stunden bei Raumtemperatur stehengelassen wird, um eine Aushärtung zu erreichen. Dieses Verfahren kann durch Aushärtung in einem Wärmeofen bei 150 °F (65,5 °C) für 1 bis 4 Stunden, beschleunigt werden.
DURCH STRAHLUNG HÄRTBARES SYTEM
Die Verfahrensschritte für ein beispielhaftes durch Strahlung härtbares System werden in 1, Schritt 2.a. bis 2.g., gezeigt.
Das Verfahren zur Herstellung der Beschichtung ist in Schritt 1.a. bis 1.c. skizziert. Das leitende Polymer (Polyanilin) wird zusammen mit einem Weichmacher (Sulfonamid) in der Harzbasis (Polyurethan) dispergiert, in einer Menge, die ausreicht, um das gewünschte Potential zu erhalten. Die Dispersion wird erreicht durch Hinzufügen von Bestandteilen zu dem Mischer, Mischpumpe, Abreiber oder Mehrfach-Rührwerk-Mischer und hoch scherendes Mischen für ungefähr 15 bis 30 Minuten, unter Aufrechterhaltung einer Verfahrenstemperatur von 100 ° (37,8 °C) bis 140 °F (60 °C).
Alle verbleibenden Monomere, Oligomere, Zusatzstoffe und Photoinitiatoren werden zu der Polyanilindispersion hinzugefügt und für weitere 15 bis 30 Minuten unter Beibehaltung einer Verfahrenstemperatur unter 140 °F (60 °C) scherungsarm gemischt.
Die Metallpartikel (Aluminiumflocken oder Pulver) werden dann der Mischung in einer Menge hinzugefügt, die ausreicht, um das gewünschte Potential zu erreichen. Vorzugsweise werden reine, niedrig oxidierende Aluminiumflocken oder Aluminiumpulver verwendet, die in einer inerten Umgebung zerstäubt und gequenscht werden. Das Aluminium kann ebenfalls mit Stearinsäure beschichtet werden, um die desoxidierte Oberfläche zu bewahren. Die Mischung wird weiter, unter Verwendung derselben Ausrüstung wie bei den vorhergehenden Schritten, dispergiert und gemahlen. Es wird für weitere 30 bis 45 Minuten oder bis zum Erreichen der gewünschten Feinheit der Mahlung gemahlen und dispergiert.
Schritt 2.d. ist ein Verpackungsschritt. Da dieses Beschichtungssystem UV härtbar ist, muß der Verpackungsbehälter lichtundurchlässig sein. Jeder Plastik- oder Polypropylenbehälter, der das ultraviolette Licht blockiert, ist zum Verpacken dieses Materials geeignet.
Schritt 2.e. ist der Schritt der Oberflächenvorbereitung. Wie bei dem High Solid System, kann wieder jedes geeignete Mittel für die Vorbereitung der Beschichtung der Substratoberfläche verwendet werden.
Schritt 2.f. ist die Aufbringung der Beschichtung auf das vorbereitete Substrat. Die Beschichtung sollte vor dem Beschichten gründlich durch Rühren oder Schütteln gemischt werden. Die Beschichtung kann durch Mittel wie Eintauchen, Bürsten, Rollen, Sprühen oder andere, nach dem Stand der Technik bereits bekannte aufgebracht werden. Vorzugsweise wird die Beschichtung gleichmäßig auf alle Oberflächen mit einer feuchten Filmdicke von 2–8 mil (25,4 μm bis 203,2 μm) aufgebracht, die einer äquivalenten trockenen Filmdicke entspricht.
Schritt 2.g. ist ein Aushärtungsschritt. Die Beschichtung kann aushärten, indem sie ultraviolettem Licht, Betastrahlung, einem Elektronenstrahl oder in einigen Fällen infrarotem Licht ausgesetzt wird. Eine Quelle der UV-Strahlung, die geeignet ist, diese Beschichtungen auszuhärten, produziert UV-Licht im Wellenlängenbereich von 250 bis 500 Nanometer, bei einer Leistung von 300 Watt/Inch.
PULVERBESCHICHTUNGS-SYSTEM
In 1, Schritt 3.a. bis 3.i., werden die zur Herstellung einer erfindungsgemäßen kathodischen Pulverbeschichtung notwendigen Verfahrensschritte skizziert.
Schritt 3.a. ist ein Trockenmischverfahren, das in einer Mischpumpe ausgeführt werden kann. Das bevorzugte Mischverfahren verwendet eine vertikale Mischpumpe zur Trockenmischung von Pulvern. In diesem Schritt wird eine Vormischung aus der pulverisierten Harzbasis, dem leitenden Polymerpulver (Polyanilinpulver), dem Weichmacher (Sulfonamid), Härtungsmitteln, Zusatzstoffen und Metallpartikeln (Aluminiumflocken oder Pulver) hergestellt. Das leitende Polymer und die Metallpartikel sollten in einer Menge zugefügt werden, die mit dem erwünschten elektrischen Potential vereinbar ist. Dieser Schritt kann unter Verwendung von hoch scherenden Mischern oder scherungsarmen Mischern, wie Bandschneidern [ribbon cutters] oder Taumelmischern [tumble blenders], durchgeführt werden. Mischen für ungefähr eine Stunde oder bis es gründlich gemischt ist. Das Mischen erfolgt vorzugsweise bei Raumtemperaturen. Es ist wichtig, daß die Verfahrenstemperatur nicht die Aushärtungstemperatur für das ausgewählte Harzsystem überschreitet.
Schritt 3.b. ist ein Schmelzkompoundierung- und Extrudierverfahren, das vorzugsweise in einem Kolbenextruder ausgeführt wird. Schmelzkompoundierung stellt sicher, daß alle Zusatzstoffe, leitende Polymer und Metallpartikel gründlich in der geschmolzenen Harzbasis dispergiert werden. Einzelne Schnecken-Kolbenextruder sind zur Ausführung dieses Schrittes geeignet. Im Falle von wärmehärtenden Beschichtungen sollte die Temperatur zwischen 20 ° –50 °F (–6,7 °C –10 °C) über dem Schmelzpunkt des Harzes gehalten werden, aber unter 400 °F (204,4 °C), um einen Verfall des Polyanilins zu verhindern.
In Schritt 3.c. wird die Schmelze einem Kühlungs- und Abflachungsvorgang ausgesetzt. Das Extrudat wird gekühlt und zu einer Platte von ungefähr 0,005 Inch (0,127 cm) Dicke abgeflacht, indem es gekühlte Abquetschwalzen passiert und auf einem Luft- oder Wasserkühlband gekühlt wird.
Schritt 3.d. ist ein Grobmahlvorgang, der bevorzugt mit einer Zerkleinerungsmaschine am Ende eines Kühlbandes durchgeführt wird. Die gekühlte, verbundene Platte ist ziemlich bröckelig und wird leicht in Splitter von etwa 0,003–0,005 Inch (0,0762–0,127 cm) gebrochen.
Schritt 3.e. ist ein Feinmahlvorgang, der in einem kältetechnischen Mischungs- und Mahlgefäß durchgeführt wird. Das kältetechnische Mahlen dient drei Zielen. Es erlaubt die Verarbeitung von Duroplastpulvern mit niedrigen Aushärtungstemperaturen, es fördert das Brechen des Aluminiums, und es reduziert die Oxidation des Aluminiums in der Beschichtung. Die Splitter sollten gemahlen werden, bis die erwünschte Siebgröße erreicht wird. Die typische Maschengröße liegt zwischen +325 und –400.
Schritt 3.f. ist ein Verpackungsschritt. Jede geeignete Plastiktasche oder jeder geeignete Polypropylenbehälter, die bzw. der das Pulver gegen Feuchtigkeit abdichtet, ist akzeptabel. Die fein gemahlene Pulverbeschichtung kann direkt vom Mahlgefäß in den Verpackungsbehälter entladen werden.
Schritt 3.g. ist das Verfahren der Oberflächenvorbereitung des Substrates. Mechanische Mittel wie eine Strahlkammer können verwendet werden. Zusätzlich können alle geeigneten Mittel für die Oberflächenvorbereitung verwendet werden.
Schritt 3.h. ist der Aufbringungsschritt der Beschichtung. Die erfindungsgemäße Pulverbeschichtung kann unter Verwendung eines elektrostatischen Sprühsystems oder anderer Aufbringungsmittel aus dem Stand der Technik aufgebracht werden. Wenn die Pulverbeschichtung durch thermisches Sprühen aufgetragen wird, wird das Substrat normalerweise auf eine Temperatur leicht über dem Schmelzpunkt des Pulvers vorgeheizt.
Schritt 3.i. ist der Aushärtungsschritt. Kathodische Duroplast-Pulverbeschichtungssysteme härten normalerweise in Wärmeöfen aus. Aushärtungstemperaturen von unter 400 °F (204,4 °C) sollten angewendet werden, um einen Verfall des Polyanilins in dem Pulver zu verhindern. Das Aushärten ist normalerweise in 10 bis 30 Minuten vollendet. Kathodische thermoplastische Pulverbeschichtungssysteme, die thermisch versprüht wer- den, können unter Ausnutzung der Restwärme aushärten, die durch das thermische Sprühen und das vorgeheizte Substrat erzeugt wird.
Typische Formulierungen für die erfindungsgemäßen Beschichtungssysteme werden unten gezeigt. Die folgenden Beispiele sollen nur verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zeigen und sollen nicht den Umfang der Erfindung begrenzen. Alle aufgelisteten Volumenprozente werden als Annäherung angesehen.
BEISPIEL I - High Solid System (zwei Teile)
Gleiche Volumenanteile von Teil A und B werden unmittelbar vor der Aufbringung auf dem Substrat gemischt.
BEISPIEL II - High Solid System (ein Teil)
BEISPIEL III - durch UV-Strahlung härtbares System
BEISPIEL IV - Pulverbeschichtungssystem
Das ausgehärtete Harz oder Bindemittel hält das Aluminium oder ein anderes anodisches Metall fest in Position, um die Beschichtung, die in elektrischem Kontakt mit der Oberfläche des Substrates anhaftet, zu bilden. Das Polyanilin, oder ein anderes inhärent leitendes Polymer, das in der Harzbasis dispergiert ist, erzeugt einen leitenden Binder, der den galvanischen Prozeß zwischen der Opfermetallanoden in der Beschichtung und der Kathodenoberfläche fördert.
Der leitende Binder fungiert eher als ein Leiter als als Dielektrikum, wie dies bei anderen organischen Opferbeschichtungen der Fall ist und erlaubt so Elektronen, frei zwischen den anodischen Partikeln und dem kathodischen Substrat zu fließen.
Die beanspruchten Verbesserungen bei der Korrosionsbeständigkeit beim Gebrauch der Beschichtungssysteme gemäß der Erfindung werden durch einen deutlich verbesserten Schutz des Substrates bestätigt, wenn sie dem Salz-Sprüh-Test unterzogen werden. Beschichtete Platten werden absichtlich angeritzt und in Übereinstimmung mit dem in ASTM B 117–95 skizzierten Verfahren getestet. Die Platten zeigten lediglich leichte Oberflächenoxidation an den beschädigten Bereichen nach 800+ Stunden in einer Salzsprühkammer.
Der zum Testen der Korrosionsbeständigkeit dieses kathodischen Beschichtungssystems verwendete ASTM B 117-Salz-Sprüh-Test umfaßt eine Salz-Nebel-Kammer. Die Kammer umfaßt eine Nebelkammer, ein Salzlösungsreservoir, eine klimatisierte Druckluftleitung, eine Nebeldüse, Proben-Trägergestelle, eine Heizung und einen Regler. Die Proben werden von Gestellen in einer Stellung zwischen 15 und 30° von der Vertikalen parallel zu der Hauptrichtung des horizontalen Nebelflusses durch die Kammer getragen.
In Erfüllung der Anforderungen des ASTM 1193–91, Typ III, wird die Salzlösung mit 5 +/– 1 Gewichtsprozent Salz mit Wasser gemischt. Der pH des kondensierten Nebels wird zwischen 6,5 und 7,2 gehalten. Die Temperatur in der Kammer wird bei 95 °F, +2° oder –3° (35 °C, +(–16,7 °C) oder –(–19,4 °C)) gehalten. Die relative Feuchtigkeit wird in der Kammer bei 95 % bis 98 % gehalten.
Die Test-Proben bestehen aus normierten 3 × 5 Inch (7,62 × 12,7 cm) Q-Platten, hergestellt aus kalt gewalztem 1010 Stahl. Die Platten werden unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens beschichtet. Das Substrat wird dann absichtlich bis zum Grundmetall in einem "X"-Muster angeritzt. Das teilweise ungeschützte Grundmetall erlaubt die Untersuchung der kathodischen Eigenschaften der Beschichtung im Vergleich mit seinem Verhalten als reine elektrolytische Barriere.
Die Testergebnisse zeigen, daß die Verwendung dieses Beschichtungsverfahrens die Lebensdauer von Metallen verlängert.
Die Erfindung wurde in bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Naheliegenderweise werden anderen Modifikationen und Änderungen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung einfallen. Es ist beabsichtigt, daß all diese Modifikationen und Änderungen enthalten sind, soweit diese unter den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Nachdem so die Erfindung beschrieben wurde, wird nun folgendes beansprucht:

Claims

Beschichtungszusammensetzung geeignet für die Anwendung auf einem zugehörigen Metallsubstrat, wobei die Beschichtungszusammensetzung umfaßt: eine Harzbasis; ein inhärent leitendes Polymer; fein zerteilte Metallpartikel, die anodisch zu dem zugehörigen Metallsubstrat sind, wobei die Metallpartikel aus mindestens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus Aluminium, Cadmium, Magnesium, Zink, Aluminiumlegierungen, Cadmiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und Zinklegierungen bestehen; und ein Härtungsmittel; wobei das mindestens eine inhärent leitende Polymer zwischen 1 bis 20 Volumenprozent der Beschichtungszusammensetzung umfaßt und die Metallpartikel zwischen 5 und 20 Volumenprozent der Beschichtungszusammensetzung umfassen.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das inhärent leitende Polymer aus mindestens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus Polyanilin, Polypyrrol, Polythiopen, Polyacetylen, Poly-(p-phenylen), Poly(p-phenylenvinylen), Poly-(p-phenylensulfid) und Polyanilin substituiert mit Alkyl-, Aryl-, Hydroxy-, Alkoxy-, Chlor-, Brom- oder Nitrogruppen besteht.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Metall aus mindestens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus Aluminium, Cadmium, Magnesium, Zink, Aluminiumlegierungen, Cadmiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und Zinklegierungen besteht.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Harzbasis aus mindestens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus Polyurethanen, Epoxidharzen, neutralen Harzen, sauren Harzen, Acrylaten, Polyestern und Glycidylacrylaten besteht.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Härtungsmittel aus mindestens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus Sulfonsäureamid, Anhydriden [anhydride types], freien Radikalphotoinitiatoren und kationischen Photoinitiatoren besteht.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 2, wobei das mindestens eine inhärent leitende Polymer zwischen 1 und 20 Volumenprozent der Beschichtungszusammensetzung umfaßt.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 3, wobei das Metall zwischen 5 und 20 Volumenprozent der Beschichtungszusammensetzung umfaßt.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Metall eine ausreichende Volt-Potentialdifferenz zum Metallsubstrat aufweist, um eine kathodische Beschichtung zu bilden.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtungszusammensetzung eine High Solids-Formulierung umfaßt.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 5, wobei das Härtungsmittel ein Photoinitiator ist und wobei die Beschichtungszusammensetzung eine durch UV-Strahlung härtbare Formulierung umfaßt.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtungszusammensetzung eine Pulverbeschichtungs-Formulierung umfaßt.
Verfahren zum Schutz eines Metallsubstrats vor Korrosion, die Schritte enthaltend: Herstellung einer Beschichtungszusammensetzung mit einer Harzbasis, einem inhärent leitendem Polymer, wobei das inhärent leitende Polymer aus mindestens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus Polyanilin, Polypyrrol, Polythiopen, Polyacetylen, Poly-(p-phenylen), Poly-(p-phenylenvinylen), Poly-(p-phenylensulfid) und Polyanilin substituiert mit Alkyl-, Aryl-, Hydroxy-, Alkoxy-, Chlor-, Brom- oder Nitrogruppen besteht, sowie mit fein zerteilten Metallpartikeln anodisch zu dem Metallsubstrat, wobei die Metallpartikel aus mindestens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus Aluminium, Cadmium, Magnesium, Zink, Aluminiumlegierungen, Cadmiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und Zinklegierungen bestehen, und mit einem Härtungsmittel, wobei das mindestens eine inhärent leitende Polymer zwischen 1 und 20 Volumenprozent der Beschichtungszusammensetzung umfaßt und die metallischen Partikel zwischen 5 und 20 Volumenprozent der Beschichtungszusammensetzung umfassen; Vorbehandeln einer Oberfläche des Metallsubstrats für die Adhäsion an der Beschichtungszusammensetzung; Beschichten der vorbehandelten Oberfläche mit der Beschichtungszusammensetzung; und Aushärten der Beschichtungszusammensetzung, um eine korrosionsbeständige Beschichtung auf der vorbehandelten Oberfläche zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt der Herstellung der Beschichtungszusammensetzung die Schritte umfaßt: Hinzufügen des inhärent leitenden Polymers zu der Harzbasis; Mischen des leitenden Polymers und der Harzbasis bei einer Verfahrenstemperatur von ungefähr 70 °F (21,1 °C) bis 150 °F (65,6 °C) für einen Zeitraum, der ausreichend ist, um das inhärent leitende Polymer sorgfältig zu dispergieren; Hinzufügen der Metallpartikel zu der Harzbasis nach dem Schritt des Mischens des leitenden Polymers und der Harzbasis; Mischen der Metallpartikel und der Harzbasis für einen Zeitraum, der ausreichend ist, um die Metallpartikel sorgfältig zu dispergieren; und Hinzufügen des Härtungsmittels zu der Harzbasis unmittelbar vor dem Beschichten der vorbehandelten Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Aushärtens der Beschichtungszusammensetzung beinhaltet: Stehen lassen des beschichteten Substrats bei Raumtemperatur zwischen 24 und 72 Stunden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Aushärtens der Beschichtungszusammensetzung beinhaltet: Plazieren des beschichteten Substrats in einen Wärmeofen bei 150 °F (65,6 °C) zwischen 1 und 4 Stunden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Härtungsmittel ein Photoinitiator ist und wobei der Schritt der Aushärtung der Beschichtungszusammensetzung beinhaltet: das beschichtete Substrat einer Strahlenquelle auszusetzen.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Aushärtens der Beschichtungszusammensetzung beinhaltet: Plazieren des beschichteten Substrats in einen Wärmeofen bei einer Temperatur unter 400 °F (204,4 °C) zwischen 10 und 30 Minuten.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Harzbasis und das inhärent leitende Polymer in Pulverform vorliegen und wobei der Schritt der Herstellung der Beschichtungszusammensetzung die Schritte enthält: Herstellung einer Vormischung durch Trockenmischung der pulverförmigen Harzbasis, des leitenden Polymers, des Härtungsmittels und der Metallpartikel, bis sie sorgfältig vermischt sind; Schmelzmischen der Vormischung bei einer Verfahrenstemperatur über einem Schmelzpunkt der Harzbasis und unterhalb von 400 °F (204,4 °C) für einen Zeitraum, der ausreichend ist, um das leitende Polymer und die Metallpartikel in der geschmolzenen Harzbasis sorgfältig zu dispergieren; Kühlung und Glätten der Schmelze, um eine Verbundschicht [compounded sheet] zu erhalten; primäre Zerkleinerung der Verbundschicht, um Splitter herzustellen; und Feinzerkleinerung der Splitter in einem kryogenen Mischbehälter bis zu einer gewünschten Partikelgröße.
Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungszusammensetzung zum Schutz eines Metallsubstrats vor Korrosion, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: Hinzufügen eines inhärent leitenden Polymers zu einer Harzbasis, wobei das inhärent leitende Polymer zwischen 1 und 20 Volumenprozent der Beschichtungszusammensetzung umfaßt; Mischen des inhärent leitenden Polymers und der Harzbasis bei einer Verfahrenstemperatur von ungefähr 70 °F (21,1 °C) bis 150 °F (65,6 °C) für einen Zeitraum, der ausreichend ist, um das inhärent leitende Polymer sorgfältig zu dispergieren; Hinzufügen fein zerteilter Metallpartikel, die anodisch zu dem Metallsubstrat sind, zu der Harzbasis, wobei die Metallpartikel aus mindestens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus Aluminium, Cadmium, Mag nesium, Zink, Aluminiumlegierungen, Cadmiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und Zinklegierungen bestehen und wobei die Metallpartikel zwischen 5 und 20 Volumenprozent der Beschichtungszusammensetzung umfassen; Mischen der Metallpartikel und der Harzbasis für einen Zeitraum, der ausreichend ist, um die Metallpartikel sorgfältig zu dispergieren; und Hinzufügen eines Härtungsmittels zu der Harzbasis.
Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungszusammensetzung zum Schutz eines Metallsubstrats, die Schritte umfassend: Herstellung einer Vormischung durch Trockenmischen einer pulverisierten Harzbasis, eines inhärent leitenden Polymers, eines Härtungsmittels und fein zerteilter Metallpartikel, die anodisch zu dem Metallsubstrat sind, bis alles sorgfältig vermischt ist, wobei die Metallpartikel aus mindestens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus Aluminium, Cadmium, Magnesium, Zink, Aluminiumlegierungen, Cadmiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und Zinklegierungen bestehen und wobei das inhärent leitende Polymer zwischen 1 und 20 Volumenprozent der Beschichtungszusammensetzung umfaßt und die Metallpartikel zwischen 5 % und 20 % der Beschichtungszusammensetzung umfassen; Schmelzmischen der Vormischung bei einer Verfahrenstemperatur über einem Schmelzpunkt der Harzbasis und unterhalb von 400 °F (204,4 °C) für einen Zeitraum, der ausreichend ist, um das leitende Polymer und die Metallpartikel in der geschmolzenen Harzbasis sorgfältig zu dispergieren; Kühlen und Glätten der Schmelze, um eine Verbundschicht zu erhalten; primäre Zerkleinerung der Verbundschicht, um Splitter herzustellen, und Feinzerkleinern der Splitter in einem kryogenen Mischbehälter bis zu einer gewünschten Partikelgröße.