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Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von Stoffen auf Metalloberflächen
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Vorbehandlungsverfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von Stoffen, wie z. B. Lacken, Druckfarben, Klebernoder zur Beschichtung oder Kaschierung dienenden hochmolekularen Stoffen auf Metalloberflächen, die vor der erfindungsgemässen Behandlung durch bekannte chemische oder physikalische Methoden von anhaftenden Verunreinigungen gesäubert wurden.
Eine solche Oberfläche bietet z. B. durch den sogenannten Glühprozess entfettete Bleche, Bänder oder Folien aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen.
Bisher wurden vielfach zur Erhöhung der Hafteigenschaften chemische Haftvermittler (Primer) benutzt, deren Anwendung indessen nicht nur einen erheblichen Aufwand verursachte, sondern in derRegel auch einen zusätzlichen Arbeitsgang zur Folge hatte. Ausserdem bietet die Aufbringung von Haftvermittlern vielfach zu wenig Sicherheit in jenen Fällen, in denen an die geforderte Haftfestigkeit hohe Ansprüche, z. B. durch gesteigerte technische, mechanische oder chemische Beeinflussungen, gestellt werden. Ausserdem erleidet die Wirksamkeit chemischer Haftvermittler oft erhebliche Einbussen, wenn z. B. bei durch Glühen entfetteten Metalloberflächen die Entfettung nicht vollständig ist oder sich sonstige Verunreinigungen auf der Metalloberfläche befinden.
Erfindungsgemäss werden diese und andere Mängel bei dem eingangs geschilderten Verfahren dadurch vermieden, dass die in bekannter Weise gereinigte, insbesondere durch Glühen entfettete Metalloberfläche einer Behandlung in einem hochfrequenten, hochgespannten Wechselfeld mit einer Spannung von mehr als 50 000 V, vorzugsweise zwischen 400 000 und 600 000 V, und einer Frequenz von mindestens 25 kHz unterworfen und dabei das Metall als Gegenpol zu der oder den Behandlungselektroden geschaltet wird.
Versuche haben ergeben, dass auf diese Weise eine hervorragende Haftfestigkeit zwischen den oben genannten Stoffen und den Metalloberflächen erzielbar ist, die sich in vieler Hinsicht vorteilhaft auswirkt ; z. B. lassen sich auf Grund des erheblich gesteigerten Haftvermögens der Aluminiumoberfläche beim Beschichten von Aluminiumfolien mit Polyolefinen an Extrusionsmaschinen haftfesteverbindungen zwischen speziellen, normalerweise schlecht an Aluminium haftenden Polyolefintypen und der Aluminiumoberfläche ermöglichen bzw. wesentlich höhere Arbeitsgeschwindigkeiten als bisher erzielen.
Ausserdem wird erfindungsgemäss der weitere Vorteil erreicht, dass z. B. bei HochdruckpolyäthylenExtrusionsbeschichtungen mit wesentlich niedrigeren Temperaturen in der Breitschlitzdüse gearbeitet werden kann. Bei Versuchen liess sich z. B. die Extrusionstemperatur bestimmter Polyäthylentypen um 20 - 300C unter die normalerweise erforderliche Temperatur senken, ohne dass die Haftfestigkeit auf der Metalloberfläche unter die erforderlichen Werte sank. Durch die geringere Hitzebelastung bleibt die Polyäthylenschicht wesentlich geruchfreier, was besonders im Hinblick auf die Verwendungsmöglichkeit
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der auf diese Art beschichteten Aluminiumfolie als Packstoff in der Lebensmittelindustrie von grösster Bedeutung ist.
Wesentlich kann es auch sein, dass die bisher bestehende Notwendigkeit der Benutzung von Haftvermittler zwecks Steigerung der Haftfestigkeit erfindungsgemäss entfallen kann. Entschliesst man sich
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thoden, wie Eloxieren u. dgl., so bringt das erfindungsgemässe Verfahren den Vorteil, dass diese her- kömmlichen Verfahren in ihrer haftvermittelnden Wirkung verbessert werden ; d. h. durch Kombination beider Verfahren lässt sich eine bisher nicht erreichbare hohe Haftung erzielen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist ausser auf Aluminium auch auf Oberflächen, insbesondere Fo- lien und Bänder aus Stahl, verzinntem und verzinktem Stahl, Kupfer, Blei und verzinktem Blei als auch Zinn anwendbar.
Solche Folien wurden versuchsweise vorbehandelt und an einer Extrusionsmaschine mit zirka 50g/m2
Hochdruckpolyäthylen beschichtet. Durch die Vornahme der elektrischen Vorbehandlung kam man in allen Fällen zu Haftwerten, die denen bei Beschichtung ohne elektrische Vorbehandlung weit überlegen waren. Die Vorbehandlung fand in allen Fällen in einem Abstand von zirka einem Meter vor der Extruderdüse statt. Die Polyäthylentemperatur der Breitschlitzdüse betrug zirka 2800C. Die Spannung betrug 600 000 V und die Frequenz 50 kHz. Die Spaltöffnung zwischen der zu behandelnden Oberfläche und der Behandlungselektrode betrug immer zirka 2 mm.
Blei und Zinn wurden mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von 20 m/min, die andern angeführten Metalle bei einer Geschwindigkeit von 60 m/min beschichtet.
Bei den Metallqualitäten handelte es sich um handelsübliche Qualitäten und es konnte festgestellt werden, dass der Reinheitsgrad bzw. die Analyse des Materials fast ohne Einfluss auf den Wirkungsgrad der elektrischen Haftvorbehandlung ist. Die Breiten der Metallbahnen lagen zwischen 30 und 80 cm.
Für die praktische Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung hat es sich als zweckmässig erwiesen, das hochgespannte Wechselfeld über eine in der Ausführungsform bekannte feststehende Elektrode auf die Oberfläche des als Gegenpol geschalteten Metalles zur Einwirkung zu bringen. Die Elektroden werden vorzugsweise mit speziellen Isoliermaterialien an der Behandlungsseite versehen.
Die Elektroden können feststehend oder als umlaufende Walzen ausgebildet sein. Die vorstehend erwähnte Ausbildung der Elektrode als Walze hat den Vorteil, dass eine linienförmige Entladung über die ganze Materialbreite erzeugt werden kann, wobei der Ort der Entladung auf der Walze bei deren Rotation dauernd verändert wird. Hiedurch ist die Gefahr ausgeschlossen, dass die Behandlungswalze unzweckmässig erwärmt oder örtlich überhitzt wird. Ausserdem besteht die Möglichkeit, die Walze notfalls zu kühlen. Zweckmässigerweise erfolgt die Anbringung der Walze in gut isolierenden Lagern, um Spannungsverluste zu vermeiden.
Die zwischen der Elektrode und der Metallbahn einzuhaltende Spaltbreite hängt weniger von der Leitfähigkeit des Dielektrikums im Spalt als von der Höhe der angelegten Spannung ab. Als Dielektrikum im Spalt wirkt im wesentlichen Luft, deren Sauerstoffanteil wie bekannt unter dem Einfluss der einwirkenden elektrischen Energie zurOzonbildung angeregt wird. Die Spaltbreite beträgt in der Regel 0, 5 bis 3 mm. Da der erreichbare Hafteffekt von der Art des Metalles bzw. der Legierungszusammensetzung abhängig ist, ist es in manchen Fällen zweckmässig, die erfindungsgemässe Behandlung wiederholt vorzunehmen ; z. B. in der Weise, dass mehrere Elektroden hintereinander angeordnet werden.
In gleicher Weise kann durch mehrere hintereinander angeordnete Elektroden die Durchlaufgeschwindigkeit wesentlich erhöht werden. Ausserdem kann man das Blech oder die Folienbahn auch so führen bzw. die Behandlungselektroden so anordnen, dass in einem Durchlauf beide Manteloberflächen durch je eine oder mehrere Elektroden behandelt werden, wodurch die Hafteigenschaften beidseitig verbessert werden. Die erfindungsgemässe Behandlung wird vorteilhaft an langen Metallbahnen (Rollen) bzw. Halbzeugen in Fertigungslängen vorgenommen, weil sich auf diese Art eine möglichst kontinuierliche Arbeitsweise durchführen lässt. Bei Formatblechen z.
B. erfolgt sie entweder intermittierend oder der Vorschub
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mässigerweise werden die in der unmittelbaren Nähe der Behandlungselektrode ober-und unterhalb der Formatbleche zum Zwecke der präzisen Bahnführung notwendigen Führungswalzen aus nichtleitenden Materialien wie Gummi od. ähnl. gewählt, um Überschläge neben der zu behandelnden Metallbahn zu vermeiden. Wird die angelegte Spannung hoch genug gewählt, so lässt sich ohne merkliche Beeinflussung des späteren Hafteffektes oder anderer Nachteile die Breite der zu behandelnden Bleche beliebig variieren.
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Das Verfahren lässt sich, wie bereits erwähnt, auch bei Halbzeugen, insbesondere bei Rohren, an- wenden. Hier ist die Form der Elektrode genau der zu behandelnden Metalloberfläche anzupassen. Man kann das Verfahren gemäss der Erfindung auch so ausführen, dass die Behandlung unmittelbar vor dem
Lackieren, Bedrucken, Kaschieren und Beschichten vorgenommen wird. Es ist jedoch auch möglich, die
Einwirkung des Wechselfeldes getrennt von der Weiterverarbeitung durchzuführen und die Weiterverar- beitung in Form des vorgenannten Lackierens, Bedruckens, Kaschierens und Beschichtens erst zu einem späteren Zeitpunkt folgen zu lassen.
Die Erfindung wird an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert : Beispiel l : Wird eine weichgeglühte Aluminiumfolie von 0, 015 mm Dicke und 1000 mm Brei- te ohne vorhergehende chemische oder anders geartete Oberflächenbehandlung auf einer Extrusionsma- schine mit Hochdruckpolyäthylen beschichtet, so erweist sich ab einer Arbeitsgeschwindigkeit von
30 m/min aufwärts die Haftung zwischen Aluminiumoberfläche und Polyäthylen bei einer Polyäthylen- temperatur in der Breitschlitzdüse von zirka 280 C bereits als unzureichend.
Bei Vornahme der erfin- dungsgemässen elektrischen Vorbehandlung von 600 000 V, 50 kHz im Abstand von zirka 1 m vor der Extruderdüse, erwies sich die Haftung jedoch als so gut, dass man die Hochdruckpolyäthylenschicht von
0,050 mm Dicke, selbst bei einer Arbeitsgeschwindigkeit von 60 m/min und mehr aufgebracht, nicht mehr von der Aluminiumfolie lösen konnte, ohne den Polyäthylenfilm zu zerreissen. Der Abstand zwi- schen Walzenelektrode und Aluminiumoberfläche betrug dabei 1,2 mm.
Beispiel 2 : In einem weiteren Versuch wurde ein weichgeglühtes Aluminiumband von 0, 050 mm
Dicke und 800 mm Breite ohne vorhergehende chemische oder anders geartete Oberflächenbehandlung bei einer Arbeitsgeschwindigkeit von 25 m/min dem erfindungsgemässen elektrischen Behandlungsverfahren unterworfen. Die elektrischen Bedingungen entsprachen den im Beispiel 1 angegebenen. Die Rolle wurde nach fünfzehntägiger Lagerung auf einer Extrusionsmaschine mit Hochdruckpolyäthylen be- schichtet. Polyäthylentemperatur in der Breitschlitzdüse : 2800C ; Polyäthylenschichtdicke : 70 g/m'. Die mit Hilfe dieser Arbeitsweise erreichte Haftung konnte auch hier gegenüber dem bekannten Stand der
Technik erheblich verbessert werden.
Beispiel S: Ein zwischenhartes Aluminiumband von 0, 2 mm Dicke und 600 mm Breite wurde ohne herkömmliche Oberflächenvorbehandlung auf einer Einbrennlackiermaschine mit einem für solche Zwecke üblichen Lack versehen (Walzenauftrag) ; Arbeitsgeschwindigkeit : 5 m/min ; Einbrenntem- peratur : 2300C ; Lackfilmdicke 5 g/m 2. Bei herkömmlicher Arbeitsweise war die Lackhaftung für höch- ste Ansprüche nicht ausreichend.
Nach der erfindungsgemässen elektrischen Oberflächenbehandlung bei den im Beispiel 1 geschilderten Betriebsbedingungen und elektrischen Daten - jedoch bei einem Abstand der Behandlungselektrode von 1, 5 m vom Lackierwerk - erwies sich die Haftung der Lackschicht auf der Aluminiumoberfläche als so gut, dass selbst schwierige Verformungen durch Tiefziehen ausgeführt wer- den konnten, ohne dass die Haftung der Lackschicht auf dem Aluminium überbeansprucht wurde.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von Stoffen, wie z. B. Lacken, Druckfarben, Klebern oder zur Beschichtung oder Kaschierung dienenden hochmolekularen Stoffen auf Metalloberflächen, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass die in bekannter Weise gereinigte, insbesondere durch Glühen entfettete Metalloberfläche einer Behandlung in einem hochfrequenten, hochgespannten Wechselfeld mit einer Spannung von mehr als 50000 V, vorzugsweise zwischen 400 000 und 600000 V, und einer Frequenz von mindestens 25 kHz unterworfen und dabei das Metall als Gegenpol zu der oder den Behandlungselektroden geschaltet wird.
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Process for improving the adhesive strength of substances on metal surfaces
The invention relates to an electrical pretreatment process for improving the adhesive strength of materials, such as. B. varnishes, printing inks, adhesives or high molecular weight substances used for coating or lamination on metal surfaces which have been cleaned of adhering impurities by known chemical or physical methods prior to the treatment according to the invention.
Such a surface offers z. B. by the so-called annealing process degreased sheets, strips or foils made of aluminum or aluminum alloys.
So far, chemical adhesion promoters (primers) have often been used to increase the adhesion properties, but their application not only caused considerable effort, but usually also resulted in an additional operation. In addition, the application of adhesion promoters often offers insufficient security in those cases in which high demands are made on the required adhesive strength, e.g. B. by increased technical, mechanical or chemical influences. In addition, the effectiveness of chemical adhesion promoters often suffers considerable losses when z. B. with metal surfaces degreased by annealing, the degreasing is not complete or there are other impurities on the metal surface.
According to the invention, these and other deficiencies in the method described above are avoided by treating the metal surface, cleaned in a known manner, in particular degreased by annealing, in a high-frequency, high-voltage alternating field with a voltage of more than 50,000 V, preferably between 400,000 and 600 000 V, and a frequency of at least 25 kHz and the metal is switched as the opposite pole to the treatment electrode or electrodes.
Tests have shown that in this way an excellent adhesive strength between the above-mentioned substances and the metal surfaces can be achieved, which is advantageous in many respects; z. B. due to the significantly increased adhesion of the aluminum surface when coating aluminum foils with polyolefins on extrusion machines, adhesive connections between special types of polyolefins that normally adhere poorly to aluminum and the aluminum surface can be made possible or significantly higher operating speeds than before.
In addition, according to the invention, the further advantage is achieved that, for. B. with high-pressure polyethylene extrusion coatings with much lower temperatures in the slot die. In experiments, z. B. lower the extrusion temperature of certain types of polyethylene by 20-300C below the normally required temperature without the adhesive strength on the metal surface falling below the required values. Due to the lower heat load, the polyethylene layer remains significantly more odor-free, which is particularly important with regard to the possibility of use
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The aluminum foil coated in this way is of great importance as a packaging material in the food industry.
It can also be essential that the previous need to use adhesion promoters for the purpose of increasing the adhesive strength can be dispensed with according to the invention. You make up your mind
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methods such as anodizing, etc. The method according to the invention has the advantage that the adhesion-promoting effect of these conventional methods is improved; d. H. By combining the two processes, a high level of adhesion that was previously unattainable can be achieved.
In addition to aluminum, the method according to the invention can also be used on surfaces, in particular foils and strips made of steel, tin-plated and galvanized steel, copper, lead and galvanized lead and also tin.
Such films were pretreated on a trial basis and on an extrusion machine with around 50g / m2
High pressure polyethylene coated. Carrying out the electrical pretreatment resulted in adhesion values in all cases that were far superior to those of coating without electrical pretreatment. In all cases, the pretreatment took place at a distance of about one meter in front of the extruder nozzle. The polyethylene temperature of the slot die was about 2800C. The voltage was 600,000 V and the frequency was 50 kHz. The gap opening between the surface to be treated and the treatment electrode was always about 2 mm.
Lead and tin were coated at an operating speed of 20 m / min, the other metals mentioned at a speed of 60 m / min.
The metal grades were commercial grades and it was found that the degree of purity or the analysis of the material has almost no effect on the efficiency of the electrical adhesion pretreatment. The widths of the metal sheets were between 30 and 80 cm.
For the practical execution of the method according to the invention it has proven to be expedient to bring the high-tension alternating field to act on the surface of the metal connected as the opposite pole via a stationary electrode known in the embodiment. The electrodes are preferably provided with special insulating materials on the treatment side.
The electrodes can be fixed or designed as rotating rollers. The above-mentioned design of the electrode as a roller has the advantage that a linear discharge can be generated over the entire width of the material, the location of the discharge on the roller being constantly changed as it rotates. This eliminates the risk of the treatment roller being improperly heated or locally overheated. It is also possible to cool the roller if necessary. The roller is expediently mounted in well-insulating bearings in order to avoid voltage losses.
The gap width to be maintained between the electrode and the metal track depends less on the conductivity of the dielectric in the gap than on the level of the applied voltage. The dielectric in the gap is essentially air, the oxygen content of which, as is known, is stimulated to form ozone under the influence of the electrical energy. The gap width is usually 0.5 to 3 mm. Since the adhesive effect that can be achieved depends on the type of metal or the alloy composition, it is advisable in some cases to repeat the treatment according to the invention; z. B. in such a way that several electrodes are arranged one behind the other.
In the same way, the throughput speed can be increased significantly by several electrodes arranged one behind the other. In addition, the sheet metal or the film web can also be guided or the treatment electrodes can be arranged in such a way that both jacket surfaces are treated by one or more electrodes in one pass, which improves the adhesive properties on both sides. The treatment according to the invention is advantageously carried out on long metal webs (rolls) or semi-finished products in production lengths, because in this way the most continuous possible operation can be carried out. For format sheets z.
B. it takes place either intermittently or the feed
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The guide rollers required in the immediate vicinity of the treatment electrode above and below the format sheets for the purpose of precise web guidance are made of non-conductive materials such as rubber or similar. chosen to avoid flashovers next to the metal track to be treated. If the applied voltage is chosen to be high enough, the width of the sheets to be treated can be varied as desired without noticeably influencing the subsequent adhesive effect or other disadvantages.
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As already mentioned, the method can also be used for semi-finished products, in particular for pipes. Here, the shape of the electrode must be precisely adapted to the metal surface to be treated. You can carry out the method according to the invention so that the treatment immediately before
Painting, printing, lamination and coating is carried out. However, it is also possible to use the
To carry out the action of the alternating field separately from the further processing and to have the further processing in the form of the aforementioned painting, printing, lamination and coating only follow at a later point in time.
The invention is explained in more detail using a few exemplary embodiments: Example 1: If a soft-annealed aluminum foil 0.015 mm thick and 1000 mm wide is coated with high-pressure polyethylene on an extrusion machine without prior chemical or other surface treatment, then it turns out to be from a working speed from
30 m / min upwards, the adhesion between the aluminum surface and the polyethylene at a polyethylene temperature in the slot die of around 280 C is already inadequate.
When the electrical pretreatment according to the invention was carried out at 600,000 V, 50 kHz at a distance of about 1 m in front of the extruder nozzle, the adhesion proved so good that the high-pressure polyethylene layer was removed from
0.050 mm thick, even applied at a working speed of 60 m / min and more, could no longer detach from the aluminum foil without tearing the polyethylene film. The distance between the roller electrode and the aluminum surface was 1.2 mm.
Example 2: In a further experiment, a soft-annealed aluminum strip of 0.050 mm
Thickness and 800 mm width without prior chemical or other type of surface treatment subjected to the electrical treatment process according to the invention at a working speed of 25 m / min. The electrical conditions corresponded to those given in Example 1. After storage for fifteen days on an extrusion machine, the roll was coated with high pressure polyethylene. Polyethylene temperature in the slot die: 2800C; Polyethylene layer thickness: 70 g / m '. The adhesion achieved with the help of this method of operation could also be compared to the known state of the
Technology can be significantly improved.
Example S: An intermediate-hard aluminum strip 0.2 mm thick and 600 mm wide was provided with a lacquer customary for such purposes on a stoving lacquering machine without conventional surface pretreatment (roller application); Working speed: 5 m / min; Burn-in temperature: 2300C; Paint film thickness 5 g / m 2. With conventional working methods, the paint adhesion was not sufficient for the highest demands.
After the electrical surface treatment according to the invention under the operating conditions and electrical data described in Example 1 - but at a distance of the treatment electrode of 1.5 m from the coating unit - the adhesion of the coating on the aluminum surface proved to be so good that even difficult deformations were carried out by deep drawing without overstressing the adhesion of the lacquer layer on the aluminum.
PATENT CLAIMS:
1. Process for improving the adhesive strength of materials, such as B. lacquers, printing inks, adhesives or high molecular weight substances used for coating or lamination on metal surfaces, in particular made of aluminum or aluminum alloys, characterized in that the metal surface cleaned in a known manner, in particular degreased by annealing, is treated in a high-frequency, high-tension alternating field with a voltage of more than 50,000 V, preferably between 400,000 and 600,000 V, and a frequency of at least 25 kHz and the metal is switched as the opposite pole to the treatment electrode or electrodes.