BR102021006761A2 - Método de tratamento da superfície de folhas metálicas com verniz de proteção de cura uv - Google Patents
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Abstract
O método compreende as etapas de: incidir plasma atmosférico (PA) sobre cada porção de área, da superfície a ser tratada, de uma folha metálica (10), aumentando a energia livre superficial da folha metálica (10), compatibilizando dita energia livre superficial com a tensão superficial do verniz a ser aplicado à folha metálica (10); aplicar, sobre a superfície da folha metálica (10), submetida ao plasma atmosférico (PA), uma camada de verniz (CV) de cura UV, selecionado dentre oligômeros, monômeros e foto-iniciadores, e com teor de sólidos de 99% a 100 %; e curar a camada de verniz (CV) por meio de radiação UV, formando um revestimento de verniz aderido à superfície da folha metálica (10).
Description
[001] A presente invenção diz respeito a um método para prover o tratamento da superfície de folhas metálicas, revestidas ou não com cromo e estanho, particularmente de folhas metálicas utilizadas na indústria de embalagens de metal, por meio da aplicação de plasma atmosférico, permitindo que seja aplicado, com boa aderência e alta molhabilidade, um verniz de proteção, curável por radiação ultravioleta, em uma ou em ambas as faces da folha metálica utilizada na formação dos corpos e dos componentes dessas embalagens, as quais tomam geralmente a forma de latas de duas, três ou mais peças.
[002] A indústria de embalagens de metal utiliza, como substrato básico para seus produtos, folhas de aço formadas com alto teor de ferro e pouco carbono e que precisam de proteção contra humidade, para evitar oxidação capaz de levar à perda da embalagem e do produto nela envasado.
[003] A indústria siderúrgica, que fornece as bobinas de folha de aço para a formação das embalagens metálicas, geralmente aplica à referida folha metálica um processo de deposição eletrolítica, para nela formar uma camada superficial intermetálica de estanho ou cromo, sendo a folha metálica submetida a um tratamento térmico para consolidar a cristalografia/granulometria e a porosidade da camada própria de cromo ou estanho livre.
[004] O tratamento acima citado, se dá para aumentar a resistência à corrosão. Entretanto, como é feito por outro metal (cromo ou estanho) e geralmente aplicado de 1,0 a 11,2 g/m², cria uma camada extremamente fina, de 1 a 2 nm, a qual não é eficaz para o produto pronto que vai sofrer estresse mecânico, tanto na montagem das latas e de seus componentes (tampa e fundo), como no transporte, na embalagem, no manuseio e ainda na exposição às intempéries do ambiente onde a embalagem será armazenada ou posta à venda. Por esse motivo, é necessária a aplicação de um verniz em uma ou em ambas as faces da folha metálica, para proteção do aço formador da embalagem, evitando sua oxidação.
[005] Por razões de homogeneidade de alastramento e grau de adesão em relação à superfície da folha metálica, os vernizes atualmente utilizados para a proteção das embalagens metálicas têm, em sua composição química, cerca de 50% de solventes. Essa característica específica faz com que pelo menos metade de seu conteúdo seja perdido no processo de cura térmica, com o solvente transformando-se em vapor altamente tóxico, a ser necessariamente incinerado antes de chegar à atmosfera.
[006] O solvente é o meio padrão que permite a obtenção do requerido e correto grau de alastramento do verniz na folha metálica, entrando nos sulcos do substrato metálico e levando os sólidos do verniz a toda à superfície da folha metálica, na qual se aderem com facilidade.
[007] O processo atual apresenta flexibilidade, boas propriedades de alastramento, de alongamento e de adesão, além de minimizar os efeitos de graxa ou sujeira residual na superfície metálica, dissolvendo ou dispersando esses contaminantes. Entretanto, esses vernizes do processo atual utilizam solventes que apresentam uma alta porcentagem de compostos orgânicos voláteis, os quais são evaporados quando da cura ou secagem do verniz por aplicação de calor e convecção forçada em equipamentos de grandes dimensões, consumindo elevada energia e tempo de processamento.
[008] Os compostos voláteis, dos vernizes a base de solventes, podem ser definidos por um só composto ou, por exemplo, por uma mistura de éteres, acetatos, aromáticos, éteres glicóis e hidrocarbonetos alifáticos, exigindo o uso de custosos sistemas de incineração para que os mesmos não sejam liberados para a atmosfera, o que poderia causar grande malefício ao meio ambiente.
[009] A utilização de vernizes isentos de compostos voláteis, ou seja, de vernizes que, após o processo de cura, têm cerca de 99% a 100 % de seus componentes solidificados sobre a folha, formando um único polímero, por exemplo, como proposto no método objeto da presente invenção, não é possível sem que, de alguma forma, possa ser alterada a energia livre superficial da folha metálica, para um valor compatível com a tensão superficial do verniz em estado líquido a ser aplicado.
[0010] A compatibilização dos valores de tensão superficial do verniz em estado líquido com a energia livre da superfície sólida da folha metálica é necessária para evitar o surgimento de gotículas esféricas, levando a uma alta concentração do verniz em certos pontos da superfície da folha metálica e uma reduzida camada ou até mesmo nenhuma camada aplicada em outros pontos. A energia livre de um sólido está intimamente ligada à molhabilidade do mesmo, ou seja, a sua capacidade de formar uma interface comum com o líquido que entra em contato com ele. A compatibilização dos valores de energia livre e tensão superficial permite um alastramento homogêneo e uma desejada e segura adesão do verniz à superfície da folha metálica.
[0011] Em razão dos inconvenientes relacionados ao uso dos vernizes a base de solventes e da dificuldade de se obter adequados alastramento e adesão de vernizes com elevadas concentrações de sólidos, a presente invenção tem o objetivo de prover um método que permita a aplicação de vernizes de proteção, curados por radiação ultravioleta, em folhas metálicas, sem revestimento ou revestidas com cromo ou estanho, utilizadas na indústria de embalagens de metal, para proteção interna e externa de corpos e componentes de latas.
[0012] O método em questão permite a substituição de vernizes a base de solvente e cura térmica, que requerem grandes fornos que utilizam gás para geração de calor e alto volume de vapor orgânico, altamente nocivo ao homem e ao meio ambiente, por vernizes curados por luz ultravioleta, compatíveis com o meio-ambiente.
[0013] O método em questão gera grande economia de processo, pois permite a desativação dos fornos a gás e incineradores de vapores orgânicos, os quais têm alto custo de manutenção comparado àquele das novas linhas de cura por ultravioleta, utilizadas na solução técnica ora proposta.
[0014] O método consiste em tratar a superfície do substrato metálico , fazendo limpeza e ativação por meio de plasma atmosférico, elevando a energia livre do substrato metálico a um valor igual ou maior que o valor de tensão superficial do verniz de cura por UV, a ser aplicado ao referido substrato, aumentando cerca de 8 vezes a parte polar da referida energia livre, que tem característica hidrofílica e, assim, melhorando as propriedades de adesão e a molhabilidade da folha metálica e permitindo um alastramento correto do verniz e um alto poder de adesão ao substrato metálico.
[0015] Toda substância busca uma energia livre mais baixa possível. Os líquidos, na ausência de influência de peso, formam uma gota esférica. Os sólidos, por sua vez, não podem deformar sua superfície para se concentrar no menor espaço possível, mas podem formar uma interface comum e compatível com um líquido, para reduzir a energia livre, ou seja, podem ser umedecidos. Portanto, a energia superficial livre de um sólido está intimamente relacionada à sua molhabilidade e, em consequência, ao grau de alastramento de vernizes. Os termos “energia superficial livre” e “tensão superficial” são fisicamente equivalentes. O termo energia superficial livre é geralmente usado para superfícies sólidas e tensão superficial para superfícies líquidas. Ocasionalmente, entretanto, o termo tensão superficial de um sólido também é utilizado. A expressão "livre" indica a parte da energia que pode ser convertida em trabalho mecânico, ao contrário da energia interna, que também contém a entropia relacionada ao calor. Na prática, a expressão "livre" costuma ser omitida.
[0016] A invenção será descrita a seguir, fazendo-se referências ao desenho anexo no qual:
[0017] A figura 1 representa, de modo esquemático e simplificado, as etapas do método de tratamento em questão quando aplicado na proteção superficial de folhas metálicas.
[0018] Conforme já anteriormente mencionado e ilustrado na figura 1 do desenho anexo, o método em questão visa prover um tratamento superficial protetor em uma ou em ambas as faces de folhas metálicas 10, por meio da aplicação de um verniz de proteção, curável por radiação ultravioleta.
[0019] A folha metálica 10, submetida ao método em questão, pode ser revestida ou não com cromo ou estanho, sendo particularmente utilizada na indústria de embalagens metálicas na forma de latas formadas com duas ou três peças.
[0020] De acordo com o método, a folha metálica 10 tem uma qualquer de suas faces submetida ao contato com um gás ionizado chamado plasma atmosférico PA, considerado o quarto estado da matéria e que é liberado, contra a superfície a ser tratada, a partir de um bocal de plasma 20.
[0021] O plasma atmosférico PA é produzido por uma descarga controlada de energia elétrica feita por um gerador de plasma 21, de alta frequência e alta voltagem, dentro do bocal de plasma 20 que é ainda alimentado, por ar comprimido, a partir de um gerador de ar comprimido 22, sendo ilustrado na figura 1 do desenho anexo apenas um gerador de plasma 21, de alta frequência e alta voltagem, um gerador de ar comprimido 22 e um bocal de plasma 20 gerando plasma atmosférico PA que incide sobre a superfície de uma folha metálica 10, devendo ser entendido que o número de bocais de plasma 20 e de geradores de plasma 21, pode variar de acordo com a dimensão transversal das folhas metálicas 10, da velocidade de deslocamento relativo entre a folha metálica 10 e os bocais de plasma 20 e ainda da intensidade desses últimos.
[0022] Na figura 1 do desenho é ilustrado um modo exemplificativo de deslocamento de uma folha metálica 10 por meio de esteiras transportadoras 30 com seu curso passante sob o plasma atmosférico PA a uma velocidade linear determinada em razão dos demais parâmetros acima mencionados e relacionados ao tipo de folha metálica 10 e à potência dos bocais de plasma 20, considerando serem eles em número e disposição adequados para a necessária cobertura da largura da folha metálica 10 passante sob o plasma atmosférico PA.
[0023] A energia livre superficial da folha metálica 10 utilizada, antes da exposição ao plasma atmosférico, é em média de 28 a 45 mN/m, sendo a parte polar, considerada hidrofílica, baixa, com médias de 1 a 3, para folhas estanhadas, e 4 a 5 para folhas cromadas, dependendo de sua fabricação, usinagem, camada de estanho livre ou cromo livre e passivação. A coesão entre os átomos e moléculas, que causa a energia/tensão superficial de uma substância, pode ser explicada por diferentes tipos de interação. Em particular, pode-se diferenciar entre interações dispersivas e interações polares. Interações, causadas por flutuações temporárias da distribuição de carga nos átomos/moléculas, são chamadas interações dispersivas (interação van der Waals).
[0024] As interações polares compreendem interações de Coulomb entre dipolos permanentes e entre dipolos permanentes e induzidos (por exemplo, ligações de hidrogênio). Como as interações de van der Waals ocorrem entre todos os átomos e moléculas, não há substância com energia/tensão superficial que consista apenas de uma parte polar. A energia/tensão superficial σi de um componente i é composta, de forma aditiva, por partes dispersas σi d e polares σi p de acordo com:
[0025] A comparação da proporção entre a parte dispersiva e a polar da energia/tensão superficial, entre substrato e verniz, permite prever a adesão entre esses dois componentes. Quanto mais próximas forem as relações entre substrato e verniz, mais interações são possíveis entre os componentes e maior a adesão entre eles.
[0026] Após a exposição do substrato metálico (folha de aço) ao plasma atmosférico PA, com o bocal de plasma 20 posicionado de 1 a 3 mm de distância da folha de aço, utilizando geradores de plasma 21, de alta frequência e alta voltagem, com fluxo de 50 a 60 litros de nitrogênio por minuto e a uma pressão de 245 mbar (24,5 KPa) na saída do jato, o substrato, na forma de uma folha metálica 10, em deslocamento a uma velocidade de 40 a 80 m/min, tem sua energia superficial livre aumentada para parâmetros que podem ser ajustados à compatibilidade da tensão superficial do verniz a ser aplicado, podendo essa energia superficial livre na folha tratada ser definida de 29 a 72 mN/m, com parte polar elevada, tanto em folhas revestidas com estanho quanto com cromo. Utilizando uma folha estanhada, cuja energia superficial livre, antes do tratamento, é de 41 mN/m, dispersivo 39/polar 2, o resultado, após a aplicação do plasma, foi de um aumento da energia livre para 56 mN/m, sendo a parte polar 16. Utilizando uma folha cromada com energia superficial livre de 41 mN/m, dispersivo 35/polar 6, o resultado, após a aplicação do plasma foi de um aumento da energia livre para 56 mN/m, sendo a parte polar 16.
[0027] O gerador de plasma 21, de alta frequência e alta potência, deve estar configurado para gerar 300 a 400 Volts, com a frequência de pulso entre 20 e 30 kHz, para atingir uma potência entre 900 e 1000 W. O gás a ser comprimido pode ser oxigênio ou nitrogênio, sendo este segundo, N2, o mais eficaz. A quantidade de gás liberado deve ser, em ambos os casos, de 50 a 60 litros por minuto, com uma pressão de 240 a 250 mbar (24,5 a 25,0 KPa) na saída do jato.
[0028] Nesses parâmetros foi encontrada a estabilidade entre a superfície da folha metálica e o verniz, permitindo boa molhabilidade e adesão dos vernizes utilizados por cura UV. As folhas então podem ser submetidas, com sucesso, aos testes padrão de “Scratch and tape – Adhesion” e impacto reverso.
[0029] Essa disposição de pré-tratamento produz a limpeza de matéria orgânica, a polarização da superfície metálica em tratamento e o aumento da energia livre superficial do aço da folha metálica 10, fazendo com que essa energia livre superficial seja compatível com a tensão superficial do verniz de cura por UV a ser aplicado à folha metálica 10, permitindo ótima adesão e alastramento do verniz sobre a folha, em velocidade maior que 3500 folhas de aço por hora (folhas estanhadas ou cromadas), considerando plasma atmosférico PA produzido à partir de Nitrogênio ou do Oxigênio comprimido, sendo utilizados 56 litros do gás por minuto, a uma pressão, na saída do jato, de 245 mbar (24,5 KPa) e a uma velocidade das folhas na ordem de 50 m/min.
[0030] A folha metálica 10, superficialmente tratada por plasma atmosférico PA, é transportada pelas esteiras 30 a um aplicador de verniz 40, que pode ser, por exemplo, definido por um rolo de verniz 41 alimentando um rolo aplicador 42 que trabalha em oposição a um rolo de apoio 43. Ao passar por entre os rolos aplicador 42 e de apoio 43, a folha metálica 10 recebe, na face em contato com o rolo aplicador 42, uma camada de verniz CV de cura por radiação UV. Em seguida, de forma imediata, a folha metálica 10 entra em uma unidade de cura 50, formada, por exemplo, por lâmpadas de vapor mercúrio ou Led, as quais geram radiação ultravioleta suficiente para ativar os foto-iniciadores da composição química do verniz, produzindo sua polimerização, sua adesão à superfície da folha metálica e uma total cobertura e proteção da referida superfície da folha metálica a ser utilizada na produção de corpos, domos e fundos de embalagens metálicas.
[0031] É necessária a utilização de vernizes com alto teor de sólidos, sem dispersantes ou veículos à base de solventes químicos, e curados por radiação ultravioleta gerada por lâmpadas de vapor de mercúrio.
[0032] Os vernizes utilizados neste processo são compostos de oligômeros, monômeros e foto-iniciadores, aplicados por rolo litográfico 42, sem necessidade de diluição, com viscosidade de 40 a 60 Sec CF4/25ºC, peso específico de 1,01 a 1,05/25ºC com teor de sólidos de 99 a 100 %.
[0033] O método em questão permite a utilização do produto de proteção, verniz, tanto na parte interna como externa dos corpos e componentes, domo e fundo, de embalagens metálicas compostas de três ou duas peças, com 99% de sólidos curados por radiação ultravioleta e ainda a substituição de forno a gás por estação de cura com lâmpadas UV.
[0034] A cura do verniz se dá por polimerização do verniz causada pela interação do foto-iniciador da composição do verniz com a radiação ultravioleta, acima de 100 mJ/cm2, emitida pelas lâmpadas da unidade de cura 50, a camada seca final será de 4,65 a 7,75 g/m².
[0035] Os efeitos vantajosos do método ora proposto podem ser assim enumerados:
- - Eliminação de emissão de gases nocivos à saúde e ao meio ambiente;
- - Eliminação de uso de gás no processo industrial;
- - Eliminação da periculosidade do ambiente, em razão da utilização de verniz não inflamável, em oposição ao atualmente utilizado a base de solventes eliminados por cura térmica e tratamento de gases tóxicos;
- - Redução de espaço físico, com eliminação do forno a gás para cura térmica dos vernizes a base de solventes e utilização de estação de cura por UV, muito menor;
- - Redução de manutenção nas linhas de aplicação e tratamento, pois são menores e mais simples;
- - Economia significante do valor pago à manutenção, aluguel e pessoal para operação;
- - Economia em frete, pois não se transporta mais os solventes dos vernizes anteriormente utilizados, e sim só os sólidos a serem aplicados na folha de aço;
- - Maior estabilidade do substrato metálico, garantindo melhor aderência e molhabilidade.
Claims (6)
- Método de tratamento da superfície de folhas metálicas com verniz de proteção de cura UV, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:
- - incidir plasma atmosférico (PA) sobre cada porção de área, da superfície a ser tratada, de uma folha metálica (10), aumentando a energia livre superficial da folha metálica (10), compatibilizando dita energia livre superficial com a tensão superficial do verniz a ser aplicado à folha metálica (10);
- - aplicar, sobre a superfície da folha metálica (10), submetida ao plasma atmosférico (PA), uma camada de verniz (CV) de cura UV, selecionado dentre compostos de oligômeros, monômeros e foto-iniciadores, com viscosidade de 40 a 60 Sec CF4 / 25ºC, peso específico de 1,01 e 1,05 / 25ºC e com teor de sólidos de 99% a 100 %; e
- - curar a camada de verniz (CV), aplicada sobre a superfície da folha metálica (10), por meio da polarização dos compostos do verniz, pela interação do foto-iniciador com radiação UV em uma unidade de cura (50), formando um revestimento de verniz aderido à superfície da folha metálica (10).
- Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o revestimento de verniz apresentar uma espessura de 4,65 a 7,75 g/m².
- Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o plasma atmosférico (PA) ser liberado, sobre a superfície a ser tratada da folha metálica (10), a partir de pelo menos um bocal de plasma (20), sendo o plasma atmosférico (PA) produzido por uma descarga controlada de energia elétrica feita, por um gerador de plasma (21), de alta frequência e alta voltagem, dentro do bocal de plasma (20), sendo esse último ainda alimentado por ar comprimido a partir de um gerador de ar comprimido (22).
- Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o gerador de plasma (21) gerar 300 a 400 Volts, com frequência de pulso de 20 a 30 kHz e potência de 900 a 1000 W, sendo o gás, a ser comprimido, selecionado dentre oxigênio ou nitrogênio e em uma quantidade de 50 a 60 litros por minuto, com uma pressão de 240 a 250 mbar (24,5 a 25,0 KPa).
- Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a folha metálica (10) ser mantida afastada em 1 a 3 mm do bocal de plasma (20), em deslocamento a 50m/min, submetida ao plasma atmosférico (PA) a um fluxo de 56 litros de nitrogênio por minuto e a uma pressão de 245 mbar (24,5 KPa), para apresentar uma energia livre superficial de 56 mN/m.
- Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de a unidade de cura (50) aplicar, à camada de verniz (CV) uma radiação ultravioleta acima de 100 mJ/cm2, emitida por lâmpadas de vapor de mercúrio ou Led.
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