CN101052518A - 涂覆有可辐射固化的户外耐久涂层的金属 - Google Patents

Abstract

本发明描述了涂覆有可辐射固化涂层(10)的金属制品(2)，该可辐射固化涂层表现出对气候和紫外线暴露的抵抗性。可辐射固化涂层(10)包含大于约95重量％的固体，并且是透明的或是有颜色的。

Description

涂覆有可辐射固化的户外耐久涂层的金属

相关申请的交叉参考

本申请要求于2004年10月29日提交的美国临时申请60/623,498、60/623,689、60/623,499和60/623,688的权益，这里通过引用将这些申请并入本文。

发明领域

本发明一般涉及涂覆有液态涂层体系的金属。具体地，本发明涉及具有施用于其上的可辐射固化涂层的涂覆金属，该涂层具有大于约95重量％的固体。

发明背景

常规的涂覆操作中使用的涂覆溶剂通常含有挥发性有机化合物(VOC)，在将涂层干燥或固化于制品表面上的处理过程中，该挥发性有机化合物从溶剂中蒸发并作为有害的空气污染物(HAP)释放到大气中。此外，产生作为这些涂覆操作的副产品的大量危险废料。随着日益增加的环境关注和日益严厉的政府法规，更加着重于减少或消除涂覆铝或/或其它金属时使用的溶剂的量。

应对这些日益增加的关注，已经实施了几种方法以控制典型与常规涂层体系相关的环境风险。一种方法是使用污染控制设备来捕集VOC排放物以防止它们变为不希望的空气污染物。另一种减少或消除VOC排放的方法是使用包含约100％固体的涂层体系，从而无需使用产生污染的溶剂。典型地，包含约100％固体的湿涂层需要利用辐射来将该涂层固化在金属基底上。当与溶剂基涂层比较时，这些可辐射固化的涂层减少了与涂覆制品的制造相关的总费用，因为无需将制品加热到升高的温度以便将涂层固化在下面的制品表面上。然而，由于长时间暴露于紫外线辐射和凝结(condensation)时的许多粉化、褪色(discolor)、丧失附着或起泡，这些体系在历史上缺少户外使用的耐久性。

因此，存在对涂覆有可辐射固化涂层的金属制品的需求，该涂层能够承受户外使用的苛刻条件，然而仍可减少其制造过程中释放出的VOC排放量。

本发明应对这些需求公开了施用时具有大于约95重量％固体的可辐射固化涂层的金属制品，该涂层能够承受户外使用的苛刻条件。

发明概述

本发明描述了涂覆有可辐射固化涂层的金属制品，所述涂层表现出对气候(weathering)和紫外线暴露的抵抗性。具有大于约95重量％固体的可辐射固化液态涂层可以是透明的或者有颜色的。

在一个实施方案中，通过使用紫外光或电子束能量将涂层固化到金属制品上。

在一个实施方案中，该金属制品可以是铸造、挤压、锻造或轧制的制品。

在一个实施方案中，该金属制品可以由选自铝业协会1XXX、2XXX、3XXX、5XXX、6XXX、7XXX和8XXX系列的铝合金制成。

在一个实施方案中，该铝合金可以选自铝合金协会1XX.X、2XX.X、3XX.X、4XX.X、5XX.X、7XX.X和8XX.X系列的铝合金。

本发明的一个方面是减少或消除在涂覆铝和其它金属中使用的溶剂。

本发明的另一方面是提供涂覆有能够承受气候和紫外线暴露的涂层的金属。

本发明的另一方面是通过减少或消除当固化涂层时必须蒸发的溶剂量，来减少或消除在将涂层固化到制品上时释放出的挥发性有机化合物(VOC)排放物的量。

本发明的另一方面是提高与涂覆金属制品的制造相关的处理速度。

附图简述

图1描绘了涂覆有预处理涂层和可辐射固化涂层的铝制品。

图2描绘了仅涂覆有可辐射固化涂层的铝制品。

图3描绘了涂覆有预处理涂层、底涂层和可辐射固化涂层的铝制品。

图4描绘了涂覆有底涂层和可辐射固化涂层的铝制品。

优选实施方案的详述

附图和随后的说明书以优选的实施方案对本发明进行描述。然而，认为通常熟悉涂覆金属制品的人员能够通过某些细节的调整，将在这里说明和描述的结构和方法的新特征应用到其它环境中。因此，不认为附图和说明书是对本发明范围的限制，而应理解为广泛和一般的教导。当提到任何数值范围时，应理解这些范围包括介于所述范围的最小值和最大值之间的每一个数字和/或部分。最后，对于下文的描述，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“竖向”、“水平”、“顶部”、“底部”以及它们的派生词将涉及如附图中定位的发明。

图1描绘了涂覆有预处理涂层4的铝制品2，该预处理涂层可以是铬基或者基本不含铬。使用本领域中公知的涂覆技术向铝制品2的表面上施用预处理涂层4，涂层重量的范围为约0.05克/平方米(5mg/平方英尺)至约1.08克/平方米(100mg/平方英尺)。优选地，涂层重量的范围为约0.05克/平方米(5mg/平方英尺)至约0.32克/平方米(30mg/平方英尺)。正如从图1可以理解的，当表面6暴露于氧时，预处理涂层4实际上是被施用在自然形成于铝制品2的表面6上的氧化物层8之上。

预处理涂层4增强了固态可辐射固化涂层10(当施用时，该涂层具有大于约95重量％的固体)与铝制品2的表面6之间的附着力。可辐射固化涂层10可以是透明的或是有颜色的。可辐射固化涂层10的厚度范围是约2.54μm(0.0001in)至约63.5μm(0.0025in)。优选地，可辐射固化涂层10的厚度范围是约12.7μm(0.0005in)至约38.1μm(0.0015in)。典型地，预处理涂层4是铬基化学转化涂层。然而，由于加强的健康和环境的关注，非铬基体系，例如钛和锆涂层的使用日益增加。另一种可选方案是通过使用磷酸阳极氧化工艺预处理铝制品2的表面6，该磷酸阳极氧化工艺产生促进涂层附着的薄的多孔氧化物层，其典型小于约0.254μm(0.00001in)。除提高可辐射固化涂层10与铝制品2的表面6的附着以外，通过将铝制品2的表面6与气氛中的氧隔离，预处理涂层4还为铝制品2的表面6提供了一定程度的腐蚀保护。

图2描绘了直接施用到自然形成的氧化物层8上的可辐射固化涂层10，该氧化物层8位于铝制品2的表面6上。与图1不同，图2中的铝制品2没有涂覆预处理涂层4。在图2中，可辐射固化涂层具有约2.54μm(0.0001in)至约63.5μm(0.0025in)的厚度，优选的厚度范围是约12.7μm(0.0005in)至约38.1μm(0.0015in)。

图3描绘了直接施用到底层12上的可辐射固化涂层10，该底层12施用于预处理涂层4上方。底层12进一步提高可辐射固化涂层10和铝制品2之间的附着。正如从图3中可以看到的，在位于铝制品2的表面6上的自然形成的氧化物层8上方施用预处理涂层4。底层12的厚度范围是约2.54μm(0.0001in)至约17.8μm(0.0007in)，优选地，底层12的厚度范围是约5.1μm(0.0002in)至约10.2μm(0.0004in)。正如图3中所描绘的，在施用可辐射固化涂层10之前，向预处理涂层4上直接施用底层12。

图4描绘了直接施用到底层12上的可辐射固化涂层10。与图3不同，这个实施方案中的底层12被直接施用在铝制品2的表面6上自然形成的氧化物层8之上。与图3相似，底层12的厚度范围是约2.54μm(0.0001in)至约17.78μm(0.0007in)，优选的厚度范围是约5.08μm(0.0002in)至约10.16μm(0.0004in)。

向铝制品2的表面6上施用预处理涂层4(图1和3)或可辐射固化涂层10(图2)或底层12(图4)之前，可以使用本领域公知的技术清洗表面6。例如，在施用涂层之前经常使用碱性清洗剂清洗铝制品2的表面6。

可以将可辐射固化涂层10施用到许多金属制品的表面。然而，暴露于户外环境(elements)的金属制品将非常受益于所公开的本发明。例如，可以用可辐射固化涂层10涂覆卡车、马车和其它拖车中使用的侧板以便提高该板对户外暴露的耐久性。锻造和铸造的车轮以及挤压的门和窗框也将受益于具有可辐射固化的涂层10。

在一个实施方案中，可辐射固化涂层10包含聚酯、聚氨酯(urethane)、环氧、丙烯酸或硅氧烷型树脂。典型地，可辐射固化涂层10由多种单体和低聚体组成，当暴露于辐射例如紫外光或电子束能量时这些单体和低聚体立即发生聚合。然而，这些辐射形式并不意味着进行限制，因为本领域的技术人员清楚也可使用其它形式的辐射用以将可辐射固化的涂层10固化到铝制品2的表面6上。可以使用本领域中公知的技术在预处理涂层4上(图1)、铝制品2的表面6上(图2)、或底涂层12上(图3和4)直接施用可辐射固化涂层10。例如，可以使用喷涂、浸涂、辊涂、狭缝涂覆(slot coating)或幕涂方法在铝制品2上施用可辐射固化涂层10。

喷涂典型涉及使用喷枪来涂覆铝制品2，包括在使用喷枪向铝制品2上沉积/喷涂可辐射固化涂层10之前，将可辐射固化的涂层10雾化。当使用这种技术时，喷嘴选择、喷射的扇风宽度和要沉积的可辐射固化涂层10的体积均是必须考虑的因素。一旦在铝制品2上沉积了可辐射固化的涂层10，通过使可辐射固化涂层10暴露于一定形式的辐射，将可辐射固化涂层10固化在铝制品2上。

浸涂方法涉及将铝制品2浸入可辐射固化涂层10的液体浴中。然后将铝制品2从浴中取出以允许过量的可辐射固化涂层10滴回该液体浴中。在除去过量的可辐射固化涂层10之后，将铝制品2暴露于一定形式的辐射以便将可辐射固化的涂层10固化在铝制品2上。

辊涂涉及当铝制品2经过旋转涂覆辊附近时，将可辐射固化涂层10从旋转涂覆辊上转移到铝制品2上。一旦在铝制品2上施用了可辐射固化涂层10，通过使可辐射固化涂层10暴露于一定形式的辐射，将可辐射固化涂层10固化在铝制品2上。

狭缝涂覆典型涉及通过如下方法将可辐射固化涂层10施用到铝制品2上，包括：当铝制品2经过狭缝口模(die)的开口附近时，迫使可辐射固化涂层10通过狭缝口模并直接将涂层10施用到铝制品2上。铝制品2典型位于与狭缝口模开口邻近的辊上，从而允许铝制品2的连续涂覆。当利用狭缝涂覆技术时，可辐射固化涂层10通过狭缝口模的流速以及线速度是必须考虑的变量。

幕涂涉及使铝制品2通过落下的可辐射固化涂层10的薄片(即幕)，将可辐射固化涂层推动或重力进料通过狭缝或滑动型口模。离开口模的可辐射固化涂层10的量和铝制品2通过涂层的落下薄片的速度决定了施用到铝制品2上的可辐射固化涂层的厚度。如同其它的施用技术，通过将可辐射固化涂层10暴露于一定形式的辐射，将可辐射固化涂层10固化到铝制品2的表面6上。

在一个实施方案中，可辐射固化涂层10将满足或超过关于涂层附着的ASTM D3359-02标准、关于紫外线和湿度稳定性的ASTM G53-96和SAE J2020标准、和关于盐雾性能的ASTM B117-03标准。此外，可辐射固化涂层10将满足或超过关于可成形性的ASTM D3794-00标准、关于抗冲击性的ASTM D2794-93(2004)标准，并具有ASTM D3363-05标准下的最小抗拉硬度(H)。然而，值得注意的是，可辐射固化涂层10的其它实施方案能够满足或超过一个或多个上述标准。

尽管图1-4描绘了铝制品2作为被涂覆的金属，然而在不背离本发明教导的情况下，也可以使用其它金属或金属合金(例如，钢或钢合金)。

表1：

试验	预处理	合金	ASTM G53-96 1000小时
				1(对照)	N/A	5XXX系列	在1000小时后轻微粉化
2	仅进行清洗	5XXX系列	通过
				3	铬酸盐转化涂层	5XXX系列	通过
4	无铬转化涂层	5XXX系列	通过

在表1中，本发明中公开的固体可辐射固化涂层的耐久性与工业中目前使用的溶剂基涂层相当。在每次试验中，使用5XXX系列铝业协会合金作为下层基底。通过将每个铝基底暴露于循环的紫外线辐射和凝结1000小时来测试铝基底表面上的涂层的耐久性，使用根据ASTMG53-96的Atlas UVCON紫外线/凝结屏蔽(screening)设备。暴露于1000小时的辐射/凝结之后，对铝基底上的涂层进行肉眼检查以确定紫外线辐射/凝结是否使涂层劣化。由于辐射将破坏涂层的有机组分，被紫外线辐射/凝结劣化的涂层将表现出无光泽外观或褪色。为了清楚起见，下文中将无光泽外观称为粉化。

在试验#1中，使用标准碱性清洗剂清洗铝基底，用铬基化学溶液进行预处理，并使用常规的逆向辊涂方法涂覆丙烯酸溶剂基涂层。向铝基底的表面上施用厚度约17.8μm(0.0007in)的涂层，在约240.5℃(465)的峰值金属温度下进行热固化。正如由表1所能理解的，试验#1中的铝合金在按照ASTM G53-96暴露于紫外线辐射/凝结约1000小时之后表现出轻微的粉化。

在试验#2中，使用标准碱性清洗剂清洗铝基底，并涂覆厚度约17.8μm(0.0007in)的100％固体的可辐射固化涂层。使用线绕的拉杆向铝基底上施用涂层，并使用紫外线辐射进行固化。正如从表1中可以看到的，对该试验中的可辐射固化涂层给出“通过”的评价，因为该涂层在按照ASTM G53-96暴露于紫外线辐射/凝结约1000小时之后没有表现出粉化或褪色。

试验#3涉及使用标准碱性清洗剂清洗铝基底，并用铬基化学溶液预处理该基底。在预处理步骤后，对铝基底涂覆与试验#2中所使用的涂层相同的可辐射固化涂层。可辐射固化涂层的厚度是约17.8μm(0.0007in)。与试验#2相似，使用线绕的拉杆向铝基底表面上施用可辐射固化涂层，并使用紫外线辐射进行固化。在暴露于紫外线辐射/凝结约1000小时后，试验#3中的可辐射固化涂层没有表现出任何粉化或褪色。因此，对试验#3中的可辐射固化涂层给出“通过”的评价。

试验#4中的铝基底使用标准碱性清洗剂进行清洗，用无铬化学溶液进行预处理，并使用线绕的拉杆涂覆与试验#2和3中所用涂层相同的可辐射固化涂层。可辐射固化涂层厚度是约17.8μm(0.0007in)。与试验#2和3相似，对试验#4中的可辐射固化涂层给出“通过”的评价，因为该涂层在暴露于紫外线辐射/凝结约1000小时后没有表现出任何粉化或褪色。

表2：

试验	预处理	合金	SAE J2020 2500小时
				5(对照)	N/A	5XXX系列	在720小时中等粉化
6	仅清洗	5XXX系列	在1104小时轻微粉化
				7	铬酸盐转化涂层	5XXX系列	在1104小时轻微粉化
8	无铬转化涂层	5XXX系列	在1104小时轻微粉化

与表1相似，表2比较了本发明中公开的可辐射固化涂层与工业标准溶剂基涂层的耐久性。在试验5-8中使用的下层基底是5XXX系列铝业协会合金。然而与试验1-4不同，试验5-8涉及使用Atlas UVCON紫外线/凝结屏蔽设备、将5XXX系列铝基底暴露于约2500小时的依据SAE J2020的紫外线辐射和凝结。SAE J2020标准将铝基底暴露于比ASTM G53-96标准更为苛刻的测试环境中(即，SAE J2020使用更高能量的紫外线灯和每个周期更高的温度)。因此，在试验5-8中，预计可辐射固化涂层的粉化发生在早于试验1-4的时间。在试验5-8中，每隔预定的时间对铝基底进行肉眼检查以确定基底是否表现出任何粉化或褪色。

在试验#5中，使用标准碱性清洗剂清洗铝基底，用铬基化学溶液进行预处理，并涂覆试验#1中使用的丙烯酸溶剂基涂层。使用常规逆向辊涂方法向铝基底表面上施用厚度约17.8μm(0.0007in)的涂层，并在约240.5℃(465)的峰值金属温度下进行热固化。正如由表2所能看到的，试验#5中的铝合金在暴露于紫外线辐射/凝结约720小时后表现出中等的粉化。再者，预计具有更早的粉化，因为SEA J2020标准将基底暴露于更恶劣的测试环境中。

试验#6涉及向5XXX系列铝基底上施用与试验2-4中使用的涂层相同的可辐射固化涂层。与试验#5相似，使用标准碱性清洗剂清洗铝基底，并涂覆厚度约17.8μm(0.0007in)的100％固体的可辐射固化涂层。使用线绕的拉杆在铝基底上施用涂层，并使用紫外线辐射进行固化。正如从表2中可以理解的，在按照SAE J2020暴露于紫外线辐射/凝结约1104小时后可辐射固化涂层开始表现出轻微的粉化。

试验#7涉及使用标准碱性清洗剂清洗铝基底，用铬基化学溶液预处理基底，并使用与试验6中相同的可辐射固化涂层涂覆该铝基底。可辐射固化涂层的厚度是约17.8μm(0.0007in)，使用线绕的拉杆向铝基底上施用该可辐射固化涂层，并使用紫外线辐射进行固化。在暴露于紫外线辐射/凝结约1104小时之后，试验#7中的可辐射固化涂层开始表现出轻微粉化。

试验#8涉及使用标准碱性清洗剂清洗5XXX系列铝基底，用无铬化学溶液预处理基底，并使用与试验#7中相同的可辐射固化涂层涂覆该基底，涂层厚度为约17.8μm(0.0007in)。如同前述的试验，使用线绕拉杆向铝基底上施用涂层，并使用紫外线辐射进行固化。与试验6和7相似，试验#8中的可辐射固化涂层在暴露于紫外线辐射/凝结约1104小时之后，开始表现出轻微粉化。

在试验1和5中，铝基底涂覆有目前用于工业中的丙烯酸溶剂基涂层。对常规的溶剂和水基涂层，例如试验1和5中使用的涂层，进行热固化，并因此影响了涂覆金属产品的生产速率，因为生产线速度(即处理速度)最终受必须将金属基底加热到涂层的固化温度的限制。典型地，金属的规格越大，需要越慢地运行产品以允许金属具有足够的时间达到涂层的固化温度。然而，使用可辐射固化涂层，无需加热金属，因为通过辐射涂层几乎瞬间固化。因此通过使用可辐射固化涂层，处理速度不再受金属规格的限制。

已经描述了目前优选的实施方案，应当理解的是，可以在附属权利要求的范围内以另外方式实施本发明。

Claims (32)

1.涂覆有可辐射固化的液态涂层的金属制品，包括：

表现出对气候和紫外线暴露的抵抗性的透明或具有颜色的可辐射固化涂层，所述涂层包含大于约95重量％的固体；且

所述涂层被施用在所述金属制品上方。

2.根据权利要求1的金属制品，其中所述金属制品由铝合金制成。

3.根据权利要求2的金属制品，其中所述铝合金选自1XXX、2XXX、3XXX、5XXX、6XXX、7XXX和8XXX系列铝合金。

4.根据权利要求2的金属制品，其中所述铝合金选自1XX.X、2XX.X、3XX.X、4XX.X、5XX.X、7XX.X和8XX.X系列铝合金。

5.根据权利要求2的金属制品，其中对所述铝合金进行清洗。

6.根据权利要求1的金属制品，其中用铬或无铬的转化涂层对所述金属制品进行预处理或通过磷酸阳极氧化进行预处理以形成氧化物层，所述转化涂层或所述氧化物层与所述金属制品的表面邻近。

7.根据权利要求6的金属制品，其中所述涂层与所述转化涂层或所述氧化物层邻近。

8.根据权利要求6的金属制品，其中底层与所述转化涂层或所述氧化物层邻近，且所述涂层与所述底层邻近。

9.根据权利要求1的金属制品，其中所述涂层与所述金属制品的表面邻近。

10.根据权利要求1的金属制品，其中所述底层与所述金属制品的表面邻近，且所述涂层与所述底层邻近。

11.根据权利要求1的金属制品，其中通过喷涂、辊涂、狭缝涂覆、幕涂或浸涂方法施用所述涂层。

12.根据权利要求1的金属制品，其中所述涂层具有约2.54μm(0.0001in)至约63.5μm(0.0025in)的厚度。

13.根据权利要求1的金属制品，其中使用紫外光或电子束能量固化所述涂层。

14.根据权利要求1的金属制品，其中所述金属制品是铸造、挤压、锻造或轧制的。

15.根据权利要求1的金属制品，其中所述可辐射固化涂层包含聚酯、聚氨酯、环氧、丙烯酸或硅氧烷型树脂。

16.根据权利要求1的金属制品，其中所述金属制品是铸造的车轮、挤压的地板、挤压的窗框、锻造的车轮或轧制的薄板。

17.根据权利要求16的金属制品，其中所述的轧制薄板是用于卡车、马车和自动拖车中的拖车板。

18.制造涂覆有可辐射固化的液态涂层的金属制品的方法，该涂层表现出对气候和紫外线暴露的抵抗性，该方法包括：

提供金属制品；

用透明或具有颜色的可辐射固化涂层涂覆所述金属制品，该可辐射固化涂层包含大于约95重量％的固体；和

用选自紫外光或电子束能量的辐射固化所述涂层。

19.根据权利要求18的制造金属制品的方法，其中通过喷涂、辊涂、狭缝涂覆、幕涂或浸涂方法对所述金属涂覆所述可辐射固化涂层。

20.根据权利要求18的制造金属制品的方法，其中对所述金属涂覆所述可辐射固化涂层直到所述可辐射固化涂层具有约2.54μm(0.0001in)至约63.5μm(0.0025in)的厚度。

21.根据权利要求18的制造金属制品的方法，其中提供由铝合金制成的金属制品。

22.根据权利要求21的制造金属制品的方法，其中提供由选自1XXX、2XXX、3XXX、5XXX、6XXX、7XXX和8XXX系列铝合金制成的铝制品。

23.根据权利要求21的制造金属制品的方法，其中提供由选自1XX.X、2XX.X、3XX.X、4XX.X、5XX.X、7XX.X和8XX.X系列铝合金制成的铝制品。

24.根据权利要求21的制造金属制品的方法，其中在对所述金属制品涂覆所述可辐射固化涂层之前，清洗所述铝合金制品。

25.根据权利要求18的制造金属制品的方法，其中用铬或无铬的转化涂层预处理所述金属制品，或通过磷酸阳极氧化预处理所述清洗过的合金以形成氧化物层，所述转化涂层或所述氧化物层与所述金属制品的表面邻近。

26.根据权利要求25的制造金属制品的方法，其中向所述转化涂层或所述氧化物层上施用所述涂层。

27.根据权利要求25的制造金属制品的方法，其中向所述转化涂层或所述氧化物层上施用底层，向所述底层上施用所述涂层。

28.根据权利要求18的制造金属制品的方法，其中向所述金属制品的表面上施用底层，向所述底层上施用所述涂层。

29.根据权利要求18的制造金属制品的方法，其中向所述金属制品的表面上施用所述涂层。

30.根据权利要求18的制造金属制品的方法，其中对所述金属制品涂覆可辐射固化涂层，该可辐射固化涂层包含聚酯、聚氨酯、环氧、丙烯酸或硅氧烷型树脂。

31.根据权利要求18的制造金属制品的方法，其中提供的金属制品是铸造的车轮、挤压的地板、挤压的窗框、锻造的车轮或轧制的薄板。

32.根据权利要求31的制造金属制品的方法，其中提供用作卡车、马和自动拖车中的拖车板的轧制薄板。

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