CN110501263A - 一种镀锡板表面润湿性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镀锡板表面润湿性评价方法，包括配制备用的接触角测试溶液和有机树脂接触溶液；按步骤：1)消除接触角测试溶液中沉淀；2)保持接触角测试溶液湿润和防止滴液时水份蒸发；3)每次液滴打入2μL溶液；4)分析仪冷冻图像，分析接触角；5)平行条件多次试验取均值；6)取多块镀锡板实验，分别测量表面接触角，再同等条件下进行印涂工艺，观察表秒缩孔缺陷程度；7)滴加配制好的有机树脂接触溶液，逐渐加大液滴体积；8)计量对应液滴质量变化；9)测试试样静止多时后，拍照镀锡板表面有机树脂接触液滴照片，分析液滴润湿面积；10)根据数据线性规律，计算斜率；以斜率1100mm²/g为湿润性好坏评判临界值。

Description

一种镀锡板表面润湿性评价方法

技术领域

本发明涉及镀锡钢板表面润湿性控制研究技术领域，特别涉及一种镀锡板表面润湿性评价方法。

背景技术

镀锡板是指表面镀有一薄层金属锡的钢板。镀锡板是将低碳钢轧制成约2mm厚的钢板，经酸洗、冷轧、电解清洗退火、平整、剪边加工，再经清洗、电镀、软熔、钝化处理、涂油后剪切成镀锡板板材成品，镀锡板所用镀锡为高纯锡(Sn>99.8％)。镀锡板是在冷轧低碳薄钢板双面上镀覆纯锡，是一种生产技术复杂、技术性强、制造流程长、质量要求高且制造难度大的产品。镀锡板不仅具有高强度、成型性好、耐蚀性优良、焊接性强、外观亮泽等特点外，还具有良好的印刷着色性，加之镀锡层无毒，因而镀锡板广泛应用于食品工业及制作各种容器、冲压制品、包装材料等非食品工业。影响镀锡板性能的因素较多,如板材的晶粒度、析出物、固溶元素、板厚等。生产过程中,炼钢的化学成分、热轧的加热与卷取温度及连续退火的工艺条件都会对镀锡板的性能产生影响。

在生产镀锡板过程中，带钢经镀锡、软熔以后，形成表面为自由锡层和锡铁合金层。为了提高镀锡板的耐蚀性能，防止镀锡板在贮存或涂料烘烤时锡层氧化发黄，同时提高镀锡板的耐硫化变黑等性能，要对镀锡板进行钝化处理，形成钝化层，即镀锡板表面最外的功能性保护层(相对于钝化膜，油膜不具有防护功能)。但是，镀锡板在应用过程中需要进行内涂外印处理。内涂是为防止内装物与罐内壁发生化学反应，以及微量有害物质对内装物的污染，以维持内装物的新鲜度及原有风味，并使内装物在长时间储藏、运输和销售过程中不影响其食用价值。内涂料应具有良好的耐腐蚀性、附着性、柔韧性、无毒无味，且必须能够承受高频电阻焊接时的热量，以及灌装后121℃高压蒸煮。外印主要是增加镀锡板的耐蚀性、美观、产品的多样化，外涂料不仅同样具有内涂料的功能，而且有底漆料、白涂料、上光涂料之分，以丙烯酸和聚酯树脂为主。这就不可避免的会出现镀锡板表面与有机涂层之间的涂饰性问题。

以宝钢镀锡产品为例，生产能力达到120万t的都引自外部技术，镀锡产品规格均为传统的镀锡产品，镀锡板钝化工艺均采用铬酸盐电解方法。随着生产的运行，在工艺条件未进行任何调整的情况下，用户常反馈镀锡板表面出现缩孔缺陷，给他们带来了极大的不便。然而这种缺陷问题只有在用户应用后才能发现，并且产量较大，给用户和厂家带来了巨大的经济损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以通过对镀锡板表面特性的评价，进而准确有效的发现板材缺陷的镀锡板表面润湿性评价方法。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

润湿是固体界面由固-气界面转变为固-液界面的现象。而润湿性是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性。固体的润湿性用接触角表示，当液滴滴在固体表面时，润湿性不同可出现不同形状。而镀锡板的润湿性程度，我们通过测量液滴在镀锡板上的接触角和接触面积的大小来进行评价。

首先，接触角(contact angle)是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。

参考图1所示，图中示意了该夹角θ，若θ<90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角越小，表示润湿性越好；若θ>90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动。

另一方面，润湿过程与体系的界面张力有关。一滴液体落在水平固体表面上，当达到平衡时，形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏公式(YoungEquation):

γ_SV＝γ_SL+γ_LV×cosθ_e

由它可以预测如下几种润湿情况：

1)当θ＝0，完全润湿；

2)当θ﹤90°，部分润湿或润湿；

3)当θ＝90°，是润湿与否的分界线；

4)当θ﹥90°，不润湿；

5)当θ＝180°，完全不润湿。

本发明主要操作步骤如下：

1)配制接触角测试溶液，向蒸馏水中加入0.1-1g/L鞣酸(C₄H₁₀O₉)、0.1-5g/L没食子酸(C₇H₆O₅·H₂O)和1-5g/L硫酸亚铁(FeSO₄)溶液，生成鞣酸亚铁和没食子酸亚铁，氧化后均变成不溶性的高价铁，即鞣酸铁和没食子酸铁，前者增强耐水性，后者增强黑变性，可使溶液变黑持久不褪色，便于接触角观察。

2)在接触角测试溶液中加稳定剂硝酸铅0.1-5g/L(Pb(NO₃)₂)和1～3g/L的硫酸(H₂SO₄)，消除溶液中的沉淀。

3)为防止溶液在滴液时的水份蒸发，在溶液中加入不易挥发，且有吸水性的丙三醇〔C₃H₅(OH)₃〕5-10ml/L(即测试溶液的丙三醇比例为5-10ml/L)，保持湿润，以便易于软件冷冻图片分析接触角。

4)采用标准注射器，吸取配制好的溶液，滴液时每次液滴打入1.8-2.2μL(优选2μL)。

5)时间1-2s后，采用图形分析仪冷冻图像，利用软件分析接触角。

6)平行条件多次数试验，取平均值，记录数据。

7)从润湿性角度来说，接触角越小，润湿性越好；接触角越大，润湿性越差。

分别取7块不同的镀锡板进行实验，分别测量其表面接触角大小，然后再同等条件下进行印涂工艺，观察其表秒缩孔缺陷程度。当接触角大于90°的镀锡板表面发生缩孔缺陷的概率较大；接触角大小在80°到87°范围的镀锡板发生缩孔缺陷的概率较低。

因此，改变生产工艺将镀锡板表面接触角大小控制在80°到87°范围之间，可减少镀锡板表面缩孔缺陷。

再者，结合通过测定液滴在镀锡板表面的接触面积进一步判断其润湿性。

采用树脂进行润湿面积试验实验步骤如下：

1)配制有机树脂接触溶液，按1:1比例环氧树脂+稀释剂作为润湿材料，其中稀释剂的成分为质量比为3:1～4:1的丙酮(CH₃COCH₃)和苯乙烯(C₈H₈)；

2)采用定体积容器进行滴加，逐渐加大液滴体积，即第一测试点为1滴有机树脂，第二测试点为两滴有机树脂，直至测试7～10测试点；

3)采用精度0.1mg的电子天平计量对应液滴质量变化；

4)将测试试样静止5～7小时后，采用高倍相机拍照镀锡板表面有机树脂接触液滴照片，利用软件分析每个液滴的润湿面积；

5)根据数据的线性规律，计算斜率或每克液滴润湿面积。当斜率大于1100mm²/g时，镀锡板润湿性较好。而当斜率小于1100mm²/g时，镀锡板表面易发生缩孔缺陷。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供的镀锡板表面润湿性评价方法，具有简单、快捷、准确和能够有效预判镀锡板表面特性的优点；

2、该镀锡板表面润湿性检测方法可给厂家和用户降低镀锡板板表面缩孔缺陷发生率，提高了镀锡板产品的合格率。

附图说明

图1为表征润湿性的接触角θ的示意图；

图2是不同镀锡板的接触角冷冻图；

图3是不同镀锡板表面润湿面积对比；图3a-图3d分别示意了不同的镀锡板，其中横坐标为质量，纵坐标为面积；

图4是对于不同镀锡板表面润湿面积的Origin拟合曲线及数据分析；图4a-图4d分别示意了不同的镀锡板的数据，其中横坐标为质量，纵坐标为面积；

图5是镀锡板1TC缩孔缺陷电子显微镜图像；

图6是镀锡板2TC缩孔缺陷电子显微镜图像；

图7是镀锡板7TC缩孔缺陷电子显微镜图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。

取7块不同的镀锡板进行实验，分别测量其表面接触角大小，然后再同等条件下进行印涂工艺，观察其表面缩孔缺陷程度。

(1)配制接触角测试溶液，向蒸馏水中加入0.2g/L鞣酸(C₄H₁₀O₉)、0.4g/L没食子酸(C₇H₆O₅·H₂O)和5g/L硫酸亚铁(FeSO₄)溶液，待反应3min后，生成鞣酸亚铁和没食子酸亚铁，氧化后变成不溶性的高价铁，即鞣酸铁和没食子酸铁。

(2)在接触角测试溶液中加稳定剂0.2g/L(Pb(NO₃)₂)和2g/L的硫酸(H₂SO₄)，消除溶液中的沉淀。

(3)为防止溶液在滴液时的水份蒸发，在溶液中加入不易挥发，且有吸水性的丙三醇〔C₃H₅(OH)₃〕6ml/L，保持湿润，以便易于软件冷冻图片分析接触角。

(4)用50μL的标准取样器吸取溶液，安放在接触角测量仪上，预选取一个整刻度方便实验数据读取。将要测量的镀锡板放在实验台上，确定镀锡板与实验台贴实平整。

(5)打开实验台照明灯，打开接触角分析软件，调节灯的亮度，调整镀锡板使之与实验台平整，调整好实验台位置，准备实验，每次液滴打入2μL，在镀锡板上滴取液滴。

(6)时间2s后，采用图形分析仪冷冻图像，保存图片，同一镀锡板不同位置滴取5个液滴点，存储液滴图片。如图2所示为，为序号为1TC至7TC的7块不同镀锡板的接触角冷冻图。

(7)利用接触角分析软件打开刚保存的5处液滴图片分析接触角然后取平均值，记录数据。其余6块镀锡板也采取同样的实验步骤测量接触角。接触角小于87°的镀锡板表面润湿性较好，即NO.4、NO.5、NO.6镀锡板润湿性较好，不易产生缩孔缺陷。

(8)结合有机树脂测试液滴在镀锡板表面的接触面积来进一步判断其润湿性，在镀锡板旁边放一把直尺作为比例尺，选取8个不同的接触点作为实验对象。

(9)配制有机树脂测试接触液滴，按质量比3:1的丙酮(CH₃COCH₃)和苯乙烯(C₈H₈)配置稀释剂，再按质量比1:1的环氧树脂：稀释剂作为润湿材料。采用定体积容器进行滴加，逐渐加大液滴体积，形成8个测试，应用电子天平记录每个测试点液滴质量变化。

(10)将测试试样静止7小时后，采用高倍相机拍照镀锡板表面有机树脂接触液滴照片，利用软件分析每个液滴的润湿面积；利用软件Image-Pro Plus分析每个液滴的润湿面积，并绘制线性图，参见图3，为不同镀锡板润湿面积对比。

(11)用Origin软件拟合图3中的每条连线，然后分析斜率如图4所示，根据线的斜率判断镀锡板的润湿性。当斜率大于1100mm²/g时，说明镀锡板表面润湿性越好；反之越差，即NO.4、NO.5、NO.6镀锡板润湿性较好，不易产生缩孔缺陷。对比接触角与润湿面积(表1所示)，二者结果一致。

下表1为接触面积和接触角数据对比。

表1：

序号	1TC	2TC	3TC	4TC	5TC	6TC	7TC
								斜率	1009.3475	968.5101	1056.7997	1105.6088	1139.9433	1190.1552	986.63608
截距	52.01385	47.44363	38.82865	27.35808	6.33841	22.13541	46.224
								接触角	97°	113°	87°	86°	85°	80°	101°

(12)对润湿性较差的镀锡板进行印涂工艺，可明显发现涂料不均、板面花斑。采用电子扫描电镜观察镀锡板，可发现明显缩孔缺陷，如图5～图7。

(13)在根据本发明进行检测后，观察湿润性较好的镀锡板印涂宏观形貌，选取润湿性较好的镀锡板进行涂印，会发现镀锡板表面的花斑极少，即缩孔缺陷少，验证了本发明的可行性与准确性。

本发明提供的镀锡板表面润湿性的评价方法，在产品未到达用户手中造成损失之前发现问题并采取处理措施，将不合格产品进行二次处理，把损失降到最低。镀锡产品表面润湿性及控制技术的研究，对拓展镀锡产品规格、提高镀锡产品市场竞争力，具有重要的实际意义。

Claims (10)

1.一种镀锡板表面润湿性评价方法，其特征在于，

分别配制接触角测试溶液和有机树脂接触溶液，备用：

接触角测试溶液的配制：向蒸馏水中加入鞣酸、没食子酸和硫酸亚铁，反应生成鞣酸亚铁和没食子酸亚铁，进一步氧化为鞣酸铁和没食子酸铁；其中，测试溶液中鞣酸的浓度为0.1-1g/L，没食子酸浓度为0.1-5g/L，硫酸亚铁浓度为1-5g/L；

有机树脂接触溶液配制：按质量比为1:1的环氧树脂和稀释剂作为润湿材料，其中稀释剂的成分为质量比为3:1～4:1的丙酮和苯乙烯的混合物；

按如下步骤：

1)消除配制好的接触角测试溶液中的沉淀；

2)按5-10ml/L的加入比例，在接触角测试溶液中加入丙三醇，保持湿润和防止溶液在滴液时的水份蒸发；

3)吸取步骤2)中配制好的溶液，滴液时每次液滴打入1.8-2.2μL；

4)时间1-2s后，采用图形分析仪冷冻图像，分析接触角；

5)平行条件多次数试验，取平均值，记录数据；

6)分别取多块不同的镀锡板进行实验，分别测量其表面接触角大小，然后再同等条件下进行印涂工艺，观察其表秒缩孔缺陷程度；

7)定量滴加配制好的所述有机树脂接触溶液，逐渐加大液滴体积，即第一测试点为1滴有机树脂，第二测试点为两滴有机树脂，直至测试7～10测试点；

8)计量对应液滴质量变化；

9)测试试样静置，采用高倍相机拍照镀锡板表面有机树脂接触液滴照片，分析每个液滴的润湿面积；

10)根据数据的线性规律，计算斜率或每克液滴润湿面积；以斜率1100mm²/g为湿润性好坏的评判临界值。

2.根据权利要求1所述的镀锡板表面润湿性评价方法，其特征在于，步骤1)中通过依次加入稳定剂硝酸铅和硫酸的方式来消除所述接触角测试溶液中的沉淀；其中，测试溶液中硝酸铅浓度为0.1-5g/L，硫酸浓度为1～3g/L。

3.根据权利要求1所述的镀锡板表面润湿性评价方法，其特征在于，步骤3)中采用标准注射器完成所述吸取。

4.根据权利要求1所述的镀锡板表面润湿性评价方法，其特征在于，步骤6)中，以接触角大于90°的镀锡板表面发生缩孔缺陷的概率较大，接触角大小在80°到87°范围的镀锡板发生缩孔缺陷的概率较低的评判原则进行评判。

5.根据权利要求1所述的镀锡板表面润湿性评价方法，其特征在于，步骤8)中，采用精度为0.1mg的电子天平进行所述计量。

6.根据权利要求1所述的镀锡板表面润湿性评价方法，其特征在于，步骤10)中，当斜率大于1100mm²/g时，镀锡板润湿性判定为较好；当斜率小于1100mm²/g时，判定为镀锡板表面易发生缩孔缺陷。

7.根据权利要求1所述的镀锡板表面润湿性评价方法，其特征在于，步骤6)中，分别取7块不同的所述镀锡板进行实验。

8.根据权利要求1所述的镀锡板表面润湿性评价方法，其特征在于，步骤7)中，采用定体积容器滴加配制好的所述有机树脂接触溶液。

9.根据权利要求1所述的镀锡板表面润湿性评价方法，其特征在于，步骤9)中，测试试样静置时间为5～7小时。

10.根据权利要求1所述的镀锡板表面润湿性评价方法，其特征在于，步骤2)中，滴液时每次液滴打入2μL。