CN1890088A - 对环境影响小的预涂金属板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有优异的涂料附着性和小的环境影响的涂覆金属板。该涂覆金属板至少包含在主要由锌－铝构成的金属板或镀覆的金属板表面上依次形成的涂层和有机树脂层。涂层主要由金属氧化物和/或金属氢氧化物构成，其中不使用铬作为金属种类。

Description

对环境影响小的预涂金属板
技术领域
本发明涉及使用主要含锌和铝的金属板或镀覆的金属板作基材的预涂金属板。更具体地，本发明涉及具有优异的涂料附着性、由于不含六价铬(其被认为对环境具有大的影响)而对全球环境友好并适合用于汽车、建筑材料和家庭用具的预涂金属板。
背景技术
为了提高设计性能和耐腐蚀性，对许多用于家庭用具、建筑材料和汽车的金属板进行预涂。对于这种金属板，在许多情况下采用被称作铬酸盐处理的化学转化处理作为对涂层的预处理，因为铬酸盐处理过的薄膜由于薄膜中所含的六价铬的自我修复功能而表现出优异的耐腐蚀性，并由于含六价铬的水合氧化物而表现出优异的涂料附着性。
然而，随着近来对全球环境关注度的提高，要求抑制六价铬的洗脱并在可能的情况下不使用铬酸盐处理。
在这种背景下，在JP 5-230666A中论述了通过有机树脂与铬酸盐的化合获得的被称作树脂铬酸盐化的技术。通过该技术，可以降低六价铬的洗脱，但不能完全防止。
另一方面，最近已经开发出性能与铬酸盐处理相当的各种无铬酸盐处理。其典型例子是用有机树脂覆盖金属表面的技术，该有机树脂具有形成螯合物的能力，以增强覆盖膜与金属表面之间的结合力。例如，JP 11-29724A公开了一种无铬酸盐处理，它使用含有含硫代羰基的化合物和磷酸根离子并进一步含有水分散性二氧化硅的水性树脂。然而，在进行剧烈加工的用途中，涂料附着性未必令人满意。
如上所述，还没有开发出具有高水平涂料附着性的无铬酸盐处理，并且需要快速开发。
发明内容
在这些情况下产生了本发明，并且本发明的目的是提供一种具有优异的涂料附着性、无六价铬并对环境影响极小的预涂金属板。
为了解决上述问题，本发明人进行了广泛的研究，发现当在主要含锌和铝的金属板或镀覆的金属板的至少一个表面上具有主要含金属氧化物和/或金属氢氧化物(它们各自使用铬以外的金属种类)的涂层时，预涂金属板表现出与铬酸盐处理过的金属板相同的涂料附着性，此外，当覆盖层的覆盖度为50至低于100％时，涂料附着性等于或高于铬酸盐处理过的金属板。基于这些发现完成本发明。
也就是说，本发明的要点如下。
(1)一种包含金属板或镀覆的金属板的预涂金属板，在该金属板或镀覆的金属板的至少一个表面上至少叠置有涂层和有机树脂层，金属板或镀覆的金属板主要含锌和铝，且涂层主要含各自使用铬以外的金属种类的金属氧化物和/或金属氢氧化物。
(2)如(1)所述的预涂金属板，其中涂层的平均膜厚为5微米或更低，且有机树脂层的膜厚为1微米或更高。
(3)如(1)所述的预涂金属板，其在主要含锌和铝的金属板或镀覆的金属板的两个表面上含有涂层，涂层的平均膜厚为5微米或更低并主要含各自使用铬以外的金属种类的金属氧化物和/或金属氢氧化物，并且该预涂金属板在至少一个表面上含有1微米或更厚的有机树脂层作为表面层。
(4)如(1)至(3)任一项所述的预涂金属板，其中涂层覆盖度为50％至低于100％。
(5)如(1)至(4)任一项所述的预涂金属板，其中涂层以岛状沉积。
(6)如(1)至(5)任一项所述的预涂金属板，其中在涂层厚度方向上存在裂纹。
(7)如(1)至(6)任一项所述的预涂金属板，其中金属氧化物和/或金属氢氧化物的金属种类是一种或多种选自锆、钛和硅的元素。
(8)如(1)至(7)任一项所述的预涂金属板，其中金属氧化物和/或金属氢氧化物的金属种类是钛。
按照本发明，可以在不用含六价铬的铬酸盐进行铬酸盐处理的情况下，提供具有优异的涂料附着性并对环境影响极小的预涂金属板。
本发明的最佳实施方式
现在详细描述本发明。
用于本发明的主要含锌和铝的金属板或镀覆的金属板在其至少一个表面上含有各自使用铬以外的金属种类的金属氧化物和/或金属氢氧化物。
经过深入的研究，本发明人已经发现，当在主要含锌和铝的金属板或镀覆的金属板的表面上存在主要含金属氧化物和/或金属氢氧化物的涂层时，与完全不进行这种处理的情况相比，提高了涂料附着性。其机理尚未清楚地了解，但认为这是由于金属氧化物或金属氢氧化物与涂在其上的有机树脂形成强化学结合，而这提高了涂料附着性。
主要含金属氧化物和/或金属氢氧化物的覆盖层的平均厚度优选为5微米或更低。如果平均厚度超过5微米，涂料附着性达到饱和，并且这是无益的，或者根据情况，性能会降低。对于平均厚度的下限，即使一些部分未被覆盖，但如果被覆部分被至少一层单分子层覆盖，那就足够了。
叠置在涂层上的有机树脂层的厚度优选为1微米或更高。如果厚度低于1微米，覆盖度有时不足。对其上限没有特别限制，但是如果厚度超过1厘米，有机树脂层可能无法表现出令人满意的作用，等等。
此外，可以在主要含锌和铝的金属板或镀覆的金属板的两个表面上都提供主要含金属氧化物和/或金属氢氧化物的涂层，然后可以在至少一个表面上叠置有机树脂层。可以根据用途适当地选择涂覆构造。
此外，已经发现，当主要含金属氧化物和/或金属氢氧化物的涂层的覆盖度为50至低于100％时，更加提高了涂料附着性，并且等于或大于铬酸盐处理的情况。其机理同样未清楚了解，但是与所谓锚效果类似的活性被认为提高了涂料附着性。此处所用的覆盖度是指覆盖层面积与主要含锌和铝的金属板或镀覆的金属板表面积的比率。客观状况的例子包括下列情况：涂层以岛状沉积，如用少量膜材料处理时常见的那样；尽管使用足量的膜材料，但是在涂层沉积中存在到达基材的裂纹；和在岛状沉积部分存在裂纹。如果覆盖度低于50％，化学结合产生的作用不足。
在本发明的金属板上形成的金属氧化物或金属氢氧化物的金属种类不受特别限制，但是其例子包括铁、镁、铌、钽、铝、镍、钴、钛、锆和硅。这种覆盖层可以由一种金属种类构成，或可以是两种或多种金属种类的复合材料、混合物或层压材料。在这些金属中，优选钛、锆和硅。这被认为是由于钛、锆或硅的氧化物或氢氧化物与有机材料形成良好的结合。特别地，钛被认为形成最好的结合。
在金属板上形成金属氧化物和/或金属氢氧化物的方法不受特别限制，并且可以使用通常已知的方法。其例子包括液相法，例如使用氟化物离子(例如金属的氟基-络合离子)的液相沉积法，或溶胶-凝胶法，和干法，例如溅射或CVD。
控制在金属板表面上形成的金属氧化物或金属氢氧化物的覆盖度或形成裂纹的方法不受特别限制，但是其例子包括，例如，用砂纸等的机械打磨、热冲击(例如骤冷)和用酸性水溶液、碱性水溶液或含氟化物离子的水溶液进行的化学蚀刻。当然，根据成膜法或成膜条件，裂纹可以自然形成。
对本发明中可用的金属板或镀覆的金属板的例子没有特别限制，只要其主要含锌和铝即可，但是其例子包括JIS 7000系列(Al-Zn型)、镀Zn-Al合金的钢板、镀Zn-Al-Mg合金的钢板、镀Zn-Al-Mg-Si合金的钢板和镀Al-Zn-Si合金的钢板。
对形成本发明预涂金属板的有机树脂的涂料没有特别限制，并且可以照其原样使用常用于预涂金属板的涂料。关于树脂，可以根据用途使用通常已知的树脂。更具体地，其例子包括下述树脂：其中树脂组分(例如基于高分子聚酯的树脂、基于聚酯的树脂、基于丙烯酰基的树脂、基于环氧的树脂、基于氨基甲酸乙酯的树脂、基于氟的树脂、基于硅聚酯的树脂、基于氯乙烯的树脂、基于聚烯烃的树脂、基于丁缩醛的树脂、基于聚碳酸酯的树脂、基于酚的树脂或它们的改性树脂)通过交联剂组分(例如丁醇改性三聚氰胺、甲基化三聚氰胺、丁基甲基混合的三聚氰胺、尿素树脂、异氰酸酯或它们的混合物)交联的树脂，并且还包括电子束固化型树脂和紫外线固化型树脂。本发明预涂金属板的涂料可以含有着色颜料或染料或光泽调节剂(例如二氧化硅)，并且如果需要，还可以含有表面光滑剂、紫外线吸收剂、基于受阻胺的光稳定剂、粘度调节剂、固化催化剂、颜料分散剂、颜料沉淀抑制剂、色分离抑制剂等。当然，涂层可以包括两层或多层。底涂层可以含有防锈颜料。关于防锈颜料，可以使用已知防锈颜料，并且可用防锈颜料的例子包括基于磷酸的防锈颜料，例如磷酸锌、磷酸铁、磷酸铝和磷酸锌；基于钼酸的防锈颜料，例如钼酸钙、钼酸铝和钼酸钡；基于钒的防锈颜料，例如氧化钒；基于硅酸盐颜料，例如硅酸钙；基于铬酸盐的防锈颜料，例如铬酸锶、铬酸锌、铬酸钙、铬酸钾和铬酸钡；细粒状二氧化硅，例如水分散的二氧化硅和火成二氧化硅；和铁合金，例如硅铁合金。这些可以单独使用或多种混合使用。此外，还可以添加炭黑粉末等。然而，为了降低对环境的影响，优选避免使用基于铬酸盐的防锈颜料。
实施例
现在将参照实施例更详细地描述本发明，但是本发明并不限于这些实施例。
所用金属板是热浸55％Al-43.4％Zn-1.6％Si合金镀覆的钢板(两个表面上的镀层覆盖度：150克/平方米)、Zn-11％Al-3％Mg-0.2Si合金镀覆的钢板(两个表面上的镀层覆盖度：120克/平方米)和铝合金板(7001(Al-Zn-Mg型))。这些金属板都具有0.8毫米的厚度。对每一金属板样品进行碱脱脂处理(用“SURFCLEANER 155”，Nippon Paint Co.，Ltd.制造)，然后进行实验。
为了对金属板提供金属氧化物或金属氢氧化物，使用液相沉积法或溅射法。
在液相沉积法中使用的处理溶液是下列六氟络盐水溶液，主要使用氟化铵且如果需要进一步使用氢氟酸或氨水对其进行调节，使得金属与全部氟的摩尔比为大约1∶7，且pH值为大约3。也就是说，这些是0.1摩尔/升六氟硅酸铵水溶液、0.1摩尔/升六氟钛酸铵水溶液、0.1摩尔/升六氟锆酸铵水溶液、0.05摩尔/升六氟钛酸铵水溶液与0.05摩尔/升六氟硅酸铵水溶液的混合水溶液(混合溶液A)、0.05摩尔/升六氟钛酸铵水溶液与0.05摩尔/升六氟锆酸铵水溶液的混合水溶液(混合溶液B)、0.05摩尔/升六氟锆酸铵水溶液与0.05摩尔/升六氟硅酸铵水溶液的混合水溶液(混合溶液C)、0.03摩尔/升六氟钛酸铵水溶液与0.03摩尔/升六氟硅酸铵水溶液及0.03摩尔/升六氟锆酸铵水溶液的混合水溶液(混合溶液D)。将各金属板在脱脂后浸在处理溶液中并在下列条件下处理以形成金属氧化物或金属氢氧化物膜。
(a)通过简单浸渍形成金属氧化物或金属氢氧化物膜
成膜在室温下进行1至10分钟，并在成膜后，用水洗涤金属板并干燥。
(b)使用铂作为对电极通过阴极电解形成金属氧化物或金属氢氧化物膜
通过将电流密度控制在100毫安/平方厘米，成膜在室温下进行1至10分钟，在成膜后，用水洗涤金属板并干燥。
在溅射法中，使用Si、Ti或Zr作靶在基材金属板上形成金属氧化物膜。
通过X-射线光电能谱法和红外线光谱法对通过液相法或溅射法形成的各膜进行分析，以确定金属氧化物或金属氢氧化物的生成。此外，如下测定形成的膜的覆盖度。通过扫描电子显微镜以10,000倍的放大率观察膜，通过图像处理区分基材金属和薄膜之后，测定薄膜比率。该操作在5个位置进行，并使用其平均值作为覆盖度。
为了比较，在金属板上涂布涂料型铬酸盐处理剂(含树脂型)，以产生20毫克/平方米的铬酸盐覆盖度，然后干燥。
在其上形成有金属氧化物或金属氢氧化物膜的各金属板、铬酸盐处理过的金属板和未处理的金属板上，涂布基于高分子聚酯的涂料(NSC200HQ，Nippon Fine Coatings K.K.制造)以产生15微米的干燥膜厚，由此产生预涂金属板。
在下列条件下评测这些预涂金属板的涂料附着性。
将通过上述方法制成的预涂金属板在沸水中浸泡60分钟。此后，按照JIS K5400中描述的横切测试法在其上形成横切纹，并进一步进行Erichsen法，产生7毫米的Erichsen值。将压敏胶带(Nichiban Co.，Ltd.制造的玻璃纸)压在处理过的部分上，然后朝45°的斜向拉，将其迅速剥离，并计算100个横切纹中剥落的横切纹数量。根据剥落程度以7个等级评定附着性。涂料附着性的得分如下。
得分：
7：无剥落。
6：剥落面积比率小于5％。
5：剥落面积比率为5％至小于10％。
4：剥落面积比率为10％至小于20％。
3：剥落面积比率为20％至小于50％。
2：剥落面积比率为50％至小于70％。
1：剥落面积比率为70％或更高。
所得结果列在表1至3中。
表1：55％Al-43.4％Zn-1.6％Si合金电镀钢板的基材金属板例子
  编号   处理溶液(液相法)或靶(溅射法)   处理方法   覆盖度，％   涂层状态   膜厚，微米   附着性   备注
  1   六氟硅酸铵   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  2   六氟硅酸铵   阴极电解   100   -   5   5   发明
  3   六氟钛酸铵   简单浸渍   40   岛状   3   3   发明
  4   六氟钛酸铵   简单浸渍   50   岛状   3.3   6   发明
  5   六氟钛酸铵   简单浸渍   60   岛状，裂纹   3.6   6   发明
  6   六氟钛酸铵   简单浸渍   70   岛状，裂纹   4   6   发明
  7   六氟钛酸铵   简单浸渍   80   裂纹   4.3   6   发明
  8   六氟钛酸铵   简单浸渍   90   裂纹   4.6   6   发明
  9   六氟钛酸铵   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  10   六氟钛酸铵   阴极电解   100   -   5   5   发明
  11   六氟锆酸铵   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  12   六氟锆酸铵   阴极电解   100   -   5   5   发明
  13   混合溶液A   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  14   混合溶液A   阴极电解   40   岛状   3   3   发明
  15   混合溶液A   阴极电解   50   岛状   3.3   5   发明
  16   混合溶液A   阴极电解   60   岛状，裂纹   3.6   5   发明
  17   混合溶液A   阴极电解   70   岛状，裂纹   4   6   发明
  18   混合溶液A   阴极电解   80   裂纹   4.3   6   发明
  19   混合溶液A   阴极电解   90   裂纹   4.6   5   发明
  20   混合溶液A   阴极电解   100   -   5   5   发明
  21   混合溶液B   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  22   混合溶液B   阴极电解   100   -   5   5   发明
  23   混合溶液C   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  24   混合溶液C   阴极电解   100   -   5   5   发明
  25   混合溶液D   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  26   混合溶液D   阴极电解   100   -   5   5   发明
  27   Si   溅射→抛光1)   80   裂纹   4.3   6   发明
  28   Si   溅射   100   -   5   5   发明
  29   Ti   溅射→抛光1)   80   裂纹   4.3   6   发明
  30   Ti   溅射   100   -   5   5   发明
  31   Zr   溅射→抛光1)   80   裂纹   4.3   6   发明
  32   Zr   溅射   100   -   5   5   发明
  33   铬酸盐处理剂   涂布   -   -   -   5   对比
  34   未处理   -   -   -   -   1   对比
1)溅射并然后用金刚石糊抛光，由此形成薄膜。
表2：Zn-11％Al-3％Mg-0.2％Si合金电镀钢板的基材金属板例子
  编号   处理溶液(液相法)或靶(溅射法)   处理方法   覆盖度，％   涂层状态   薄膜厚度，微米   粘合   备注
  35   六氟硅酸铵   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  36   六氟硅酸铵   阴极电解   100   -   5   5   发明
  37   六氟钛酸铵   简单浸渍   40   岛状   3   3   发明
  38   六氟钛酸铵   简单浸渍   50   岛状   3.3   6   发明
  39   六氟钛酸铵   简单浸渍   60   岛状，裂纹   3.6   6   发明
  40   六氟钛酸铵   简单浸渍   70   岛状，裂纹   4   6   发明
  41   六氟钛酸铵   简单浸渍   80   裂纹   4.3   6   发明
  42   六氟钛酸铵   简单浸渍   90   裂纹   4.6   6   发明
  43   六氟钛酸铵   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  44   六氟钛酸铵   阴极电解   100   -   5   5   发明
  45   六氟锆酸铵   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  46   六氟锆酸铵   阴极电解   100   -   5   5   发明
  47   混合溶液A   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  48   混合溶液A   阴极电解   40   岛状   3   3   发明
  49   混合溶液A   阴极电解   50   岛状   3.3   5   发明
  50   混合溶液A   阴极电解   60   岛状，裂纹   3.6   5   发明
  51   混合溶液A   阴极电解   70   岛状，裂纹   4   6   发明
  52   混合溶液A   阴极电解   80   裂纹   4.3   6   发明
  53   混合溶液A   阴极电解   90   裂纹   4.6   5   发明
  54   混合溶液A   阴极电解   100   -   5   5   发明
  55   混合溶液B   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  56   混合溶液B   阴极电解   100   -   5   5   发明
  57   混合溶液C   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  58   混合溶液C   阴极电解   100   -   5   5   发明
  59   混合溶液D   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  60   混合溶液D   阴极电解   100   -   5   5   发明
  61   Si   溅射→抛光1)   80   裂纹   4.3   6   发明
  62   Si   溅射   100   -   5   5   发明
  63   Ti   溅射→抛光1)   80   裂纹   4.3   6   发明
  64   Ti   溅射   100   -   5   5   发明
  65   Zr   溅射→抛光1)   80   裂纹   4.3   6   发明
  66   Zr   溅射   100   -   5   5   发明
  67   铬酸盐处理剂   涂布   -   -   -   5   对比
  68   未处理   -   -   -   -   1   对比
1)溅射并然后用金刚石糊抛光，由此形成薄膜。
表3：铝合金(7001(Al-Zn-Mg))的基材金属板的例子
  编号   处理溶液(液相法)或靶(溅射法)   处理方法   覆盖度，％   涂层状态   薄膜厚度，微米   粘合   备注
  69   六氟硅酸铵   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  70   六氟硅酸铵   阴极电解   100   -   5   5   发明
  71   六氟钛酸铵   简单浸渍   40   岛状   3   3   发明
  72   六氟钛酸铵   简单浸渍   50   岛状   3.3   6   发明
  73   六氟钛酸铵   简单浸渍   60   岛状，裂纹   3.6   6   发明
  74   六氟钛酸铵   简单浸渍   70   岛状，裂纹   4   6   发明
  75   六氟钛酸铵   简单浸渍   80   裂纹   4.3   6   发明
  76   六氟钛酸铵   简单浸渍   90   裂纹   4.6   6   发明
  77   六氟钛酸铵   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  78   六氟钛酸铵   阴极电解   100   -   5   5   发明
  79   六氟锆酸铵   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  80   六氟锆酸铵   阴极电解   100   -   5   5   发明
  81   混合溶液A   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  82   混合溶液A   阴极电解   40   岛状   3   3   发明
  83   混合溶液A   阴极电解   50   岛状   3.3   5   发明
  84   混合溶液A   阴极电解   60   岛状，裂纹   3.6   5   发明
  85   混合溶液A   阴极电解   70   岛状，裂纹   4   6   发明
  86   混合溶液A   阴极电解   80   裂纹   4.3   6   发明
  87   混合溶液A   阴极电解   90   裂纹   4.6   5   发明
  88   混合溶液A   阴极电解   100   -   5   5   发明
  89   混合溶液B   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  90   混合溶液B   阴极电解   100   -   5   5   发明
  91   混合溶液C   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  92   混合溶液C   阴极电解   100   -   5   5   发明
  93   混合溶液D   简单浸渍   100   -   5   5   发明
  94   混合溶液D   阴极电解   100   -   5   5   发明
  95   Si   溅射→抛光1)   80   裂纹   4.3   6   发明
  96   Si   溅射   100   -   5   5   发明
  97   Ti   溅射→抛光1)   80   裂纹   4.3   6   发明
  98   Ti   溅射   100   -   5   5   发明
  99   Zr   溅射→抛光1)   80   裂纹   4.3   6   发明
  100   Zr   溅射   100   -   5   5   发明
  101   铬酸盐处理剂   涂布   -   -   -   5   对比
  102   未处理   -   -   -   -   1   对比
1)溅射并然后用金刚石糊抛光，由此形成薄膜。
在所有情况下，本发明的预涂金属板与未处理的金属板相比表现出优异的附着性，并经证实具有与铬酸盐处理过的板相当的附着性能。此外，本发明的预涂金属板不含六价铬，并因此与铬酸盐处理过的板相比，明显对环境具有极小影响。

Claims (8)

1.一种包含金属板或镀覆的金属板的预涂金属板，在该金属板或镀覆的金属板的至少一个表面上至少叠置有涂层和有机树脂层，金属板或镀覆的金属板主要含锌和铝，且涂层主要含各自使用铬以外的金属种类的金属氧化物和/或金属氢氧化物。
2.如权利要求1所述的预涂金属板，其中所述涂层的平均膜厚为5微米或更低，且所述有机树脂层的膜厚为1微米或更高。
3.如权利要求1所述的预涂金属板，其在主要含锌和铝的金属板或镀覆的金属板的两个表面上含有涂层，涂层的平均膜厚为5微米或更低并主要含各自使用铬以外的金属种类的金属氧化物和/或金属氢氧化物，并且该预涂金属板在至少一个表面上含有1微米或更厚的有机树脂层作为表面层。
4.如权利要求1至3任一项所述的预涂金属板，其中所述涂层的覆盖度为50％至低于100％。
5.如权利要求1至4任一项所述的预涂金属板，其中所述涂层以岛状沉积。
6.如权利要求1至5任一项所述的预涂金属板，其中在所述涂层厚度方向上存在裂纹。
7.如权利要求1至6任一项所述的预涂金属板，其中所述金属氧化物和/或金属氢氧化物的金属种类是一种或多种选自锆、钛和硅的元素。
8.如权利要求1至7任一项所述的预涂金属板，其中所述金属氧化物和/或金属氢氧化物的金属种类是钛。
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