DE2252939A1

DE2252939A1 - Verfahren zur herstellung von ueberzuegen auf aluminium

Info

Publication number: DE2252939A1
Application number: DE2252939A
Authority: DE
Inventors: S Reddi Venkata
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-10-29
Filing date: 1972-10-27
Publication date: 1973-05-03
Also published as: US3776783A; FR2160809A1; AU4389572A; CA1008343A; BE790653A; GB1355465A; IT961410B; FR2160809B1

Description

M 03 643 Dr, La/bgr

Michael N. Marosi,

Lob Angelesa California Verfahren zur Herstellung von Überzügen auf Aluminium

Di^e Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Farbüberzügen auf der Oberfläche von Aluminiumprodukten. Diese Überzüge sollen als Schutz gegen Korrosion dienen und der Oberfläche ein vorteilhaftes Aussehen verleihen. Beim Verfahren nach der Erfindung werden die Aluminiumprodukte mit einer Lösung behandelt, die ein Aldehyd und ein Alkali enthält.

Es ist bekannt, daß Schutzoxidüberzüge und verzierende Überzüge auf Aluminium hergestellt werden, indem in Elektrolyten anodisch behandelt wird, die aus wässerigen Lösungen von Schwefelsäure und anderen Säuren bestehen. Solche Verfahren erfordern normalerweise elektrische Energie, manchmal eine kontrollierte und regulierte Kühlung und eine kostspielige elektrische Ausrüstung. In den letzten Jahren wurden einige Überzugs- bzw. Beschichtungsverfahren entwickelt, die keine Kühlung erforderlich machen, bei denen jedoch elektrische Energie und zu viele Kontroll-

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arbeiten immer noch notwendig sind.

Die oben angegebenen Verfahren liefern jedoch keine zufriedenstellenden überzüge oder Beschichtungen, Der Standardtest zur Messung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion wird so durchgeführt, daß die Aluminiumoberfläche bei einer Temperatur von 35°C und bei einer relativen Feuchtigkeit von 95 bis 100 % mit Salzwasser besprüht wird, das einen Salzbehalt von 5 % besitzt. Die Widerstandsfähigkeit bzw. die Lebensdauer des behandelten Aluminiums wird gemessen, in dem die Zeit festgestellt wird, die verstreicht, bis die Oberfläche matt, glanzlos, fleckig wird und später durch das aufgesprühte Salzwasser angefressen wird. Normalerweise wird die Widerstandsfähigkeit der behandelten Aluminiumfläche gemessen als ein Jahr für jede 24-stündige Anwendungsperiode der Salzwasserbesprühung als Zeichen dafür, daß keine Korrosion auftritt. Bei der Durchführung dieses Standardtests zeigten die Aluminiumoberflächenüberzüge, die nach den oben angegebenen Verfahren hergestellt worden waren, eine sehr unterschiedliche Lebensdauer bzw. Widerstandsfestigkeit j die im Bereich von 5 oder weniger Jahren bis zu 10 Jahren lagen. In den meisten bekannten Beschichtungsverfahren werden überzüge hergestellt, die bedeutend kürzer halten als die maximale Periode von 10 Jahren.

Chemisch reines Aluminium hat eine geringe wirtschaftliche Bedeutung, da seine Zugfestigkeit nur bei etwa 492 kg/cm liegt. Werden jedoch beispielsweise nur geringe Mengen an Eisen oder Silizium zugesetzt, dann wird die Zugfestigkeit verdoppelt. Bestimmte Aluminiumlegierungen haben Zugfestigkeiten bis zu 7030 kg/cm . Diese Produkte besitzen ebenfalls eine erhöhte Härte, Leitfähigkeit und eine bessere Bearbeitbarkeit im Vergleich zu reinem Aluminium.

Handelsübliche Formen des Aluminiums und viele seiner vorteil-

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haften Legierungen erfordern ebenfalls natürlich gebildete Aluminiumoxiduberzuge bzw. BeSchichtungen. Jedoch unterliegen diese einer schnelleren Korrosion, die vermutlich auf galvanische Vorgänge innerhalb der Legierungen oder auf den Angriff von korrodierenden Mitteln beruhen, die durch Brüche im überzug eindringen. Daher sind Schutzüberzüge bzw. Schutzbesehichtungen mit wirksameren Eigenschaften notwendig, aus denen die beiden natürlich gebildeten Aluminiumoxide vorhanden sind, um der Aluminiumoberfläche Schutz zu verleihen und das Aussehen derselben zu verbessern.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung von Aluminiumoberflächen zu entwickeln, bei dem in einem chemischen Reduktionsmedium auf der Oberfläche eine Farbe gebildet wird und ein überzug, der eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Verfärbung zeigt. Das Verfahren soll so durchgeführt werden, daß keine elektrische Energie benötigt wird und das Verfahren auch ohne irgendwelche organische Lösungsmittel durchgeführt werden kann.

überraschenderweise konnte festgestellt werden, daß die Behandlung von Aluminiumoberflächen mittels Aldehyden zu besonders vorteilhaften überzügen führt.

Das Verfahren nach der Erfindung, das ein chemisches Behandlungsverfahren mit mehreren Stufen ist, wird in der folgenden Be- . Schreibung im einzelnen erläutert.

In der ersten Stufe des Verfahrens wird das Aluminiummaterial, das aus Aluminiumplatten, Aluminiumextrudierungsteilen und dergleichen bestehen kann, mit einer Reinigungsflüssigkeit behandelt, um auf der Aluminiumoberfläche anhaftende Verunreinigungs-, öl- und Fettschichten zu entfernen. Dazu kann man die Aluminiumteile eintauchen oder in anderer Weise mit der

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Reinigungsflüssigkeit in Kontakt bringen. Die Reinigungsflüssigkeit ist vorzugsweise ein nicht ionisches Detergenz in einer schwachen Lösung, die beispielsweise l/2prozentig bis 20prozentig sein kann. Die Reinigungsflüssigkeit muß durch ihre befeuchtenden und emulgierenden Eigenschaften die Oberfläche des Metalls gründlich reinigen und Fremdkörper entfernen, sowie verhindern, daß diese Fremdkörper wieder auf das im Bad befindliche Metall abgelagert werden. Dadurch soll das Aluminiumprodukt so vorbereitet werden, daß die bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendeten Chemikalien auf den auf der Oberfläche haftenden Oxidfilm einwirken können. Das Reinigungsbad wird vorzugsweise bei Raumtemperatur durchgeführt, es kann jedoch auch bei Temperaturen bis zu 5^⁰C stattfinden, falls dies bei bestimmten Aluminiumgegenständen notwendig ist.

In der nächsten Verfahrensstufe wird das Aluminium in ein Bad aus einer Natriumhydroxidlösung eingetaucht, die vorzugsweise 2 bis 20 Gewichtsprozente Natriumhydroxid enthält. Das Aluminium wird beispielsweise über einen Zeitraum von 1 bis 6 Minuten bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 71⁰C eingetaucht. Bei dieser Behandlung wird die von Natur aus vorhandene und nicht gereinigte Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid zumindest teilweise in Natriumaluminat umgewandelt, das dadurch von der Oberfläche des Aluminiums befreit wird. Falls Verunreinigungen in dem Oberflächenoxid enthalten sind (dies ist meistens der Fall) wird die Aluminiumoberfläche in dieser Verfahrensstufe leicht entfärbt und die Metalloberfläche zeigt normalerweise leichte Ätzeffekte.

In der nächsten Verfahrensstufe wird das Aluminium bzw. der Aluminiumteil in einem Behälter mit kaltem Wasser abgespült. Das saubere Wasser wird bei Raumtemperatur konstant zugeführt. Bei dieser Spülung bzw. Waschung wird das Natriumhydroxid ent-

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fernt und seine weitere Einwirkung auf die Aluminiumoberfläche unterbrochen.

Das Aluminiumprodukt wird dann über einen Zeitraum von 2 bis 10 Minuten bei Raumtemperatur in ein Bad eingetaucht, das sich in einem säurebeständigen Behälter befindet. Dieses Bad besteht auf einer 2 bis 20prozentigen wässerigen Lösung eines Materials, das als Recobright-D bezeichnet wird. Recobright-D wird hergestellt, in dem in Wasser 1 bis 3,5 Teile Natriumdichromat zu 2 bis 6 Teilen Natriumfluorid mit 10 bis 20 Gewichtsteilen Schwefelsäure ausgelöst werden. Dieses Bad wirkt chemisch auf die Oxidationsprodukte ein, die in dem Bad der zweiten Verfahrensstufe freigemacht wurden. Das Produkt dieser Reaktion wird von den Aluminiumprodukten entfernt und löst sich in der sauren Lösung auf.

Das Aluminiumprodukt wird dann mit kaltem Wasser abgespült.

der
Anschließend wird/Aluminiumgegenstand 1 bis 5 Minuten in eine schwach alkalische Lösung eingetaucht, die aus nur etwa 0,5 Üs 1 % Kaliumhydroxid bestehen kann und eine Temperatur von 5^°C bis 66⁰C hat. Dadurch wird frisches Aluminat auf der Oberfläche des Aluminiumgegenstandes erzeugt.

In der nächsten und wesentlichsten Stufe des Verfahrens wird das Aluminiumprodukt in ein Bad eingetaucht, das eine wässerige Lösung einer Aldehydverbindung ist. Die chemische Formel.dieser , Aldehydverbindung ist RCHO, worin R ein Wasserstoff oder, eine andere chemische Gruppe sein kann. Die verwendete Lösung sollte annähernd 0,3 bis 25 Gewichtsprozent der Aldehydverbindung enthalten, wobei der Gehalt je nach der Formel der verwendeten Aldehydverbindung etwas variiert.

Aldehydkonzentrationen von 0,3 bis 25 Gewichtsprozent sind wirk-

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sam, jedoch wird vorzugsweise mit einem Aldehydgehalt von 10 % gearbeitet. Diese Verfahrensstufe wird vorzugsweise bei Raumtemperatur bis zu 66°C durchgeführt. Die chemische Reaktion läuft schneller bei einem alkalischen pH-Wert von weniger als 11 ab.

Aldehyde mit einem niederen Molekulargewicht, wie beispielsweise Formaldehyd, sind wirksamer als Adehyde mit einem höheren Molekulargewicht, wie beispielsweise Propionaldehyd. Vorzugsweise wird ein Aldehyd mit 6 Kohlenstoffatomen im Molekül verwendet.

Das Verfahren nach der Erfindung kann auch in wirksamer Weise mit Aldehyden oder Rohmaterialien durchgeführt werden, die Aldehyde erzeugen, wie beispielsweise Äthylenglykol. Ebenfalls kann ein Salz eines Aldehyds, wie beispielsweise ein Natriumsalz, ein Kaliumsalz oder ein Bariumsalz verwendet werden.

Nachdem sich der Aluminiumgegenstand 5 Minuten bis 1 Stunde in dem Aldehydbad bei 26,7 bis 66°C befunden hat, bildet sich ein extrem dünner und fast monomolekularer Film eines Komplexsalzes auf der Oberfläche des Aluminiums. Der Oberflächenüberzug bzw. die Oberflächenbeschichtung, die durch die Reaktion in dieser Verfahrensstufe erzeugt wird, besteht aus einer chemischen Verbindung mit einer komplexen Natur. Es wird vermutet, daß sich der Überzug aus Al(CHpOH), zusammensetzt, obgleich die exakte Natur der gebildeten Verbindung nicht bekannt ist.

Der Aluminiumgegenstand wird mit kaltem Wasser abgespült, nachdem er aus dem Tank mit Aldehydlösung entfernt worden ist.

Der Aluminiumgegenstand kann dann in einem Oxidationsmittel

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gewaschen werden, das mindestens zwei Sauerstoffatome im Molekül enthält. Diese fakultative Verfahrensstufe wird durchgeführt, falls sich eine graue Farbe auf dem Aluminium aufgrund von Verunreinigungen in dem Aluminium entwickelt.

Der Aluminiumgegenstand mit seiner behandelten Oberfläche wird dann in eine Harzlösung eingetaucht, die beispielsweise aus einem Acrylharz oder einem Melaminharz besteht. Solche Harze werden von Rohm und Haas hergestellt und unter dem Namen Acrysol WS-24 und U-Formite MM-83 vertrieben. Die Harzlösung hat einen pH-Wert von etwa 9 bis etwa 11 und der Aluminiumgegenstand wird über einen Zeitraum von 1 bis 2 Minuten eingetaucht.

Der Aluminiumgegenstand wird dann in einem Ofen bei einer Temperatur zwischen etwa 121⁰G und 2O4°C über einen Zeitraum von etwa 10 bis 20 Minuten gebrannt. Ein Brennen bei 177°C ergibt besonders vorteilhafte Ergebnisse. Durch dieses Brennen wird eine schnelle Härtung des nach dem Verfahren der Erfindung behandelten Aluminiumgegenstandes verursacht.

Ein Zusatz von Eisensalzen und/oder Ammoniumsalzes in der Aldehydbehandlungsstufe ergibt eine Oberfläche von einer dunkleren Farbe. Die Verwendung von Eisen-III-Ammoniumoxalat und Salpetersäure ergibt Eisen-III-Nitrat (Ferri-Nitrat), das auch als Rostinhibitor dient.

Die Aldehydbehandlung wurde in vielen Versuchen mit der folgenden Mischung durchgeführt:

Mischung 1: Wasser 98,5 ecm

Formalin 37 % 1,0 ecm Dimethyläthanol-

amin 0,5 ecm

Der wie oben beschrieben behandelte Aluminiumgegenstand wurde

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dann in der oben angegebenen Lösung bzw. Mischung 20 Minuten lang bei 38⁰C behandelt. Diese Lösung enthält einen Gehalt von 0,37 % Formaldehyd.

Nach dieser Behandlung wurde ein Kunststoffüberzug hergestEl.lt, in dem der Aluminiumgegenstand 2 Minuten lang bei Raumtemperatur in die folgende Lösung eingetaucht wurde:

Acryl-Emulsion 42,50 %

Acrysol WS-24 (35%) 36,70

Dimethyläthanolamin 4,25

Isopropanol 11,70 Methoxymelamin-Harz

MM-83 (80%) 4,85

100,00 % Das Isopropanol dient als Lösungsmittel für das Melaminharz.

Der Aluminiumgegenstand wurde dann 15 Minuten lang bei 149°C gebrannt. Durch die oben geschilderte Verfahrensweise wurde ein besonders vorteilhaft aussehender Bronze-farbiger und sehr widerstandsfähiger überzug auf dem Aluminiumgegenstand gebildet, der nach einer Sprühbehandlung mit Salzwasser über einen Zeitraum von I8OO Stunden keinerlei Beschädigungen aufwies.

Sehr gute Ergebnisse wurden auch bei der Verwendung der folgenden Aldehydmischungen erreicht:

Mischung 2: Wasser 1000 ecm

Polyäthylenglykol 6 ecm

Wasserstoffperoxid 1 ecm

Natriumhydroxid 0,01 ecm

Der Aluminiumgegenstand wurde 20 Minuten Dang bei 63⁰C behandelt und wie bei der Mischung 1 mit einem Kunststoffüberzug versehen.

Mischung 3: Wasser 299 ecm

Bytyraldehyd 1 ecm

Dimethyläthanolamin 3 ecm

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Der Aluminiumgegenstand wurde 30 Minuten lang bei 60⁰C behandelt und dann, wie bei der Mischung 1, mit einem Kunststoffüberzug versehen.

Mischung 4: Wasser 299 ecm

Glutaraldehyd 1 ecm Dimethyläthanolamin 3 ecm

Der Aluminiumgegenstand wurde 50 Minuten lang bei 60^QC behandelt und dann, wie bei Mischung 1, mit einem Kunststoffüberzug versehen.

Der nach dem Verfahren der Erfindung erzeugte überzug besteht aus einem Beschichtungsmaterial, das über einen Zeitraum von 1800 Stunden einer Salzbehandlung Widerstand leistet. Daraus ist zu ersehen, daß der so behandelte Aluminiumgegenstand keine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren· besitzen wird. Das nach dem Verfahren der Erfindung behandelte Aluminium zeigt eine hohe Reflektionskraft, die von großem Vorteil ist, wenn das Aluminium in Heizkörpern und Beleuchtungsvorrichtungen verwendet wird. Die nach dem Verfahren der Erfindung behandelten Aluminiumgegenstände haben eine Oberfläche mit einer sehr vorteilhaften Bronzefarbe. Die erfindungsgemäß hergestellten überzüge bzw. Beschichtungen besitzen eine sehr gute Haltbarkeit.-

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Claims

PATENTANSPRÜCHE :

1. Verfahren zur Herstellung von überzügen auf Aluminiumgegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Schicht eines anhaftenden Materials durch die chemische Einwirkung von Aldehyd auf das Aluminium erzeugt wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aldehyd bis zu 6 Kohlenstoffatomen im Molekül enthält,

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aldehyd Formaldehyd ist.

Jj. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumgegenstand zunächst von Verunreinigungen und Fremdkörpern, die daran heften, gereinigt wird, und das Aluminium dann behandelt wird, um die auf der Oberfläche des Aluminiumgegenstandes anhaftenden Oberflächenoxide freizumachen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aldehydbehandlung in einem alkalischen Medium durchgeführt wird. ,

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsmischung auf 0,37 % Formaldehyd, 0,5 % Dimethyläthanolamin und 99,13 % Wasser besteht.

7. Verfahren zur Herstellung eines Überzugs auf Aluminiumgegenständen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine dünne Schicht eines anhaftenden Materials durch chemische Einwirkung auf das Aluminium erzeugt wird, indem

a) am Aluminium anhaftende Verunreinigungen entfernt werden,

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b) die Oberflächenoxide vom Aluminiumgegenstand durch Behandlung mit Natriumhydroxid freigemacht werden,

c) das Aluminium mit einem Aldehyd in einem alkalischen Medium bei Temperaturen von 26,7°C bis 66⁰C über einen Zeitraum von 5 Minuten bis zu einer Stunde behandelt wird,

d) das Aluminium mit einem Harz behandelt wird,

e) und das Aluminium bei Temperaturen von 121°C bis 2O4°C über einen Zeitraum von 10 bis 20 Minuten gebrannt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß das Aldehyd ein Formaldehyd ist.

9. Aluminiumgegenstand, der zum größten Teil aus Aluminium besteht, gekennzeichnet durch einen überzug auf der Aluminiumoberfläche, der aus einem extrem dünnen Film besteht, dessen Hauptbestandteil ein Material ist, das durch die chemische Reaktion von Aluminium mit einem Aldehyd in einem alkalischen Medium entstanden ist.

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