DE4128572A1 - Non-chromated protective coating formulation for metals - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft nichtchromatierte Massen und Ver fahren zur Aufbringung von Schutzfilmen auf die Oberfläche von Metallen, insbesondere von Nicht-Eisenmetallen, wie Alu minium. Diese Metalle werden gegenüber den Korrosionseffek ten von Sprühsalz und dgl. beständig gemacht, indem Acryl polymerfilme auf wasserbasierten Emulsionen aufgebracht werden. Die Massen enthalten eine wäßrige Emulsion eines Acrylpolymeren, einen wasserlöslichen, blockierten Zircon katalysator, ein nichttoxisches, flüchtiges, organisches Lösungsmittel im Gemisch mit Wasser und eine Korrosionsaddi tivkomponente (oder Packung). Nach der Aufbringung des Schutzfilms (oder Überzugs) wird normalerweise ein "Deck überzug" oder ein Anstrich aufgebracht. Aluminiumplatten für Luftfahrzeuge, Teile von Schiffen und viele andere Anwen dungszwecke, bei denen scharfe Korrosionsumgebungen ange troffen werden, sind Beispiele für Produkte, die eine Vorbe handlung mit Schutzüberzügen vor dem Aufbringen der Farbe bedürfen.The invention relates to non-chromated compounds and Ver drive to apply protective films on the surface of metals, especially non-ferrous metals, such as aluminum minium. These metals are compared to the corrosion effect made of spray salt and the like. Made persistent by acrylic polymer films applied to water-based emulsions become. The compositions contain an aqueous emulsion of a Acrylic polymers, a water-soluble, blocked zircon Catalyst, a non-toxic, volatile, organic Solvent mixed with water and a Korrosionsaddi component (or pack). After the application of the Protective film (or coating) will normally be a "deck Plating "or a coat of paint applied Aircraft, parts of ships and many other users applications where severe corrosion environments are are examples of products that are a Vorbe Treatment with protective coatings before applying the paint require.
Traditionelle Methoden zum Erhalt einer Sprühsalzbeständig keit von nichtgestrichenem Metall, z. B. Aluminiumlegierungen mit hohem Kupfergehalt, ohne daß die Haftung des Decküber zugs beeinträchtigt wird, schließen die Umkehrbeschichtung mit sechswertigen Chromlösungen und die Anwendung von Wash- Primern auf Lösungsmittelbasis, die unlösliche Chromatpig mente und Phosphorsäure enthalten (vgl. z. B. "Encyclopedia of Chemical Technology", Kirk-Othmer, Band 9, S. 14-17 (1952); "Metals Handbook", 9. Auflage, Band 5, S. 597-600 (1982); "Preparation of Metals for Painting", Samuel Spring, S. 94-96 und 142-158 (1965)) ein.Traditional methods for obtaining a spray salt resistant speed of uncoated metal, eg. B. aluminum alloys with high copper content, without the adhesion of Decküber tensile damage, close the reverse coating with hexavalent chromium solutions and the use of wash Solvent based primers containing insoluble chromate glob and phosphoric acid (see, for example, "Encyclopedia of Chemical Technology, "Kirk-Othmer, vol. 9, pp. 14-17 (1952); "Metals Handbook", 9th Edition, Volume 5, pp. 597-600 (1982); "Preparation of Metals for Painting", Samuel Spring, Pp. 94-96 and 142-158 (1965)).
Stärkere Beschränkungen hinsichtlich schädlicher Abfälle ha ben nunmehr die Verwendung von solchen toxischen Chromsalzen begrenzt. Es besteht daher ein Bedürfnis in der Industrie nach Schutzüberzügen, die es ermöglichen, daß nichtgestri chenes Metall einem 168-stündigen Angriff eines Sprühsalzes bzw. Salzsprays widersteht.Higher restrictions on harmful waste ha ben now the use of such toxic chromium salts limited. There is therefore a need in the industry after protective coatings that allow nichtgestri a 168-hour attack of a spray salt or salt sprays resists.
Durch die Erfindung wird nun eine Masse zum Beschichten der Oberfläche von Metallen, wie Aluminium, mit einem polymeren Schutzfilm zur Verfügung gestellt. Die Masse enthält (a) eine wäßrige Emulsion eines Acrylpolymeren (das wärmehärtend oder thermoplastisch sein kann, obwohl die erstgenannte Mög lichkeit bevorzugt wird) (b) einen wasserlöslichen blockier ten Zirconkatalysator, wie Ammoniumzirconcarbonat oder ein Alkanolaminchelat von Zirconoxid, (c) ein (nichttoxisches) flüchtiges, organisches Lösungsmittelgemisch mit Wasser und (d) ein Korrosionsadditiv, wie 2-Mercaptobenzothiazol ("MBT"), Natrium-2-mercaptobenzothiazol ("SMB"), 2-Mercapto benzimidazol, Natrium-2-mercaptobenzimidazol oder Tolyltria zol. Die Masse kann auch Entschäumer, Einebnungsmittel, pilzhemmende Mittel oder dgl. enthalten.The invention will now be a mass for coating the Surface of metals, such as aluminum, with a polymeric Protective film provided. The mass contains (a) an aqueous emulsion of an acrylic polymer (the thermosetting or thermoplastic, although the former Mög preference is given to) (b) a water-soluble block zirconium catalyst, such as ammonium zirconium carbonate or a Alkanolamine chelate of zirconia, (c) a (non-toxic) Volatile, organic solvent mixture with water and (d) a corrosion additive such as 2-mercaptobenzothiazole ("MBT"), sodium 2-mercaptobenzothiazole ("SMB"), 2-mercapto benzimidazole, sodium 2-mercaptobenzimidazole or tolyltria zol. The mass can also defoamers, leveling agents, antifungal agents or the like. included.
Durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zur Aufbringung eines Schutzüberzugs auf die Metalloberfläche bereitge stellt, bei dem die Oberfläche mit der vorstehend beschrie benen Masse kontaktiert wird. Wenn das Acrylpolymere wärme härtend ist, dann wird das Polymere vorzugsweise gehärtet. Die bevorzugte Aufbringungsmethode ist Eintauchen.The invention also provides a method of application a protective coating bereitge on the metal surface in which the surface is beschrie with the above mass is contacted. When the acrylic polymer warms up curing, then the polymer is preferably cured. The preferred method of application is immersion.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine gute Korrosionsbeständigkeit durch Verwendung einer Kombination von zähen Acrylpolymeren, blockierten, wasserlöslichen Zir conkatalysatoren, nichttoxischen, organischen Lösungsmitteln zusammen mit Wasser und Korrosionsschutzadditiven erzielt werden kann. Die Wasser/Lösungsmittel-Kombination steigert die Filmbildung. Die Zirconkatalysatoren machen die Acryl filme wasserunlöslich und fördern die Haftung des Films an dem Decküberzug. Die Korrosionsbeständigkeit der Metall grenzfläche wird dadurch erhöht, daß man Chromatinhibitoren durch nichttoxische Additive, wie MBT, SMB, 2-Mercaptobenz imidazol, Natrium-2-mercaptobenzimidazol und Tolyltriazol ersetzt.The invention is based on the finding that a good Corrosion resistance by using a combination of tough acrylic polymers, blocked, water soluble zirconia Concatalysts, non-toxic, organic solvents achieved together with water and anti-corrosive additives can be. The water / solvent combination increases the film formation. The zirconium catalysts make the acrylic films insoluble in water and promote the adhesion of the film the topcoat. The corrosion resistance of the metal interface is increased by that Chromatinhibitoren by non-toxic additives, such as MBT, SMB, 2-mercaptobenz imidazole, sodium 2-mercaptobenzimidazole and tolyltriazole replaced.
Die Erfindung ist besonders gut zum Schutz von Nicht-Eisen metallen, wie Aluminium, Zink, Magnesium, Kupfer, Cadmium, Nickel und Titan, geeignet. Sie kann aber auch dazu verwen det werden, um Stahlsubstraten eine gesteigerte Beständig keit gegenüber Rostbildung und eine verbesserte Haftung des Anstrichs zu verleihen. Aluminium und Zink werden bevorzugt, wobei Aluminium ganz besonders bevorzugt wird. Das Alumi nium schließt Reinaluminium und Legierungen davon, bei spielsweise in Form von extrudierten Körpern, Gußkörpern, geschmiedeten Körpern und Sinterlegierungen ein. Eine bevor zugte Legierung ist eine Aluminiumlegierung mit hohem Kupfergehalt, wie 2024T3, die etwa 4 Gew.-% Kupfer enthält.The invention is particularly good for the protection of non-iron metals, such as aluminum, zinc, magnesium, copper, cadmium, Nickel and titanium, suitable. But you can also use it They are used to make steel substrates more resistant against rusting and improved adhesion of the To give paint. Aluminum and zinc are preferred with aluminum being most preferred. The alumi It includes pure aluminum and alloys thereof For example, in the form of extruded bodies, castings, Forged bodies and sintered alloys. One before ferred alloy is a high aluminum alloy Copper content, such as 2024T3, containing about 4% by weight copper.
Die in den wäßrigen Emulsionen enthaltenen Acrylpolymeren haben normalerweise ein Molekulargewicht von bis zu etwa 500 000, vorzugsweise von etwa 100 000 bis 500 000. Der An teil der Emulsion(en) beträgt im allgemeinen etwa 30 bis 90 Gew.-% der Masse, normalerweise etwa 55 bis 70 Gew.-% . An nehmbare Ergebnisse sind z. B. mit Emulsionen erhalten wor den, die etwa 41 bis 47% Acrylpolymeres, 0 bis 2% anio nischen Emulgator, wie Dimethylaminoethanol und 51 bis 58% Wasser enthalten, wobei das Molekulargewicht oberhalb 200 000 liegt und der pH-Wert 7,5 bis 9,9 beträgt. Solche Emulsionen sind im Handel erhältlich, beispielsweise als RHOPLEX AC1803 (wärmehärtend), RHOPLEX AC1561 (wärmehär tend), RHOPLEX WL 91 (thermoplastisch) und RHOPLEX WL 96 (thermoplastisch) , alle Produkte von Rohm und Haas Company. Rhoplex AC1561 ist eine bevorzugte Emulsion, da es bei er höhten Temperaturen wie 150 bis 300°C selbstvernetzend ist, weil das Acrylpolymere Hydroxyfunktionalitäten enthält, die von der Polymerisation von Acrylat mit Hydroxyfunktionali täten und Methacrylatmonomeren herrühren. Derartige Emul sionen ergeben eine Beständigkeit gegenüber Fleckenbildung (oder Entfernung) durch Lösungsmittel, und sie setzen beim Härten kein Formaldehyd frei. Annehmbare Ergebnisse sind auch mit thermoplastischen Acrylemulsionen, aufgebaut aus 35 bis 60% Acryl/Styrol-Copolymeren, 1 bis 4% Ammoniumhydro xid, 40 bis 64% Wasser, 0 bis 3% Polypropylenglykol und 0 bis 3% Octylphenoxy-polyethoxyethanol, erhalten worden, wobei das Molekulargewicht oberhalb 200 000 liegt, und der pH-Wert 8,3 bis 9,0 beträgt. Solche Emulsionen sind im Handel erhältlich, beispielsweise JONCRYL 80, JONCRYL 537 und JONCRYL 554, alle Produkte von Johnson Wax. Wie unten gezeigt werden wird, haben sich auch Kombinationen der ther moplastischen Acrylemulsionen als geeignet erwiesen.The acrylic polymers contained in the aqueous emulsions usually have a molecular weight of up to about 500,000, preferably from about 100,000 to 500,000 part of the emulsion (s) is generally about 30 to 90 Wt .-% of the mass, usually about 55 to 70 wt .-%. to acceptable results are z. B. with emulsions wor those containing about 41 to 47% acrylic polymer, 0 to 2% anio niche emulsifier, such as dimethylaminoethanol and 51 to 58% Water containing the molecular weight above 200,000 and the pH is 7.5 to 9.9. Such Emulsions are commercially available, for example as RHOPLEX AC1803 (thermosetting), RHOPLEX AC1561 (heat resistant tend), RHOPLEX WL 91 (thermoplastic) and RHOPLEX WL 96 (thermoplastic), all products from Rohm and Haas Company. Rhoplex AC1561 is a preferred emulsion because it is useful in the case of high temperatures such as 150 to 300 ° C is self-crosslinking, because the acrylic polymer contains hydroxy functionalities, the from the polymerization of acrylate with hydroxyfunctional and methacrylate monomers. Such emulsions ions give resistance to staining (or removal) by solvent, and they put on Harden no formaldehyde free. Acceptable results are also with thermoplastic acrylic emulsions, built up from 35 to 60% acrylic / styrene copolymers, 1 to 4% ammonium hydro xid, 40 to 64% water, 0 to 3% polypropylene glycol and 0 to 3% octylphenoxy-polyethoxyethanol, wherein the molecular weight is above 200,000, and the pH is 8.3 to 9.0. Such emulsions are in Commercially available, for example, JONCRYL 80, JONCRYL 537 and JONCRYL 554, all Johnson Wax products. As below have shown combinations of ther moplastic acrylic emulsions proved to be suitable.
Blockierte ionogene Vernetzungskatalysatoren, wie Ammonium zirconiumcarbonat ("AZC") oder ein Alkanolaminchelat von Zirconoxid, sind geeignet, daß sie nur dann aktiv werden, wenn der Ammonium- oder Aminteil an der Metalloberfläche verdampft ist. Ohne diese Katalysatoren hergestellte Über züge zeigten eine schlechte Haftung des Decküberzugs. So hat beispielsweise eine wäßrige Lösung von AZC, die das Äqui valent von 20% Zirconoxid enthält, annehmbare Ergebnisse ergeben. Sie ist im Handel als BACOTE 20, Produkt von Magne sium Elektron Inc., erhältlich. Das gleiche gilt für eine alkoholische Lösung von 45 bis 50% 1-Propanol und 55 bis 50% des Alkanolaminchelats von Zirconoxid. Diese Lösung ist im Handel als TYZOR 212, ein Produkt der DuPont Company er hältlich. Die Katalysatorlösung wird in relativ kleinen Mengen, wie etwa 1 bis 5%, normales eise etwa 1,6 bis 4,5%, verwendet. Wenn eine erhöhte Massenstabilität erforderlich ist, z. B. ausgedehnte Zeiträume bei 110°F, dann wird der Chelatkatalysator bevorzugt.Blocked ionogenic crosslinking catalysts, such as ammonium zirconium carbonate ("AZC") or an alkanolamine chelate of Zirconia, are suitable to be active only if the ammonium or amine part on the metal surface has evaporated. Without these catalysts produced over Traces showed poor adhesion of the top coat. So had for example, an aqueous solution of AZC containing the equi valent of 20% zirconia, gives acceptable results result. It is commercially available as BACOTE 20, product of Magne sium Elektron Inc., available. The same goes for one alcoholic solution of 45 to 50% 1-propanol and 55 to 50% of the alkanolamine chelate of zirconium oxide. This solution is commercially available as TYZOR 212, a product of the DuPont Company hältlich. The catalyst solution is in relatively small Amounts, such as about 1 to 5%, usually about 1.6 to 4.5%, used. If an increased mass stability is required, for. B. extended periods at 110 ° F, then For example, the chelate catalyst is preferred.
Es können verschiedene flüchtige, organische Lösungsmittel in Kombination mit Wasser verwendet werden, doch werden die jenigen bevorzugt, die in der Masse Acryllatexteilchen nicht aufquellen, um Viskositätsveränderungen bei der Lagerung oder beim Transport zu verhindern. Propylalkohol, Isopropyl alkohol, Glykolether, wie Diethylenglykolmonoethylether ("DGME") und Ethylenglykolmonopropylether ("EGME"), n-Methylpyrrolidon und Kombinationen davon sind typische be vorzugte Lösungsmittel. Die Lösungsmittel wirken als Ver dicker, da die Teilchen der Acrylemulsion nach Verdampfung des Wassers an der Metalloberfläche zusammenwachsen. Es kann Leitungs- oder entionisiertes Wasser verwendet werden, wobei entionisiertes Wasser besondere bevorzugt wird. Der Anteil der Lösungsmittel beträgt im allgemeinen etwa 3 bis 20% der Masse, typisches eise etwa 6 bis 10%. Der Anteil des Was sers beträgt im allgemeinen etwa 8 bis 55% der Masse, typi scherweise etwa 17 bis 33%.There may be different volatile, organic solvents be used in combination with water, but the those who do not in the mass Acryllatexteilchen swell to viscosity changes during storage or to prevent during transport. Propyl alcohol, isopropyl alcohol, glycol ethers, such as diethylene glycol monoethyl ether ("DGME") and ethylene glycol monopropyl ether ("EGME"), n-methylpyrrolidone and combinations thereof are typical be preferred solvent. The solvents act as Ver thicker, since the particles of the acrylic emulsion after evaporation of water at the metal surface grow together. It can Tap or deionized water are used, wherein Deionized water is particularly preferred. The amount the solvent is generally about 3 to 20% of the Mass, typically about 6 to 10%. The share of what sers is generally about 8 to 55% of the mass, typi about 17 to 33%.
Ein bevorzugtes Korrosionsadditiv umfaßt MBT, Triethanol aminphosphat ("TEP") und ggf. 2,2′-Methylenbis-(4-methyl-6- t-butylphenol) ("MBMT"). SMB, MBT, 2-Mercaptobenzimidazol und Natrium-2-mercaptobenzimidazol hemmen die Kupferkorrosion. TEP chelatiert Kupferionen und andere Legierungselemente in hochfesten Aluminiumlegierungen, und das MBMT-Antioxidanz unterstützt Unschädlichmachen von Sauerstoff während des Aussetzens gegenüber dem Salzspray sowie den Schutz des getrockneten Films von einer UV- Zersetzung. Die Korrosionsadditive werden im allgemeinen in kleineren Mengen, wie etwa 0,3 bis 3,0%, mehr typisch etwa 0,5 bis 1,2%, verwendet.A preferred corrosion additive comprises MBT, triethanol amine phosphate ("TEP") and optionally 2,2'-methylenebis (4-methyl-6- t-butylphenol) ("MBMT"). SMB, MBT, 2-mercaptobenzimidazole and sodium 2-mercaptobenzimidazole inhibit the Copper corrosion. TEP chelates copper ions and others Alloying elements in high strength aluminum alloys, and The MBMT antioxidant helps neutralize Oxygen during exposure to the salt spray and the protection of the dried film from a UV Decomposition. The corrosion additives are generally used in smaller amounts, such as about 0.3 to 3.0%, more typically about 0.5 to 1.2%, used.
Andere Additive, wie Entschäumer, Einebnungsmittel und Schimmelhemmstoffe, können verwendet werden. Polyoxyethylen glykole sind besonders gut geeignet, da sie sowohl als wirk same Entschäumer und als Oberflächenspannungsmodifizierungs mittel wirken, um die Metallbefeuchtung und Oberflä cheneinebnung zu fördern. Das in dem Beispiel verwendete Polyoxyethylenglykol ist PLURONIC L61 von Wyandotte Chemical mit einem ungefähren Molekulargewicht von 2000. Auch n-Octa nol kann als Entschäumer verwendet werden, wenn sein Endge ruch nicht stört. Ein Schimmel- bzw. Fäulnishemmer, wie Methylparahydroxybenzoat (als METHYL-PARASEPT von Kalama Chemical erhältlich) kann gleichfalls gewöhnlich in kleine ren Mengen eingesetzt werden.Other additives, such as defoamers, leveling agents and Mold inhibitors can be used. polyoxyethylene Glycols are particularly well suited as they are both effective same defoamer and as surface tension modification act medium to the metal moistening and Oberflä to promote cheneening. The one used in the example Polyoxyethylene glycol is PLURONIC L61 from Wyandotte Chemical with an approximate molecular weight of 2000. Also n-octa nol can be used as a defoamer if its endge does not bother. A mold or decay inhibitor, like Methylparahydroxybenzoate (as METHYL-PARASEPT from Kalama Chemical available) can also be usually in small quantities are used.
pH-Bereiche der Masse von etwa 7,5 bis 10 werden bevorzugt, um eine vorzeitige Destabilisierung zu verhindern.pH ranges of mass of about 7.5 to 10 are preferred to prevent premature destabilization.
Um eine Schaumbildung zu minimalisieren und eine kolloidale Dispersion des MBT-Korrosionsinhibitors und des MBMT-Anti oxidanz zu bilden, wird es bevorzugt, diese Verbindungen zuerst in der Phase des flüchtigen Lösungsmittels vorzulösen und dann tropfenweise zu der mit Wasser vorverdünnten Acryl emulsion zu geben. To minimize foaming and a colloidal Dispersion of MBT corrosion inhibitor and MBMT anti it is preferred to form these compounds first in the volatile solvent phase and then dropwise to the water prediluted acrylic to give emulsion.
Konzentrate können in der Weise hergestellt werden, daß man einfach den größten Teil des Wassers wegläßt.Concentrates can be prepared in such a way that one just omit most of the water.
Die Aufbringung des Überzugs kann durch Sprühen, Fließbe schichten oder Tauchen geschehen. In den folgenden Bei spielen wurden saubere Metallplatten (2024T3 Aluminium) in die Masse etwa 5 s lang eingetaucht und rasch wieder her ausgenommen. Die Trocknung der Oberfläche erfolgt schnell, und sie wird üblicherweise in weniger als 15 min klebfrei. Die Platten der Beispiele 2 und 6 wurden zweimal einge taucht. Die Platten der Beispiele 1 und 3 wurden etwa eine halbe Stunde bei einer Temperatur von 125 bis 150°C gehär tet. Anstelle des Erhitzens können die Platten auch bei Um gebungstemperaturen etwa zwei Wochen bis ein Monat stehen gelassen werden.The application of the coating can by spraying, Fließbe layers or diving happen. In the following examples were playing clean metal plates (2024T3 aluminum) in immerse the mass for about 5 seconds and quickly recover except. The drying of the surface is fast, and it usually gets tack-free in less than 15 minutes. The plates of Examples 2 and 6 were inserted twice surfaced. The plates of Examples 1 and 3 became about one for half an hour at a temperature of 125 to 150 ° C gehär tet. Instead of heating, the plates can also be used at Um temperatures are about two weeks to a month to be left.
In den folgenden Beispielen sind alle Prozentmengen auf das Gewicht bezogen.In the following examples, all percentages are on the Weight based.
Alle Massen der Beispiele 1 bis 6 ergaben Metallplatten mit Schutzfilmen, die den 168-Stunden-Salzspray-Beständigkeits test (ASTM-B-117-73) bestanden.All compositions of Examples 1 to 6 gave metal plates with Protective films that meet the 168-hour salt spray resistance test (ASTM-B-117-73).
Das Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei 0,5 MBT anstelle von 1,1 SMB verwendet wurde und die Wassermenge von 28, 89 auf 29, 49 erhöht wurde. Die Masse ergab Metallplatten mit Fil men, die den 168-Stunden- und 336-Stunden-Salzsprühtest be standen. Diesen Testerfordernissen wurde auch Genüge getan, als die Platten bei Raumtemperatur etwa zwei Wochen (d. h. bei etwa 20 bis 25°C) gehärtet wurden.Example 1 was repeated using 0.5 MBT instead of 1.1 SMB was used and the amount of water was 28, 89 on 29, 49 was increased. The mass yielded metal plates with fil men who carried out the 168-hour and 336-hour salt spray tests stood. These test requirements have also been met, at room temperature for about two weeks (i.e. at about 20 to 25 ° C) were cured.
Die filmgeschützten Platten können auch mit Decküberzügen durch bekannte, herkömmliche Methoden versehen werden, um ihrem vorgesehen Endverwendungszweck zu entsprechen.The film-protected plates can also be covered with covers be provided by known, conventional methods to their intended end use.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |