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Diese
Erfindung betrifft Dispersionen von Zinkpulver in Wasser und Zinkpulver
enthaltende Farben auf Wasserbasis, die dazu geeignet sind, auf Metallflächen korrosionsverhindernde
und rostverhindernde Schichten auszubilden.
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Ein
Behandlungsmittel auf Wasserbasis, das Zinkpulver und Chromsäure als
seine Hauptbestandteile enthält,
wurde verbreitet als Rostschutz auf metallischen Flächen verwendet.
Dieses Behandlungsmittel enthält
hexavalentes Chrom, das passivierende Wirkung ausübt, welche
es dem Zink ermöglicht, das
andernfalls mit Sicherheit mit dem Wasser im Laufe der Zeit reagiert,
im Wasser als eine beständige
Dispersion über
eine lange Zeitdauer hinweg zu verbleiben. Nachdem ein Film an einem
Eisensubstrat ausgebildet ist, ermöglicht jedoch das hexavalente
Chrom, dass das Zink in einen aktiven Zustand zurück umgewandelt
wird, so dass es eine anti-korrosive
Opferwirkung ausübt.
Das Zink verhindert die Elution von Eisen, da Zink elektrochemisch
anodisch bezüglich
Eisens ist, und es wird schneller eluiert als Eisen. Gleichzeitig
bildet das hexavalente Chrom einen anti-korrosiven Film.
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Da
herkömmliche
Behandlungsmittel hexavalente Chromionen enthalten, die gefährlich sind, sind
negative Effekte auf den menschlichen Körper und Umweltverschmutzung
auf Grund der Elution des Chroms aus den Schutzfilmen schwer bedenklich.
Ferner wurden rechtliche Beschränkungen
in verschiedenen Staaten über
die Verwendung von hexavalentem Chrom selbst in Rostschutzmitteln
für metallische
Flächen
auferlegt. Folglich besteht ein Bedarf an der Zurverfügungstellung
einer chrom-freien Technologie.
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Das
US-Patent Nr. 4,518,726 offenbart eine wässrige Lösung einer Silyl-Gruppe, die
Reyin vom Vinyl-Typ, ein metallisches Pulver, ein Acrylharz, eine zellulitische
Komponente und eine reaktive Silikon-Komponente enthält. Das
metallische Pulver ist in besagter Lösung suspendiert. Als metallisches Pulver,
das gemäß diesem
Patent verwendet wird, werden Aluminiumpulver, Zinkpulver und andere
Metallpulver, die üblicherweise
in Farben auf metallischer Basis verwendet, entweder alleine oder
als Mischung von zwei oder mehr. Als die reaktive Silikon-Komponente,
die gemäß diesem
Patent verwendet wird, können
Silan-Kopplungsmittel, zum Beispiel Gamma-Mercaptopropyltrimethoxysilan verwendet werden.
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Bei
der allgemeinen Tendenz zur Verwendung von Farben auf Wasserbasis,
sollten auch Farben, die Zinkpulver enthalten auf Wasser basieren. Jedoch
wurde, da Zinkpulver mit Wasser in Abwesenheit von Chromsäure reagiert,
der Marktbedarf an einer Dispersion von Zinkpulver in Wasser, die über eine
lange Zeitdauer stabil ist, nicht befriedigt.
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Folglich
sind die Hauptaufgaben der Erfindung, ein Zinkpulver dazu zu bringen,
in Wasser über eine
lange Zeitdauer stabil zu sein, ohne die Verwendung von hexavalentem
Chrom, und eine in Hinblick auf die Umwelt sicherere, Zinkpulver
enthaltende Farbe auf Wasserbasis zur Verfügung zu stellen.
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Ein
wasserlösliches,
ein Zinkpulver enthaltendes Material gemäß der Erfindung weist Zinkpulver
und ein Silan-Kopplungsmittel auf, dessen Moleküle eine Mercapto-Gruppe haben, und
die Zinkpartikel sind durch besagtes Silan-Kopplungsmittel beschichtet.
Das Kopplungsmittel ist in dem Material in einer Menge im Bereich
von 0,1 bis 10 Gew.-% je 100 Gew.-% Zinkpulver vorhanden. Eine Farbe
auf Wasserbasis kann aus einer Wasserdispersion des oben genannten
Materials hergestellt werden.
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Bei
der oben genannten Zusammensetzung bleibt das Zinkpulver über eine
lange Zeitdauer hinweg stabil in Wasser dispergiert, und die Wirkung
der Farbe wird nicht durch die Reaktion von Zinkpulver mit Wasser
oder durch die Erzeugung einer großen Menge an Gas beeinträchtigt.
Ferner werden, da das Silan-Kopplungsmittel keine gefährlichen
Substanzen, wie hexavalentes Chrom oder dergleichen enthält, negative
Auswirkungen auf den menschlichen Körper und die Umwelt wesentlich
verringert.
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Der
Mechanismus, durch welchen das Silan-Kopplungsmittel mit einer Mercapto-Gruppe auf stabile
Weise über
eine lange Zeitdauer hinweg Zinkpulver in Wasser dispergiert, ist
nicht eindeutig bekannt. Jedoch wird angenommen, dass die Mercapto-Gruppe in den Molekülen des
Silan-Kopplungsmittels auf selektive Weise mit dem Zinkpulver verbunden
wird, so dass es die Reaktion von Zinkpulver mit Wasser verhindert.
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Die
stabile Dispergierbarkeit von Zinkpulver in Wasser unter Verwendung
eines das Silan-Kopplungsmittels mit einer Mercapto-Gruppe ermöglicht es,
eine chromfreie, ein Zinkpulver enthaltende Farbe auf Wasserbasis
herzustellen.
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Das
Zinkpulver, das in der Dispersion gemäß der Erfindung verwendet wird,
ist nicht auf einen speziellen Bereich von Partikeldurchmessern
oder Formen beschränkt.
Zum Beispiel können
die Partikel rund, flach, stabförmig
oder eine beliebige andere einer großen Vielfalt von Formen aufweisen.
Einige Formen sind gegenüber
anderen jedoch zu bevorzugen. Zum Beispiel hat das Zinkpulver im
Falle flacher Formen einen ausgezeichneten Beschichtungseffekt bezüglich der
Fläche,
auf die es aufgetragen wird, so dass es ausgezeichnete rostverhindernde
Eigenschaften hat.
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Diese
flach-ausgebildeten Zinkpulverpartikel werden durch ein Entwicklungs-
und Reck-Verfahren unter Verwendung einer Kugelmühle, eines Attritors oder dergleichen
erhalten. Das mittlere Abmessungsverhältnis (Durchschnitt der Längsabmessung dividiert
durch Dicke) beträgt
vorzugsweise 10 oder mehr.
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Beim
Herstellen und Verlängern
des Zinkpulvers wird das damit zusammenhängende Silan-Kopplungsmittel
als ein Schleif-Hilfsmittel auf die Weise verwendet, dass die Zinkoberfläche direkt durch
das Kopplungsmittel beschichtet wird. Zusätzlich können als allgemeines Schleif-Hilfsmittel
gesättigte
Fettsäuren,
wie eine Stearinsäure
oder dergleichen, und ungesättigte
Fettsäuren,
wie Ölsäure oder dergleichen,
verwendet werden.
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Ferner
kann, wenn die Oberfläche
des Zinkpulvers mit dem oben genannten allgemeinen Schleif-Hilfsmittel
beschichtet ist, die Oberfläche durch
das Silan-Kopplungsmittel
in einem Knetverfahren oder dergleichen behandelt werden.
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Dieses
Knetverfahren kann in Anwesenheit eines organischen Lösungsmittels
durchgeführt
werden. Jedoch ist es insbesondere vorteilhaft, ein wasserlösliches
Lösungsmittel
zu verwenden, da eine veredelte Aufschlämmung von dispergiertem Zinkpulver
in einer Farbe auf Wasserbasis entwickelt werden kann, wie sie ist.
Natürlich
kann nach Durchführung
des Knetens unter Verwendung eines nicht wasserlöslichen Lösungsmittels das Lösungsmittel
getrocknet und entfernt werden, und anschließend kann das hergestellte
dispergierte Zinkpulver mit Wasser vermischt werden.
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Geeignete
wasserlösliche
Lösungsmittel schließen Lösungsmittel
der Glykol-Reihe, wie Propylen-Glykol, Ethylen-Glykol und dergleichen,
Lösungsmittel
der Alkohol-Reihe,
wie Ethanol, Isopropanol und dergleichen, und die Reihe von Ethylenglykoläther ein,
die unter der Marke CELLOSOLVE bekannt sind, zum Beispiel Ethylenglykolmonomethyläther (Methyl
CELLOSOLVE) oder Ethylenglykolmonobutyläther (Butyl CELLOSOLVE).
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Wenn
die Moleküle
des in der Erfindung verwendeten Silan-Kopplungsmittels eine Mercapto-Gruppe
enthält,
sind andere reaktive Gruppen und Ersatzgruppen nicht speziell beschränkt. Geeignete Silan-Kopplungsmittel
umfassen Gamma-Mercaptopropyltrimethoxysilan,
Gamma-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan und dergleichen. Zwei oder
mehr Arten von Silan-Kopplungsmittel können im gleichen Zinkpulvermaterial
verwendet werden.
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Die
Menge des dem Zinkpulver zugesetzten Silan-Kopplungsmittels beträgt vorzugsweise
0,1 bis 10 Gew.-% je 100 Gew.-% Zinkpulver. Eine Menge von weniger
als 0,1 Gew.-% des Silan-Kopplungsmittels ist ungenügend, um
die Oberfläche
des Zinkpulvers zu behandeln, und bewirkt keine ausreichende Beständigkeit
des Zinkpulvers in Wasser. Eine Menge von mehr als 10 Gew.-% des
Silan-Kopplungsmittels
ist zu viel und seine Kosten überwiegen
seine Vorteile.
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Das
Zinkpulver gemäß der Erfindung
kann mit einem Kunstharz verwendet werden, um eine wasserlösliche Farbe
herzustellen, und die ein Zinkpulver enthaltende wasserlösliche Farbe
kann auf bekannte herkömmliche
Weisen zur Farbenherstellung produziert werden.
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Geeignete
Kunstharze für
die Farbe auf Wasserbasis umfassen zum Beispiel die Reihe anorganischer
Kunstharze, wie Natriumsilicate, Ethylsilicate und dergleichen,
und organische Kunstharze, wie Acrylharze, Urethanharze, Epoxydharze,
Silikonharze und dergleichen. Obwohl in der Regel nur eine Art von
Kunstharz benötigt
wird, können
auch zwei oder mehr verschiedene Arten von Kunstharz zusammen verwendet
werden. Im Falle von anorganischen Kunstharzen ermöglicht das
Vorhandensein einer Mehrzahl von Lücken es dem Zink in direkten Kontakt
mit der Metalloberfläche
zu gelangen, so dass die opfernde antikorrosive Wirkung des Zinks verwirklicht
werden kann.
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Andere
Additive können
in der Zinkpulver enthaltenden Farbe auf Wasserbasis enthalten sein. Zum
Beispiel können
ein anderes metallisches Pulver, wie Aluminiumflocken, eine wasserlösliches
Lösungsmittel,
wie ein alkoholisches Lösungsmittel, CELLOSOLVE
Lösungsmittel,
ein Glykol-Lösungsmittel
und Farbenadditive, wie Pigmente, Färbemittel, Entschäumungsmittel
oder dergleichen zugesetzt werden. Aluminiumflocken sind insbesondere
nützlich,
da sie das Auftreten von weißen
Oxiden beim Zinkpulver verhindern.
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Obwohl
die erfindungsgemäße Zinkpulverzusammensetzung
in Wasser beständig
ist und sie bevorzugt in einer Farbe auf Wasserbasis verwendet wird,
kann die Zinkpulverzusammensetzung auch als eine lösliche Farbe
ohne jegliche Probleme verwendet werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden im Detail unter Bezugnahme auf eine
Anzahl von Beispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert. Es ist jedoch verständlich,
dass die Erfindung nicht auf die speziellen Zusammensetzungen der
Beispiele beschränkt
ist.
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Beispiel 1
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Flaches
Zinkpulver (mit einer mittleren Längenabmessung von 15 μm und einer
mittleren Dicke von 0,5 μm)
und Gamma-Mercaptopropyltrimethoxysilan wurden gemischt und in Propylenglykol
für drei Stunden
gemäß der in
der Figur dargestellten Formel behandelt. Eine Zinkpulver enthaltende
Aufschlämmung
bei der die Oberfläche
des Zinkpulvers durch Gamma-Mercaptopropyltrimethoxysilan behandelt wurde,
wurde erhalten. Die Zinkpulver enthaltende Aufschlämmung wurde
folgenden Tests unterworfen und die Testergebnisse sind in der Figur
durch Symbole dargestellt, deren Bedeutung in der Figur erläutert ist.
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Dispersibilität in Wasser
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Eine
10 g Zinkpulver enthaltende Menge der Zinkpulver enthaltenden Aufschlämmung wurde
in eine 200 ml Flasche gefüllt.
100 ml reinen Wassers wurden der Aufschlämmung zugefügt und die Mischung wurde gut
umgerührt.
Nach dem Umrühren wurde
die Dispergierfähigkeit
der Mischung in Wasser visuell beobachtet.
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Beständigkeit bei Verdünnung mit
Wasser
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Eine
10 g Zinkpulver enthaltende Menge der Zinkpulver enthaltenden Aufschlämmung wurde
in eine konische 200 ml Flasche gefüllt. 100 ml reinen Wassers
wurden der Aufschlämmung
zugefügt
und die Mischung wurde gut umgerührt.
Nach dem Umrühren
wurde eine Messpipette mit einem Gummistopper an der konischen Flasche
angebracht und der Zusammenbau Flasche und Pipette wurde bei 20°C stehen
gelassen. 24 Stunden später
wurde die Menge an erzeugtem Gas gemessen.
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Haltbarkeit von Farben
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30
Gew.-% von Lithiumsilikat wurden einer Menge von Zinkpulver enthaltender
Auschlämmung zugefügt, die
30 Gew.-% des Zinkpulvers enthält.
20 Gew.-% reines Wasser wurden der Mischung beigefügt und die
Mischung wurde gut umgerührt,
um eine Farbe auf Wasserbasis herzustellen. Diese Farbe wurde bei
20°C für drei Monate
aufbewahrt. Die Zustände
der erhaltenen Farbe wurden dann visuell überwacht.
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Korrosionsbeständigkeit
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Die
gemäß dem Haltbarkeitstest
hergestellte Farbe wurde gleichmäßig auf
eine zuvor entfettete Stahlplatte mit einem Rakelstreichmaschine
aufgebracht, so dass die Filmdicke der Farbe während des Trocknens 5 μm betrug.
Dann wurde die Stahlplatte einem ersten Trocknungsschritt bei 120°C über 15 Stunden
unterworfen. Danach wurde die Platte einem Backen unterworfen, um
die Testpanele zu erhalten. Die Testpanele wurde einem Salzwasser-Spraytest
gemäß der JIS-Z2371
unterworfen, und die Bedingungen der Rostbildung wurden visuell überwacht.
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Beispiele 2 bis 8
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Sieben
Zinkpulver enthaltende Aufschlämmungen
wurden durch Mischen und Umrühren
der Bestandteile, die in der Figur dargestellt sind, erzeugt. Die
so erhaltenen Zinkpulver enthaltenden Aufschlämmungen wurden den gleichen
unterschiedlichen Tests wie das Beispiel 1 unterworfen und die Ergebnisse
sind in der Figur dargestellt.
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Vergleichsbeispiele 1
bis 4
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Vier
weitere Zinkpulver enthaltende Aufschlämmungen wurden als Vergleichsbeispiele
und entsprechend den Formulierungen der Figur durch Mischen und
Umrühren
der bezeichneten Bestandteile vorbereitet. Die so erhaltenen Aufschlämmungen
wurden den gleichen Tests unterzogen, wie das Beispiel 1 und die
Ergebnisse sind in der Figur dargestellt.
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Wie
aus den Resultaten, die für
die in der Figur dargestellten Beispiele 1 bis 8 und Vergleichsbeispiele
1 bis 4 erhalten wurden, werden durch Behandlung der Oberflächen von
Zinkpulvern durch ein Silan-Kopplungsmittel, dessen Moleküle eine
Mercapto-Gruppe enthalten, die Dispergierbarkeit in Wasser und die
Beständigkeit
bei Verdünnung
mit Wasser verbessert. Ferner zeigt eine Farbe unter Verwendung
von Zinkpulver, das durch ein Silan-Kopplungsmittel dessen Moleküle eine
Mercapto- Gruppe
enthalten, eine wesentlich verbesserte Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit,
welche zeigen, dass Zinkpulver als Pigment einer Farbe auf Wasserbasis
geeignet ist.
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Zusammenfassend,
das ein wasserlösliches Zinkpulver
enthaltende Material gemäß der Erfindung,
enthält
ein Zinkpulver und ein Silan-Kopplungsmittel, dessen Moleküle eine
Mercapto-Gruppe haben. Das Kopplungsmittel ist in einer Menge von 0,1
bis 10 Gew.-% je 100 Gew.-% Zinkpulver vorhanden. Wenn das Material
in Wasser dispergiert ist, wird die Erzeugung von Wasserstoff für eine lange Zeitdauer
verhindert.
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Wenn
das Zinkpulver enthaltende Material in einer Farbe auf Wasserbasis
verwendet wird, wird es möglich,
eine chromfreie, Zinkpulver enthaltende Farbe auf Wasserbasis herzustellen,
bei der die Wasserstofferzeugung gehemmt wird.