DE69910265T2

DE69910265T2 - Copolymerisat als grundierung für aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE69910265T2
Application number: DE69910265T
Authority: DE
Inventors: Gary A. Nitowski; Joseph D. Guthrie; Joseph P. Harenski; Daniel C. Johnson
Original assignee: Alcoa Inc
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: DK1239976T3; PL353345A1; MXPA02002200A; NO20021039L; CZ2002496A3; ATE246547T1; CZ300236B6; ES2203241T3; CN1187133C; CA2380542A1; CA2380542C; PT1239976E; EP1239976A1; EP1239976B1; HUP0202408A2; TR200200511T2; DE69910265D1; JP2003517929A; AU2205100A; NO20021039D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Lebensmittel-Behälterkörper oder ein neuartiges Behälter-Endblech für Lebensmittel oder Getränke und betrifft ein Verfahren zum Erzeugen derselben aus Aluminiumlegierungsblech. Spezieller betrifft die Erfindung mit Polymer beschichtetes Aluminiumlegierungsblech mit einer Grundierungsschicht, die ein Reaktionsprodukt einer Oxid- oder Hydroxidschicht aufweist und ein Vinylphosphonsäure/Acrylsäure-Copolymer.
Obgleich sich Aluminium gegen Korrosion durch Bildung einer natürlichen Oxidschicht schützt, ist der Schutz nicht vollständig. In Gegenwart von Feuchtigkeit und Elektrolyten korrodieren Aluminiumlegierungen sehr viel rascher als reines Aluminium.
Dementsprechend besteht eine Notwendigkeit zur Behandlung von Substraten aus Aluminiumlegierung mit Grundiermitteln oder anderen Chemikalien, die eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit sowie starke Bindungsaffinität für Polymere vermitteln.
Im Stand der Technik sind chemische Passivierungsschichten auf Aluminiumlegierungen durch "Umwandeln" einer Oberfläche des Metalls zu einer fest haftenden Beschichtung erzeugt worden, wovon ein Teil aus einer oxidierten Form von Aluminium besteht. Chemische Passivierungsschichten vermitteln eine hohe Korrosionsbeständigkeit und verbesserte Bindungsaffinität für Polymerbeschichtungen. Im typischen Fall ist eine Chromat-Passivierungsschicht geschaffen worden, indem Aluminium mit einer wässrigen Lösung in Kontakt gebracht wurde, die sechswertige oder dreiwertige Chrom-Ionen, Phosphat-Ionen und Fluorid-Ionen enthielt. In den letzten Jahren hat es Probleme im Zusammenhang mit Verschmutzungsbelastungen durch Chromate und Phosphate gegeben, die durch derartige Prozesse in die Wasserläufe abgegeben wurden. Aufgrund der hohen Löslichkeit und des starken Oxidationscharakters von sechswertigen Chrom-Ionen müssen aufwendige Abfallbehandlungsprozeduren eingesetzt werden, um die sechswertigen Chrom-Ionen oder dreiwertigen Chrom-Ionen für die Abfallentsorgung zu reduzieren.
Im Stand der Technik sind Versuche unternommen worden, akzeptable Chromat-freie Passivierungsschichten für Aluminium zu erzeugen. Beispielsweise enthalten derartige Chromat-freie Passivierungsschichten Zirconium, Titan, Hafnium und/oder Silicium, gelegentlich in Verbindung mit Fluoriden, Tensiden und Polymeren, wie beispielsweise Polyacrylsäure. Trotz aufwendiger Bemühungen, die bisher gemacht wurden, gibt es noch immer keine vollständig zufriedenstellende Chromat-freie Passivierungsschicht oder Grundierung zur Ver besserung der Haftung und Korrosionsbeständigkeit von polymerbeschichteten Aluminiumlegierungssubstraten.
Eine Hauptaufgabe unserer Erfindung ist die Schaffung von mit polymerbeschichtetem Aluminiumlegierungsblech, das über eine Grundierungsschicht verfügt, die ein Reaktionsprodukt eines Vinylphosphonsäure/Acrylsäure-Copolymers und eine Aluminiumoxid- oder -hydroxid-Schicht auf dem Blech aufweist.
Eine damit zusammenhängende Aufgabe unserer Erfindung ist die Schaffung einer Grundierungsschicht für Aluminiumlegierungsblech, die frei ist von Chromverbindungen.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile unserer Erfindung werden dem Fachmann auf dem Gebiet anhand der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.
1 ist ein Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Nach unserer Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von polymerbeschichtetem Aluminiumlegierungsblech gewährt, das zur Umformung zu einem Lebensmittel-Behälterkörper oder Behälter-Endblech für Lebensmittel oder Getränke geeignet ist.
Einige Aluminiumlegierungen, die zur Herstellung von polymerbeschichteten Behälterkörpern oder Behälter-Endblechen geeignet sind, schließen Aluminium-Magnesiumlegierungen der Reihen AA 5000 und speziell die Legierungen AA 5042 und AA 5182 ein.
Für Behälter-Endbleche geeignete Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise AA 5182, werden als ein Block oder Barren oder Bramme mit Hilfe von Gießmethoden bereitgestellt, die auf dem Gebiet bekannt sind. Vor der Verarbeitung wird der Block oder Barren einer Homogenisierungsbehandlung bei erhöhter Temperatur unterworfen. Das Legierungsmaterial wird sodann warmgewalzt, um ein Blech mittlerer Dicke zu schaffen. Beispielsweise kann das Material bei einer Metall-Aufgabetemperatur von etwa 700° bis 975°F warmgewalzt werden, um ein Zwischenprodukt mit einer Dicke von etwa 0,130 inch bis 0,190 inch zu schaffen. Dieses Material wird kaltgewalzt, um ein Blech mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,008 bis 0,015 inch zu schaffen. Von uns wird Aluminiumlegierungsblech AA 5182 entweder in der Härtungsstufe H19 oder H39 bevorzugt. Aluminiumlegierungsblech 5042 für Endbleche hat bevorzugt die Härtungsstufe H19.
Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise AA 5042 werden als ein Block bereitgestellt, der homogenisiert ist. Danach folgt ein Warmwalzen auf eine mittlere Blechdicke von etwa 0,125 inch. Im typischen Fall wird das Zwischenprodukt mit dieser Blechdicke wärmebehandelt, gefolgt von einem Warmwalzen und anschließendem Kaltwalzen zu einem Produkt auf Fertigdicke mit etwa 0,008 bis 0,015 inch. Das Blech wird mit einem Polymer beschichtet und anschließend zu Lebensmittel-Behälterkörpern gezogen und weitergezogen. Wir bevorzugen Aluminiumlegierungsblech AA 5042 in der Närtungsstufe H2E72.
Der natürliche Oxidüberzug auf einer Oberfläche einer Aluminiumlegierung eines Aluminiumlegierungsbleches ist in der Regel für die Praxis unserer Erfindung ausreichend. Der natürliche Oxidüberzug hat ursprünglich eine Dicke von näherungsweise 30 bis 50 Å. Zum besseren Schutz gegen Korrosion kann man den Oxidüberzug durch Behandlungen anwachsen lassen, wie beispielsweise anodische Oxidation oder hydrothermale Behandlung in Wasser, Wasserdampf oder wässrigen Lösungen.
Erfindungsgemäßes Aluminiumlegierungsblech wird in der Regel mit einem alkalischen Oberflächen-Reinigungsmittel zur Entfernung etwaiger restlicher Schmierstoffe, die an der Oberfläche anhaften, gereinigt und anschließend mit Wasser gespült. Das Reinigen kann vermieden werden, wenn der Gehalt an restlichem Schmierstoff vernachlässigbar ist.
Die gereinigte Blechoberfläche wird sodann mit einer Grundierungszusammensetzung grundiert, die eine wässrige Lösung von etwa 1 bis 20 g/l eines Vinylphosphonsäure/Acrylsäure-Copolymers (VPA-AA-Copolymers) aufweist. Bevorzugt werden Lösungen, die etwa 4 bis 10 g/l Copolymer enthalten. Das Copolymer weist normalerweise etwa 5% bis 50 Molprozent und bevorzugt etwa 20% bis 40 Molprozent Vinylphosphonsäure auf. Ein besonders bevorzugtes VPA-AA-Copolymer enthält etwa 30 Molprozent VPA und etwa 70 Molprozent AA. Die Lösung hat eine Temperatur von etwa 100° bis 200°F und mehr bevorzugt etwa 120° bis 180°F. Eine besonders bevorzugte Lösung hat eine Temperatur von etwa 170°F.
Die Blechoberfläche kann in die Grundierungszusammensetzung eingetaucht oder die Zusammensetzung kann durch Walzenbeschichten oder Aufsprühen auf die Blechoberfläche aufgebracht werden. Eine bevorzugte kontinuierliche Reinigungs- und ???reinigungsanlage wird bei etwa 1.000 bis 1.500 ft./min betrieben. Sofern die Anlage bei 1.000 ft./min betrieben wird, ist eine Kontaktdauer von etwa 6 Sekunden zwischen der Blechoberfläche und der Grundierungszusammensetzung ausreichend. Das VPA-AA-Copolymer reagiert mit dem Oxid- oder Nydroxidüberzug unter Erzeugung einer Grundierungsschicht auf der Blechoberfläche.
Wahlweise kann das grundierte Blech mit Wasser gespült werden, um den Teil des VPA-AA-Copolymers zu entfernen, der mit dem Oxid- oder Hydroxid überzug nicht reagiert hat. Das Spülwasser hat vorzugsweise eine Temperatur von etwa 170° bis 180°F. Das Spülwasser wird unter Entfernung des überschüssigen Wassers aufkonzentriert, so dass das VPA-AA-Copolymer in den Kreislauf zurückgeführt werden kann. Einige bevorzugte Methoden des Aufkonzentrierens schließen die Umkehrosmose und die Membranfiltration ein.
Das grundierte Blech wird mit einer Polymerzusammensetzung beschichtet, in die vorzugsweise ein organisches Polymer und Pigmentpartikel einbezogen sind, die in einem organischen Lösemittel dispergiert sind. Drei bevorzugte Polymere zum Beschichten sind Epoxide, Polyvinylchlorid und Polyester. Die geeigneten Epoxide schließen phenolisch modifizierte Epoxide ein, Polyester-modifizierte Epoxide und Epoxy-modifiziertes Polyvinylchlorid.
Alternativ kann das grundierte Blech durch Elektrotauchbeschichtung, Schlitzbeschichtung oder Extrusionsbeschichtung beschichtet werden.
Die Pigmentpartikel sind bevorzugt Titandioxid, Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid. Wir bevorzugen Titandioxid-Partikel im mittleren Partikelgrößenbereich von 0,5 bis 10 μm.
Das polymerbeschichtete Blech wird getrocknet, aufgespult und anschließend zu Behälterkörpern oder Behälter-Endblechen fertig geformt.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wurden einige 2 inch × 4 inch-Proben AA 5182-Aluminiumlegierungsblech gereinigt, mit Vinylphosphonsäure/Acrylsäure-Copolymer grundiert und anschließend mit einer Polyvinylchlorid-Beschichtungszusammensetzung beschichtet. Das VPA-AA-Copolymer enthielt 30 Molprozent VPA-Einheiten und 70 Molprozent AA-Einheiten.
Die PVC-beschichteten Proben wurden auf Beständigkeit gegenüber Schleierbildung und auf Beschichtungshaftung getestet. Eine Reihe der Proben wurde in eine mit Bier gefüllte Bierdose gelegt, die Dose versiegelt und anschließend die Dose für 30 min bis 180°F in einem Wasserbad erhitzt. Eine andere Reihe von Proben wurde für 30 min in ein Bad mit deionisiertem Wasser getaucht, das bis 180°F erwärmt wurde.
Die Testproben wurden aus ihren Testumgebungen entnommen, mit deionisiertem Wasser gespült und getrocknet. Die Schleierbildung wurde vermerkt, wenn sie visuell wahrnehmbar war. Die Beschichtungshaftung wurde getestet, indem durch die Beschichtung bis zum Grundmetall mit einer Messerklinge ein Kreuzmuster eingeritzt wurde (horizontale und vertikale Linien mit einem Abstand von 1/8 inch bis 3/16 inch). Ein Band mit hoher Klebkraft (3M Nr. 610) wurde über der Gitterschnittfläche aufgeklebt. Nach 5 Sekunden Kontaktdauer wurde das Band rasch abgezogen, indem in einem Winkel von näherungsweise 90° zur Metalloberfläche gezogen wurde. Die Ergebnisse des Bandtests mit der P(VPA- AA)-Grundierung und bei ähnlichen Tests mit Polyvinylphosphonsäure (PVPA)- und Polyacrylsäure (PAA)-Grundierungen sind nachfolgend zusammengestellt.
Tabelle 1: Band-Testergebnisse
Nachdem die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurden, ist davon auszugehen, dass die Erfindung ansonsten im Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche verkörpert ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen von polymerbeschichtetem Aluminiumlegierungsblech, geeignet für das Umformen zu einem Lebensmittel- oder Getränkebehälterkörper oder Behälter-Endblech, umfassend: (a) Bereitstellen eines Aluminiumlegierungsbleches, das einen Oberflächenabschnitt hat, der Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid aufweist; (b) Beschichten dieses Oberflächenabschnittes mit einer Grundierungszusammensetzung, die eine wässrige Lösung aufweist, die im wesentlichen aus Wasser und einem Vinylphosphonsäure/Acryläure-Copolymer besteht, wodurch eine Grundierungsschicht erzeugt wird, die ein Reaktionsprodukt des Copolymers und des Oxids oder Hydroxids aufweist; sowie (c) Beschichten dieser Grundierungsschicht mit einer Beschichtungszusammensetung, die ein Polymer aufweist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyvinylchlorid, Epoxiden und Polyestern.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: (d) Umformen des Bleches zu einem Behälterkörper oder einem Behälter-Endblech.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: (d') nach (b) und vor (c): Spülen des Bleches, um einen Teil des Copolymers zu entfernen, das nicht mit dem Oxid oder Hydroxid umgesetzt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem das Copolymer etwa 5% bis 50 Molprozent Vinylphosphonsäure aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Copolymer etwa 20% bis 40 Molprozent Vinylphosphonsäure aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Grundierungszusammensetzung etwa 1 bis 20 g/l des Copolymers aufgelöst in Wasser aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Grundierungszusammensetzung in Schritt (b) eine Temperatur von 49° bis 93°C (120° bis 200°F) hat.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Beschichtungszusammensetzung ferner ein organisches Lösemittel aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Beschichtungszusammensetzung ferner Partikel aufweist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend Titandioxid, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem das Aluminiumlegierungsblech eine Aluminium-Magnesiumlegierung der Reihe AA5000 aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Beschichtungszusammensetzung Polyvinylchlorid aufweist.
Polymerbeschichtetes Aluminiumlegierungsblech, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche.
Polymerbeschichtetes Aluminiumlegierungsblech nach Anspruch 12, aufweisend eine Aluminium-Magnesiumlegierung der Reihe AA5000, beschichtet mit einer Grundierungszusammensetzung, im wesentlichen bestehend aus einem Vinylphosphonsäure/Acryläure-Copolymer, das etwa 20% bis 40 Molprozent Vinylphosphonsäure und etwa 60% bis 80 Molprozent Acrylsäure aufweist, und mit einer Beschichtungszusammensetzung, die Polyvinylchlorid aufweist.
Aluminiumlegierung-Behälterkörper oder Behälter-Endblech, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 3.
Polymerbeschichtetes Aluminiumlegierungsblech, aufweisend. (a) ein Aluminiumlegierungsblech, aufweisend eine Alumnium-Magnesiumlegierung der Reihe AA5000, und das einen Oberflächenabschnitt hat, der Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid aufweist; (b) eine Grundierungsschicht, die ein Reaktionsprodukt des Oxids oder des Hydroxids mit einem Vinylphosphonsäure/Acryläure-Copolymer aufweist, das etwa 20% bis 40 Molprozent Vinylphosphonsäure-Einheiten aufweist; sowie (c) eine Beschichtungszusammensetzung, die an der Grundierungsschicht adhäriert ist, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein Polymer aufweist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyvinylchlorid, Epoxiden und Polyestern.
Verfahren zum Herstellen von polymerbeschichtetem Aluminiumlegierungsblech, geeignet für das Umformen zu einem Lebensmittel- oder Getränkebehälterkörper oder Behälter-Endblech, umfassend: (a) Bereitstellen eines Aluminiumlegierungsbleches, aufweisend eine Alumnium-Magnesiumlegierung der Reihe AA5000 und das einen Oberflächenabschnitt hat, der Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid aufweist; (b) Beschichtendieses Oberflächenabschnittes mit einer Grundierungszusammensetzung, die eine wässrige Lösung aufweist, die im wesentlichen aus Wasser und 1 bis 20 g/l Vinylphosphonsäure/Acryläure-Copolymer besteht, wobei das Copolymer etwa 5% bis 50 Molprozent Vinylphosphonsäure aufweist, wodurch eine Schicht gebildet wird, die ein Reaktionsprodukt des Copolymers und des Oxids oder Hydroxids aufweist; sowie (c) Beschichten der Schicht mit einer Besdchichtungszusammensetzung, die ein Polymer aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend Polyvinylchlorid, Epoxiden und Polyestern.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem die wässrige Lösung im wesentlichen aus Wasser und etwa 4 bis 10 g/l Copolymer besteht. (c) Beschichten dieser Grundierungsschicht mit einer Beschichtungszusammensetung, die ein Polymer aufweist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyvinylchlorid, Epoxiden und Polyestern.