JP3733372B2 - 表面調整剤及び表面調整方法 - Google Patents

表面調整剤及び表面調整方法 Download PDF

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Description

本発明は、表面調整剤及び表面調整方法に関する。
自動車車体、家電製品等は、鋼板、亜鉛メッキ鋼板、アルミニウム合金等の金属材料を金属成形物とした後、塗装し、組立て等を行うことにより製品化されている。このような金属成形物の塗装は、脱脂、表面調整 、化成処理、電着塗装等の各種工程を経ることにより行われている。
表面調整処理は、次の工程であるリン酸塩皮膜化成処理において、リン酸塩の結晶からなる皮膜が、金属表面全体に均一に、迅速に、高い密度で形成されるために施される処理であり、通常、表面調整槽に浸漬することにより金属表面にリン酸塩の結晶核を形成させるものである。
例えば、特許文献1には、粒径が5μm以下の粒子を含む2価若しくは3価の金属の少なくとも1種を含有するリン酸塩の中から選ばれる1種以上と、アルカリ金属塩若しくはアンモニウム塩又はこれらの混合物と、アニオン性に帯電し分散した酸化物微粒子、アニオン性の水溶性有機高分子、ノニオン性の水溶性有機高分子、アニオン性界面活性剤及びノニオン性界面活性剤の群から選ばれる少なくとも1種とを含有し、pHを4〜13に調整した金属のリン酸塩皮膜化成処理前の表面調整用前処理液が開示されている。
また、特許文献2には、2価及び/又は3価の金属の1種以上を含有するリン酸塩から選ばれる1種以上のリン酸塩粒子を含有し、更に、(1)単糖類、多糖類及びその誘導体から選ばれる1種以上、(2)正リン酸、ポリリン酸又は有機ホスホン酸化合物、酢酸ビニルの重合体又はその誘導体若しくは酢酸ビニルと共重合可能な単量体と酢酸ビニルとの共重合体からなる水溶性高分子化合物の1種以上、又は、(3)特定の単量体若しくはα,β不飽和カルボン酸単量体の中から選ばれる少なくとも1種以上と上記単量体と共重合可能な単量体50重量%以下とを重合して得られる重合体又は共重合体を含有するリン酸塩皮膜化成処理前の表面調整用処理液が開示されている。
しかしながら、ここで開示されている表面調整用処理液は、アルミニウム合金と鋼板又は亜鉛メッキ鋼板とが接触している部分では、アルミニウム合金部分がアノード、鋼板又は亜鉛メッキ鋼板部分がカソードとなるため、アルミニウム合金上に化成皮膜が形成されにくいという問題がある。このため、化成処理において、アルミニウム合金上での電食を抑制することができる表面調整剤の開発が望まれている。
また、これらの表面調整用処理液は、アルミニウム合金、高張力鋼板等の金属に対して適用した場合には、金属表面上に、充分な化成皮膜が形成されないという問題がある。また、これらの表面調整用処理液は、粒子径が大きく、処理浴中の粒子の安定性が不充分であるため、容易に沈降してしまうという問題もある。
特開平10−245685号公報 特開2000−96256号公報
本発明は、上記現状に鑑み、化成処理中のアルミニウム合金上の電食を抑制することができ、アルミニウム合金、高張力鋼板に適用した場合に充分な化成皮膜を形成することができ、処理浴中での分散安定性に優れる表面調整剤を提供することを目的とするものである。
本発明は、 リン酸亜鉛粒子を含有するpH3〜12の表面調整剤であって、上記リン酸亜鉛粒子は、D50が3μm以下であり、上記表面調整剤は、更に、アクリル酸50質量%未満の量と、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸及び/又はアリルスルホン酸の合計量50質量%を超える量とを含有する単量体組成物を重合して得られるカルボン酸基含有共重合体、及び、ヘクトライトを含有するものであることを特徴とする表面調整剤である。
記ヘクトライトは、天然ヘクトライト及び/又は合成ヘクトライトであることが好ましい。
本発明はまた、上述の表面調整剤を金属表面に接触させる工程からなることを特徴とする表面調整方法でもある。
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明の表面調整剤は、リン酸塩皮膜化成処理の前処理である表面調整に使用することによって、金属表面にリン酸亜鉛の微細粒子を付着させるものであり、リン酸亜鉛化成処理工程において、上記微細粒子を結晶核とするリン酸亜鉛皮膜の生成を促進し、良好なリン酸亜鉛皮膜を形成させるものである。これを用いて金属材料を表面調整した後に化成処理を行うと、比較的短時間で微細なリン酸塩結晶を析出させ、金属表面を覆いつくすことができる。
本発明の表面調整剤は、D50が3μm以下のリン酸亜鉛粒子と、特定のカルボン酸基含有共重合体とを含有し、pH3〜12のものである。本発明の表面調整剤は、従来公知の表面調整剤と比較して、化成処理中のアルミニウム合金上の電食を抑制することができ、アルミニウム合金、高張力鋼板に適用した場合に充分な化成皮膜を形成することができ、処理浴中での分散安定性に優れる。
表面調整剤が施される金属材料として、鉄又は亜鉛系基材とアルミニウム系基材とが使用され、上記鉄又は亜鉛系基材と上記アルミニウム系基材とが接触している部分を有する場合がある。このような基材に対して、化成処理を行うと、化成処理時に接触部において、アルミニウム系基材の部分がアノード、鉄又は亜鉛系基材の部分がカソードとなるため、結果として、接触部におけるアルミニウム系基材の部分に化成皮膜が形成され難くなってしまうという問題がある。本発明の表面調整剤は、被処理物への吸着量が増加することにより、化成速度が速められ、その結果、鉄又は亜鉛系基材とアルミニウム系基材との接触部のアルミニウム系基材の部分において、従来の表面調整剤を使用する場合に比べて電食を抑制することができると推察される。このため、鉄又は亜鉛系基材とアルミニウム系基材とが接触している部分を有する基材に対して、本発明の表面調整剤によって表面調整を施し、次いで化成処理を行った場合に、接触部のアルミニウム系基材の部分に化成皮膜を良好に形成することができる。
アルミニウム系基材、高張力鋼板等に、従来公知の2価又は3価のリン酸塩粒子を含む表面調整剤を適用する場合には、化成処理において充分な皮膜量の化成皮膜が形成されないため、これらの基材に充分な耐食性を付与することができないという問題がある。一方、本発明の表面調整剤を使用する場合には、アルミニウム系基材、高張力鋼板等に対しても化成処理時に充分な皮膜量の化成皮膜を形成することができるため、これらの基材でも充分な耐食性を付与することが可能である。
また、従来公知の2価又は3価のリン酸塩粒子を含む表面調整剤は、リン酸塩粒子の粒子径が大きいものであるため、表面調整処理浴中での粒子の安定性が不充分である。このため、リン酸塩粒子が沈降し易いという問題がある。これに対して、本発明の表面調整剤は、D50が3μm以下のリン酸亜鉛粒子を含むものであるため、粒子の処理浴中での安定性に優れ、リン酸亜鉛粒子の処理浴中での沈降を抑制することができる。
本発明の表面調整剤は、特定のカルボン酸基含有共重合体を含むものである。これらは、分散剤として作用するものであると同時に、これらを含有するものであることにより、化成処理時における化成処理を促進することができる。このため、化成処理において、緻密な化成皮膜を形成することができ、耐食性を向上させることができる。これらの成分を含む表面調整剤を使用することによって化成処理を促進し、緻密な化成皮膜を形成することができる理由は明らかではないが、これらの成分の端部が基材に吸着し易いためであると推察される。
本発明の表面調整剤に含まれる成分として、アクリル酸50質量%未満の量と、スルホン酸単量体50質量%を超える量とを含有する単量体組成物を共重合して得られるカルボン酸基含有共重合体を挙げることができる。上記のような特定の単量体を特定量配合して得られるカルボン酸基含有共重合体を使用することによって、上述したような本発明の効果を得ることができる。
上記スルホン酸単量体は、スルホン酸基を有する単量体であれば特に限定されず、例えば、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、3−(メタ)アクリルアミドプロパン−1−スルホン酸、2−(メタ)アクリルアミドエチル−1−スルホン酸、3−(メタ)アクリルアミド−2−ヒドロキシプロパンスルホン酸、p−(メタ)アクリルアミドメチルベンゼンスルホン酸等のスルホン酸含有(メタ)アクリルアミド;スチレンスルホン酸、スチレンジスルホン酸、α−メチルスチレンスルホン酸、ビニルフェニルメタンスルホン酸等の芳香族炭化水素ビニルスルホン酸;3−(メタ)アクリロイロキシプロパン−1−スルホン酸、4−(メタ)アクリロイロキシブタン−2−スルホン酸塩、2−(メタ)アクリロイロキシエチル−1−スルホン酸、3−(メタ)アクリロイロキシ−2−ヒドロキシプロパンスルホン酸等のスルホン酸塩含有(メタ)アクリレート;ビニルスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸等の脂肪族炭化水素ビニルスルホン酸;及びこれらの塩等を挙げることができる。
上記塩としては、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩、カルシウム、マグネシウム等のアルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、メチルアミン、エチルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン等の有機基で置換されているアンモニウム塩等を挙げることができる。これらのスルホン酸単量体は、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記カルボン酸基含有共重合体を製造する単量体組成物は、本発明の効果を阻害しない範囲内で、上述した単量体以外のその他の単量体を含むものであってもよい。
上記その他の単量体としては、例えば、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ペンチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸ペンチル、アクリル酸ヒドロキシメチル、アクリル酸ヒドロキシエチル、アクリル酸ヒドロキシプロピル、アクリル酸ヒドロキシブチル、アクリル酸ヒドロキシペンチル、メタクリル酸ヒドロキシメチル、メタクリル酸ヒドロキシエチル、メタクリル酸ヒドロキシプロピル、メタクリル酸ヒドロキシブチル、メタクリル酸ヒドロキシペンチル、酢酸ビニル等を挙げることができる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記カルボン酸基含有共重合体としては、アクリル酸と、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、アリルスルホン酸、エチレン、ジイソブチレン、第3級アミノ基含有単量体、スチレン、スチレンスルホン酸又はアクリルアミドとを含有する単量体組成物を共重合して得られる重合体であることが好ましい。
上記2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、アリルスルホン酸、エチレン、ジイソブチレン、第3級アミノ基含有単量体、スチレン、スチレンスルホン酸及びアクリルアミドは、単独で用いてもよく、又は、2種以上を併用してもよい。
なかでも、上記カルボン酸基含有共重合体としては、アクリル酸50質量%未満の量と、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸及び/又はアリルスルホン酸の合計量50質量%を超える量とを含有する単量体組成物を共重合して得られる重合体であることが好ましい。
上記カルボン酸基含有共重合体は、上述したアクリル酸とスルホン酸単量体を含有する単量体組成物を過酸化物等の触媒下で共重合させる等の従来公知の方法を用いることによって容易に得ることができる。
また、上記カルボン酸基含有共重合体は、このようにして得られた共重合体の塩でもよい。この塩とは、アクリル酸単位が塩を形成したものであり、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩等のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩のほか、アンモニウム塩や有機アミン塩等を挙げることができる。
上記有機アミン塩としては、メチルアミン塩、エチルアミン塩、プロピルアミン塩、ブチルアミン塩、アミルアミン塩、ヘキシルアミン塩、オクチルアミン塩、2−エチルヘキシルアミン塩、デシルアミン塩、ドデシルアミン塩、イソトリデシルアミン塩、テトラデシルアミン塩、ヘキサデシルアミン塩、イソヘキサデシルアミン塩、オクタデシルアミン塩、イソオクタデシルアミン塩、オクチルドデシルアミン塩、ドコシルアミン塩、デシルテトラデシルアミン塩、オレイルアミン塩、リノールアミン塩、ジメチルアミン塩、トリメチルアミン塩、アニリン塩等の脂肪族や芳香族のモノアミン塩、エチレンジアミン塩、テトラメチレンジアミン塩、ドデシル−プロピレンジアミン塩、テトラデシル−プロピレンジアミン塩、ヘキサデシル−プロピレンジアミン塩、オクタデシル−プロピレンジアミン塩、オレイル−プロピレンジアミン塩、ジエチレントリアミン塩、トリエチレンテトラミン塩、テトラエチレンペンタミン塩、ペンタエチレンヘキサミン塩等のポリアミン塩、モノエタノールアミン塩、ジエタノールアミン塩、トリエタノールアミン塩、モノイソプロパノールアミン塩、ジイソプロパノールアミン塩、トリイソプロパノールアミン塩、これらのアルキレンオキシド付加物の塩、第一又は第二アミンのアルキレンオキシド付加物の塩等のアルカノールアミン塩、リジン塩、アルギニン塩等のアミノ酸塩等を挙げることができる。なかでも、アルカリ金属塩、アンモニウム塩、アルカノールアミン塩が好ましい。
上記カルボン酸基含有共重合体の市販品としては、例えば、アロンA6020(東亜合成社製)等を挙げることができる。
上記カルボン酸基含有共重合体において、アクリル酸の含有量は、単量体組成物100質量%中に、50質量%未満の量である。50質量%以上であると、鉄又は亜鉛系基材とアルミニウム系基材との接触部のアルミニウム系基材の部分に化成皮膜を良好に形成することができないおそれがある。また、アルミニウム系基材、高張力鋼板に充分な量の化成皮膜を形成することができないおそれもある。上記含有量の下限は、20質量%であることがより好ましく、25質量%であることが更に好ましい。上記含有量の上限は、45質量%であることがより好ましく、40質量%であることが更に好ましい。
上記カルボン酸基含有共重合体において、スルホン酸単量体の含有量は、単量体組成物100質量%中に、50質量%を超える量である。50質量%以下であると、鉄又は亜鉛系基材とアルミニウム系基材との接触部のアルミニウム系基材の部分に化成皮膜を良好に形成することができないおそれがある。また、アルミニウム系基材、高張力鋼板に充分な量の化成皮膜を形成することができないおそれもある。上記含有量の下限は、55質量%であることがより好ましく、60質量%であることが更に好ましい。上記含有量の上限は、80質量%であることがより好ましく、75質量%であることが更に好ましい。
上記カルボン酸基含有共重合体の酸価は、下限10、上限1000であることが好ましい。10未満であったり、1000を超えたりすると、リン酸亜鉛粒子の分散性が低下するおそれがある。上記下限は、30であることがより好ましく、上記上限は、800であることがより好ましい。
上記カルボン酸基含有共重合体の数平均分子量は、下限100、上限30000であることが好ましい。100未満であると、充分な分散効果が得られないおそれがある。30000を超えると、充分な分散効果が得られない上、凝集のおそれもある。上記下限は、1000であることがより好ましく、上記上限は、20000であることがより好ましい。
上記表面調整剤は、上記カルボン酸基含有共重合体の含有量(これらの合計量)が下限1ppm、上限1000ppmであることが好ましい。1ppm未満であると、分散力が不足し、リン酸亜鉛粒子の粒径が大きくなると同時に液安定性も低下し、沈降し易くなるおそれがある。1000ppmを超えると、金属表面に吸着する等のことが生じるため、後の化成工程に影響を与えるおそれがある。上記下限は、10ppmであることがより好ましく、上記上限は、500ppmであることがより好ましい。
なお、上記表面調整剤には、上述した成分以外に、分散剤を本発明の効果を阻害しない範囲で更に配合することもできる。上記分散剤としては特に限定されず、従来公知の高分子分散剤、界面活性剤、カップリング剤等を挙げることができる。
本発明の表面調整剤は、D50(体積50%径)が3μm以下であるリン酸亜鉛粒子を含有するものである。D50が3μm以下であるリン酸亜鉛を使用することにより、リン酸塩化成処理前に結晶の核を多く付与することができるため、比較的短時間の化成処理で微細なリン酸塩結晶を析出させることができる。なお、本明細書において、上記D50は平均分散径及び平均粒径である。
上記リン酸亜鉛粒子のD50は、下限が0.01μm、上限3μmであることが好ましい。0.01μm未満であると、過分散の現象により粒子が凝集するおそれがある。3μmを超えると、微細なリン酸亜鉛粒子の割合が少なくなるため、不適当である。上記下限は、0.05μmであることがより好ましく、上記上限は、1μmであることがより好ましい。
上記表面調整剤は、D90(体積90%径)が4μm以下であるリン酸亜鉛粒子を含有するものであることが好ましい。この場合、上記リン酸亜鉛粒子は、D50が3μm以下であるだけでなく、D90が4μm以下であるため、リン酸亜鉛粒子における粗大粒子の存在割合が比較的少ないものである。上述のように、平均粒径(D50)が3μm以下であるリン酸亜鉛を用いることによって、短時間の化成処理で微細なリン酸塩結晶を析出させることができるが、3μm以下に分散するために粉砕等の手段を用いる場合、過度に粉砕を行うと、比表面積の増大に伴う分散剤として作用する成分の不足が生じ、過分散粒子が凝集を起こし、かえって粗大粒子を形成して分散安定性を損なう過分散の現象が生じてしまう。また、表面調整剤の配合や分散条件によって分散性のバラツキが生じ、粗大粒子や微細粒子が最密に充填することによる凝集や増粘、微細粒子同士の凝集といった現象を引き起こしてしまう。しかし、上記リン酸亜鉛がD90(体積90%径)が4μm以下である場合には、上述のような不都合が生じることをより防止することができる。
上記リン酸亜鉛粒子のD90は、下限が0.01μm、上限4μmであることが好ましい。0.01μm未満であると、過分散の現象により粒子が凝集するおそれがある。4μmを超えると、微細なリン酸亜鉛粒子の割合が少なくなるため、不適当である。上記下限は、0.05μmであることがより好ましく、上記上限は、2μmであることがより好ましい。
上記D50(体積50%径)及び上記D90(体積90%径)は、分散液中での粒度分布に基づき、粒子の全体積を100%として累積カーブを求めたとき、その累積カーブが各々50%、90%となる点の粒径である。上記D50及び上記D90は、例えば、レーザードップラー式粒度分析計(日機装社製、「マイクロトラックUPA150」)等の粒度測定装置を用いれば、D50、D90を自動的に測定することができる。
上記リン酸亜鉛粒子は、D50が3μm以下であれば特に限定されるものではない。また、D50が3μm以下を満たす粒子の混合物であってもよい。
上記表面調整剤は、リン酸亜鉛粒子の含有量が下限50ppm、上限20000ppmであることが好ましい。50ppm未満であると、結晶核となるリン酸塩が不足し、充分な表面調整効果が得られないおそれがある。20000ppmを超えても、所望の効果を超える効果が得られるわけではなく経済的でない。上記下限は、150ppmであることがより好ましく、上記上限は、10000ppmであることがより好ましい。
上記表面調整剤は、上記カルボン酸基含有共重合体と、リン酸亜鉛粒子とのほかに、層状粘土鉱物の一種であるヘクトライトを含有する。この場合、表面調整剤中のリン酸亜鉛粒子の沈降を防止するだけでなく、表面調整剤の濃厚液(即ち、希釈等して表面調整剤に調整する前の濃厚液)中のリン酸亜鉛粒子の沈降も防止し、濃厚液の長期間の分散安定性を維持することができるものである。ヘクトライトを添加することによって優れた増粘効果を発現させることができ、また、添加することによって帯電粒子の反発作用を発現させることもできる。従って、表面調整剤の濃厚液の沈降を防止できる理由は明らかではないが、この増粘効果と帯電粒子の反発作用との相乗作用によって、極めて優れたリン酸亜鉛粒子の沈降防止効果が発揮され、その結果として、濃厚液であってもリン酸亜鉛粒子の沈降をより防止することができ、長期間の分散安定性を維持することができるものと推察される。
また、上記ヘクトライトは、それ自体で電気的な反発作用を有するものである。このため、上記ヘクトライトがリン酸亜鉛粒子の周りに付着すると、電気的な反発によって、表面調整剤の濃厚液中でのリン酸亜鉛粒子を安定化させることができる。従って、表面調整剤の濃厚液(原液)の調製において、液中のリン酸亜鉛粒子等の成分を分散する際に、リン酸亜鉛粒子をより微細化することができ、また、分散効率をより向上させることもできる。
上記ヘクトライトは、層状構造を有するケイ酸塩鉱物等であり、多数のシート(ケイ酸で構成された四面体シート、AlやMg等を更に含んで構成された八面体シート等)が積層されたものである。上記ヘクトライトを含むことにより、表面調整剤の濃厚液に優れた分散安定性を付与することができ、また、分散効率を向上させることもできる。
上記ヘクトライトは、天然鉱物であってもよく、水熱合成、溶融法、固相法等による合成鉱物であってもよい。
また、上記ヘクトライトのインターカレーション化合物(ピラードクリスタル等)や、イオン交換処理を施したもの、表面処理(シランカップリング処理、有機バインダとの複合化処理等)を施したものも使用することができる。これらのヘクトライトは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記ヘクトライトは、平均粒径(=最大寸法の平均値)が5μm以下が好ましく、より好ましくは、1μm以下である。5μmを超えると、分散安定性が低下するおそれがある。また、上記ヘクトライトの平均アスペクト比(=最大寸法/最小寸法の平均値)は、10以上が好ましく、より好ましくは20以上、更に好ましくは40以上である。10未満であると、分散安定性が低下するおそれがある。
上記ヘクトライトは、天然ヘクトライト及び/又は合成ヘクトライトであることが好ましい。これにより、表面調整剤の濃厚液に、より優れた分散安定性を付与することができ、また、分散効率をより向上させることもできる。
上記天然ヘクトライトは、下記式(I)で表されるモンモリロナイト族に属するトリオクタヘドラル型の粘土鉱物である。
上記天然ヘクトライトの市販品としては、例えば、BENTON EW、BENTON AD(ELEMENTIS社製)等を挙げることができる。
上記合成ヘクトライトは、結晶三層構造で、膨張格子を持つ無制限層膨張型トリオクタヘドラルに属するヘクトライトに近似するもので、下記式(II)で表されるものである。
(式中、0<a≦6、0<b≦6、4<a+b <8、0≦c<4、x=12−2a−bである。また、Mは、ほとんどNaである。)合成ヘクトライトは、主な成分としてマグネシウム、ケイ素、ナトリウム及び微量のリチウム、フッ素から成り立っている。
上記合成ヘクトライトは3層構造をしており、層状構造における結晶構造各層は、厚さ約1nmの二次元小板よりなっている。そしてこの小板ユニットの中層に存在するマグネシウム原子の一部が低原子価のリチウム原子と同型置換しており、その結果、小板ユニットは負に帯電している。乾燥状態ではこの負電荷はプレート面の格子構造外側にある置換可能な陽イオンと釣り合っており、固相ではこれらの粒子はファンデルワールス力により互いに結合し平板の束を形成している。
このような合成ヘクトライトを水相に分散すると、置換可能な陽イオンが水和されて粒子が膨潤を起こし、高速ディソルバー等の通常の分散機を用いて分散させると安定なゾルを得ることができる。このように水相に分散された状態では小板は表面が負の電荷となり、相互に静電気的に反発し、小板状の一次粒子にまで細分化された安定なゾルになる。しかし、粒子濃度を増加したり、イオン濃度を増加した場合、表面負電荷による反発力が減少して、負電荷を帯びた小板面に、正電荷を帯びた他の小板端部が電気的に配向することが可能になり、いわゆるカードハウス構造を形成し、増粘性を呈するようになる。
上記合成ヘクトライトを使用すると、このようにして優れた増粘性を発現させることができるため、表面調整剤中だけでなく、濃厚液中のリン酸亜鉛粒子の沈降もより防止することができ、その結果、濃厚液の長期間のより分散安定性を維持することができるものと推察される。また、表面調整剤の濃厚液中でのリン酸亜鉛粒子をより安定化させることができるため、リン酸亜鉛粒子等の成分を分散する際にリン酸亜鉛粒子をより微細化することができ、分散効率をより向上させることもできるものと推察される。
上記合成ヘクトライトの市販品としては、例えば、Laporte Industries Ltd.製の商品名でラポナイトB、S、RD、RDS、XLG、XLS等を挙げることができる。白色粉末であり、水に加えると容易にゾル(ラポナイトS、RDS、XLS)又はゲル(ラポナイトB、RD、XLG)を形成するものである。また、他にコープケミカル社のルーセンタイトSWNも挙げることができる。これらの天然ヘクトライト、合成ヘクトライトは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記表面調整剤は、上記ヘクトライトの含有量が下限3ppm、上限600ppmであることが好ましい。3ppm未満であると、表面調整剤中のリン酸亜鉛粒子の沈降防止効果を充分に得られないおそれがある。600ppmを超えると、金属表面に吸着する等のことが生じるため、後の化成工程に影響を与えるおそれがある。上記下限は、10ppmであることがより好ましく、上記上限は、300ppmであることがより好ましい。
上記表面調整剤は、リン酸亜鉛粒子を分散させる分散媒を含有させることができる。
上記分散媒としては、水を80質量%以上含む水性媒体が挙げられる他、水以外の媒体としては各種有機溶剤を用いることができるが、有機溶剤の含有量は低く抑えるのが良く、好ましくは水性媒体の10質量%以下、更に好ましくは5質量%以下とする。本発明により水以外の分散媒を全く含まない分散液とすることもできる。
水溶性の有機溶剤は特に限定されず、例えば、メタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノプロピルエーテル等のアルコール系溶剤、ヘキサン、へプタン、キシレン、トルエン、シクロヘキサン、ナフサ等の炭化水素系溶剤、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、イソホロン、アセトフェノン等のケトン系溶剤、ジメチルアセトアミド、メチルピロリドン等のアミド系溶剤、酢酸エチル、酢酸イソブチル、酢酸オクチル、酢酸エチレングリコールモノメチルエーテル、酢酸ジエチレングリコールモノメチルエーテル等のエステル系溶剤等を挙げることができる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記表面調整剤は、安定性を更に向上させるために、必要に応じて増粘剤を添加することができる。
上記増粘剤としては特に限定されず、例えば、白土、ケイソウ土、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、酸化チタン、アルミナホワイト、シリカ、水酸化アルミニウム等の無機系増粘剤、ポリアクリル酸エステル、ポリウレタン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリシロキサン、増粘多糖類、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ベンゾグアナミン樹脂等の有機系増粘剤又はこれらの重合体からなる増粘剤等を挙げることができる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記増粘剤の使用に関しては、種類、添加量等を適宜選択すればよい。上記増粘剤の含有量は、通常、表面調整剤100質量%に対して、下限0.01質量%、上限10質量%である。上記下限は、0.1質量%であることが好ましく、上記上限は、5質量%であることが好ましい。更に、作業時の泡を抑える目的で消泡剤、分散液の防菌防黴の目的で防腐剤、防黴剤等を用いることができる。使用に関しては種類、添加量等を適宜選択すれば良い。
上記表面調整剤には、更にリン酸亜鉛粒子を安定させ、次に行われるリン酸塩皮膜化成処理工程において微細な化成皮膜を形成する目的でソーダ灰等のアルカリ塩が添加されてもよい。
上記表面調整剤は、pHが下限3、上限12である。pHが3未満であると、リン酸亜鉛粒子が溶解しやすくなり、不安定となり、次工程に影響を与えるおそれがある。12を超えると、次工程の化成浴のpH低下を招くことにより化成不良の影響が見られるおそれがある。上記下限は、6であることが好ましく、上記上限は、11であることが好ましい。
本発明の表面調整剤は、例えば、以下の方法により製造することができる。
上記リン酸亜鉛粒子は、例えば、原料として使用するリン酸亜鉛を用いて得ることができるものである。原料のリン酸亜鉛はZn(PO・4HOで表されるものであり、一般に無色、結晶性の固体であるが、白色の粉末状態の市販品を入手可能なものである。
上記原料のリン酸亜鉛の製造方法としては、例えば、硫酸亜鉛とリン酸水素二ナトリウムの希釈液をモル比3:2で混合加温すると、リン酸亜鉛の四水和物が結晶性沈殿物として生成する。また、希リン酸水溶液と酸化亜鉛又は炭酸亜鉛とを反応させてもリン酸亜鉛の四水和物を得ることができる。四水和物の結晶は斜方晶系で、3種の変態がある。加熱すると、100℃で二水和物、190℃で一水和物、250℃で無水和物となる。本発明におけるリン酸亜鉛は、これら四水和物、二水和物、一水和物、無水和物のいずれも利用可能であるが、一般に入手容易な四水和物をそのまま用いれば足りる。
また、上記原料のリン酸亜鉛としては、各種の表面処理を行ったものを用いてもよい。例えば、シランカップリング剤、ロジン、シリコーン化合物、ケイ素アルコキシドやアルミニウムアルコキシド等の金属アルコキシドで表面処理したものでもよい。
亜鉛化合物とリン酸とを反応させる際にシリカとポリリン酸を添加することによって微粒子化したリン酸亜鉛を得られること(特公昭49−2005号公報等)、リン酸亜鉛を各種の金属化合物と機械的手段で湿式練和しメカノケミカル的に反応を完結させることでリン酸亜鉛中の亜鉛の一部をマグネシウム、カルシウム、アルミニウム等の金属で置換できること(特開平4−310511号/公報等)が知られているが、例えば、このような手段によりシリカ、カルシウム、アルミニウム等のリン、酸素、亜鉛以外の成分が導入されたものや、ケイ酸変性リン酸亜鉛として市販されるものであってもよい。この場合、ZnO換算で25質量%以上、P換算で15質量%以上のリン酸亜鉛を含んでいることが好ましい。
上記原料のリン酸亜鉛の形状としては特に限定されず、任意の形状のものを使用することができる。市販品は白色の粉末状が一般的であるが、粉末の形状は、微粒子状、板状、鱗片状等、いずれの形状でも構わない。上記原料のリン酸亜鉛の粒径も特に限定されないが、通常、平均粒径が数μm程度の粉末である。特に塩基性付与の処理をすることにより緩衝作用を高めた製品等、防錆顔料として市販されているものが好適に使用される。後述するように、本発明ではリン酸亜鉛粒子が微細に分散した安定な分散液を調製することができるので、原料のリン酸亜鉛としての一次粒径や形状には左右されず、安定した表面処理効果を得ることができるのである。
上記原料のリン酸亜鉛をあらかじめ分散液とすることによって微細に分散させて用いることが好ましい。リン酸亜鉛粒子を水性媒体中に分散させた水性分散液の調製方法は限定されないが、好ましくは、水又は有機溶媒等の上述した分散媒中に原料のリン酸亜鉛を配合し、上述したカルボン酸基含有共重合体の存在下で湿式粉砕を行うことにより達成できる。なお、上記リン酸亜鉛粒子の水性分散液を得るにあたっては、分散液の調製時に原料のリン酸亜鉛を水性媒体に配合して湿式粉砕を行うのが工程上好都合であるが、湿式粉砕を水性媒体以外の分散媒中で行ってから溶媒置換を行って調製してもよい。
上記水性分散液の調製において、上記原料のリン酸亜鉛の配合量は、分散液100質量%中、通常、下限0.5質量%、上限50質量%であることが好ましい。0.5質量%未満であると、リン酸亜鉛の含有量が少なすぎるため分散液を用いて得られる表面調整剤の効果が充分に得られないおそれがある。50質量%を超えると、湿式粉砕により均一で微細な粒度分布を得ることが困難となり、また、微細な分散状態を形成するのが困難となるおそれがある。上記下限は、1質量%であることがより好ましく、上記上限は、40質量%であることがより好ましい。
また、上記水性分散液の調製において、上記カルボン酸基含有共重合体の添加量は、分散液100質量%中、下限0.1質量%、上限50質量%であることが好ましい。0.1質量%未満であると、分散性が充分でないおそれがある。50質量%を超えると、余剰なカルボン酸基含有共重合体等同士の相互作用により分散性が悪くなる場合があり、また、分散が充分であったとしても、経済的には有利ではない。上記下限は、0.5質量%であることがより好ましく、上記上限は、20質量%であることがより好ましい。
上記リン酸亜鉛粒子がD50を3μm以下に微細に分散した分散液を得る方法は限定されないが、好ましくは、分散媒に原料のリン酸亜鉛を0.5〜50質量%と、上記カルボン酸基含有共重合体を0.1〜50質量%となるように存在させて、湿式粉砕する。上記湿式粉砕の方法は特に限定されず、一般的な湿式粉砕の手段を用いれば良く、例えば、ディスク型、ピン型等に代表されるビーズミル、高圧ホモジェナイザー、超音波分散機等に代表されるメディアレス分散機等を用いることができる。
上記湿式粉砕において、リン酸亜鉛粒子のD90をモニターすることによって、過分散の現象を防止し、凝集や増粘、微細粒子同士の凝集といった現象を防止することができる。本発明では、D90を4μm以下となるようにすることが好ましい。また、過分散を生じない程度の配合及び分散条件を選択することが望ましい。
上述した分散液の調製方法により、水性媒体中でのリン酸亜鉛のD50を3μm以下に調節することができ、安定性に優れ、表面調整剤として優れた性能を有する水性分散液を得ることができる。D50は通常、0.01〜3μmの範囲で所望の程度に調節できる。
上述した分散液の調製方法によって水性分散液を調製することにより、3μmを超えるリン酸亜鉛であってもD50が3μm以下の状態で液中に分散することができる。数十μmの一次粒子径を有するリン酸亜鉛であっても同様である。これは、もともと一次粒子径の小さなリン酸亜鉛を用いなくとも、上述した方法に従って湿式粉砕することにより顔料の一次粒子径を小さくすることができることも意味している。上述の方法によれば、水性分散液中のリン酸亜鉛粒子のD50を3μm以下、更には1μm以下、更には0.2μm以下とすることもできるのである。
上述のようにして得られた分散液は、液中のリン酸亜鉛粒子のD50を3μm以下で用途に合せて調節することができ、分散安定性に優れ、表面調整剤として優れた性能を有する水性分散液である。
上記湿式粉砕法により、D90を超える粒径の粒子として示される粗大粒子の割合を低減できるため、特に、分散径の分布としてD90が4μm以下、更には2.6μm以下、更には0.3μm以下の、大分散径のものの抑えられた分散径の分布のシャープな分散液とすることができる。このため、微細な分散径でリン酸亜鉛が分散し、かつ分散状態が極めて安定しているものと推測される。また、粗大粒子の割合が低いことから液中のリン酸亜鉛が効率的に結晶核の生成に寄与すること、また分散径の分布がシャープで粒径が均一であることから、表面調整処理工程においては、より均一な結晶核が形成され、引き続く化成処理により均一なリン酸亜鉛結晶の形成をもたらし、得られる化成処理鋼板の表面性状が均一で優れたものとなること、更にこのことが複雑な構造の部材の袋部や黒皮鋼板のような難化成鋼板に対する処理性を向上していることが推測される。
なお、分散液中のリン酸亜鉛のD50、D90は、レーザードップラー式粒度分析計を用いて粒度分布測定を行ない求めることができる。
上記水性分散液は、特に、リン酸亜鉛を10質量%以上、更には20質量%以上、更には30質量%以上まで配合した高濃度の水性分散液を得ることもできる。このため、高い性能を発揮する表面調整剤を容易に調製することができる。
本発明の表面調整剤は、例えば、上述のようにして得られた水性分散液と他の成分(カルボン酸基含有共重合体、ヘクトライト、2価又は3価の金属亜硝酸化合物、分散媒、増粘剤等)とを混合することによって調製することができる。上記水性分散液と上記他の成分との混合方法は特に限定されず、例えば、水性分散液に他の成分を添加して混合してもよいし、水性分散液の調製中に他の成分が配合されてもよい。
本発明の表面調整方法は、上記表面調整剤を金属表面に接触させる工程からなるものである。これにより、鉄、亜鉛、アルミニウム系等の金属表面にリン酸亜鉛の微細粒子を良好に付着させることができ、化成処理工程で良好な化成皮膜を形成させることができる。特に、鉄又は亜鉛系基材とアルミニウム系基材との接触部のアルミニウム系基材の部分に化成皮膜をより良好に形成することができ、また、アルミニウム系基材、高張力鋼板等に対してより充分な皮膜量の化成皮膜を形成することができる。
上記表面調整方法における表面調整剤と金属表面とを接触させる方法は、特に限定されず、浸漬、スプレー等の従来公知の方法を適宜採用することができる。
上記表面調整が施される金属材料としては特に限定されず、一般にリン酸塩化成処理を施す種々の材料、例えば鉄鋼、亜鉛めっき鋼板、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム合金等に適用可能である。また、鉄鋼又は亜鉛めっき鋼板とアルミニウム又はアルミニウム合金との接触部にも好適に適用することができる。
また、本発明の表面調整剤を用いて、脱脂兼表面調整工程に使用することができる。これにより、脱脂処理後の水洗工程を省略することができる。上記脱脂兼表面調整工程では、洗浄力を高めるために公知の無機アルカリビルダー、有機ビルダー、及び界面活性剤等を添加しても構わない。また、公知のキレート剤、縮合リン酸塩等を添加しても構わない。上記表面調整において、表面調整剤と金属表面との接触時間、表面調整剤の温度は特に限定されず、従来公知の条件で行うことができる。
上記表面調整を行い、次いでリン酸塩化成処理を行ってリン酸塩化成処理鋼板を製造することができる。
上記リン酸塩化成処理方法は特に限定されず、浸漬(ディップ)処理、スプレー処理、電解処理等の種々の公知の方法を適用することができる。これらを複数組み合わせてもよい。析出させるリン酸塩皮膜に関しても、リン酸塩であれば特に限定されず、リン酸亜鉛、リン酸鉄、リン酸マンガン、リン酸亜鉛カルシウム等、何ら制限されるものではない。上記リン酸塩化成処理において、化成処理剤と金属表面との接触時間、化成処理剤の温度は特に限定されず、従来公知の条件で行うことができる。
上記表面調整及び上記化成処理を行った後、更に塗装を行うことにより塗装鋼板を製造することができる。上記塗装方法は電着塗装が一般的である。塗装に用いられる塗料は特に限定されず、一般にリン酸塩化成処理鋼板の塗装に用いられる種々のもの、例えばエポキシメラミン塗料、カチオン電着塗料とポリエステル系中塗塗料とポリエステル系上塗塗料等を挙げることができる。なお、化成処理後、塗装に先だっては洗浄工程を行うといった公知の方法が採用される。
本発明の表面調整剤は、D50が3μm以下であるリン酸亜鉛粒子及び特定のカルボン酸基含有共重合体を含有するpH3〜12のものである。これにより、鉄又は亜鉛系基材とアルミニウム系基材とが接触している部分を有する基材に対して、上記表面調整剤によって表面調整を施し、次いで化成処理を行った場合に、接触部のアルミニウム系基材の部分に化成皮膜を良好に形成することができる。また、アルミニウム合金、高張力鋼板に適用した場合に充分な化成皮膜を形成することができる。更に、特定の成分を使用するものであるため、化成皮膜の形成を著しく促進し、緻密な化成皮膜を形成することができ、D50が3μm以下であるリン酸亜鉛粒子を含有するものであるため、浴中での分散安定性にも優れている。従って、上記表面調整剤は、各種金属材料の表面調整に好適に用いることができる。
本発明の表面調整剤は、上述した構成よりなるので、アルミニウム合金、高張力鋼板に適用した場合に充分な化成皮膜を形成することができ、処理浴中での分散安定性に優れ、化成処理中のアルミニウム合金上の電食を抑制することができるものである。従って、上記表面調整剤は、各種金属材料、特に鉄又は亜鉛系基材とアルミニウム系基材との接触部を有する基材に対しても好適に用いることができる。
以下本発明について実施例を掲げて更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。また実施例中、「部」、「%」は特に断りのない限り「質量部」、「質量%」を意味する。
実施例1 表面調整剤の調製
水87.7質量部に、天然ヘクトライト「BENTON EW」(ELEMENTIS社製)0.3質量部を添加し、ディスパーを使用して3000rpmで30分間攪拌してプレゲルを得た。得られたプレゲルに、市販の「アロンA6020」(アクリル酸40質量%−スルホン酸60質量%のカルボン酸基含有共重合体、東亜合成社製)2質量部、リン酸亜鉛粒子10質量部を添加し、ジルコニアビーズで所定粘度まで分散した。更に、得られた分散液を水で希釈し、苛性ソーダでpHを9.5に調整して表面調整剤を得た(リン酸亜鉛粒子濃度1500ppm、カルボン酸基含有共重合体濃度60ppm、天然ヘクトライト濃度45ppm)。
比較例1 表面調整剤の調製
日本ペイント社製表面調整剤「サーフファイン5N−8」(Ti系)を用い、所定の濃度(0.1質量%希釈液)となるように水を加えて調整した。
比較例2 表面調整剤の調製
「アロンA6020」2質量部の代わりに、ノニオン系界面活性剤「エマルゲン103」(花王社製)0.8質量部を使用した以外は実施例1と同様にして表面調整剤を得た(リン酸亜鉛粒子濃度1500ppm、ノニオン系界面活性剤濃度120ppm、天然ヘクトライト濃度45ppm)。
比較例3 表面調整剤の調製
「アロンA6020」2質量部の代わりに、アクリル酸ホモポリマーNH塩「SNディスパーサント5027」(サンノプコ社製)4質量部を使用した以外は実施例1と同様にして表面調整剤を得た(リン酸亜鉛粒子濃度1500ppm、アクリル酸ホモポリマーNH4塩濃度120ppm、天然ヘクトライト濃度45ppm)。
比較例4 表面調整剤の製造
「アロンA6020」2質量部の代わりに、アクリル酸ホモポリマーNa塩「SNディスパーサント5034」(サンノプコ社製)2質量部を使用した以外は実施例1と同様にして表面調整剤を得た(リン酸亜鉛粒子濃度1500ppm、アクリル酸ホモポリマーNa塩濃度120ppm、天然ヘクトライト濃度45ppm)。
比較例5 表面調整剤の製造
「アロンA6020」2質量部の代わりに、メタクリル酸50質量%−スチレンスルホン酸50質量%のポリマー2質量部を使用した以外は実施例1と同様にして表面調整剤を得た(リン酸亜鉛粒子濃度1500ppm、メタクリル酸−スチレンスルホン酸ポリマー濃度120ppm、天然ヘクトライト濃度45ppm)。
〔試験板の作成1〕
冷延鋼板(SPC)(70mm×150mm×0.8mm)、アルミニウム鋼板(♯6000系)(70mm×150mm×0.8mm)、亜鉛鋼板(GA)(70mm×150mm×0.8mm)、高張力鋼板(70mm×150mm×1.0mm)のそれぞれに、サーフクリーナーEC92(日本ペイント社製脱脂剤)を使用して、40℃で2分間脱脂処理し、次いで、実施例及び比較例で得られた表面調整剤を用いて、室温で30秒間表面調整処理した。
続いて、それぞれの鋼板に、リン酸亜鉛処理液(日本ペイント社製「サーフダインSD6350」)を用いて浸漬法で35℃、2分間化成処理し、水洗、純水洗、乾燥して試験板を得た。
〔試験板の作成2〕
上述した試験板の作成1と同様に、表面調整処理したアルミニウム鋼板及び亜鉛鋼板を作成し、表面調整処理後のアルミニウム鋼板と亜鉛鋼板とをクリップにて接続した。次いで、接続した鋼板に対して、試験板の作成1と同様に化成処理、水洗、純水洗、乾燥して試験板を得た。
〔評価試験〕
下記の方法により評価を行い、結果を表1に示した。
リン酸亜鉛皮膜の化成性(化成皮膜質量(C/W))
(1)SPC試験板の化成皮膜質量の測定
試験板を75℃に加温した三酸化クロムの50g/l溶液中に5分間浸漬して化成皮膜を剥離した。得られた試験板の質量をA(g)とし、上記方法で試験板から化成皮膜を剥離した後との質量をB(g)とし、これらの差(A−B)(g)を、試験板の表面積で割った値として求めた。
(2)アルミニウム試験板及びGA試験板の化成皮膜質量の測定
蛍光X線測定装置「XRF−1700」(島津製作所社製)を使用して化成皮膜質量を測定した。
(3)電食アルミニウム試験板の化成皮膜質量の測定
亜鉛鋼板と接続していた部位を電食部、亜鉛鋼板と接続していない部位を一般部として、蛍光X線測定装置「XRF−1700」(島津製作所社製)にて測定した。なお、電食アルミニウム試験板の概略図を図1に示した。
(4)高張力鋼板の皮膜外観
形成された皮膜の外観を、「均一である。」、「一部サビが生じている。」、「サビが生じている。」との評価基準で評価した。
リン酸亜鉛粒子の粒径の測定
光回折式粒度測定装置(「LA−500」、堀場製作所社製)を用いて粒度分布測定を行い、D50(分散体の平均径)及びD90をモニターし、D50、D90を測定した。
リン酸亜鉛化成皮膜の写真
実施例1及び比較例1の表面調整剤を用いて、作成した試験板の電子顕微鏡写真をそれぞれ図2〜10に示した。
実施例の表面調整剤を使用した場合には、冷延鋼板、アルミニウム鋼板、亜鉛鋼板のすべてに対して、充分な化成皮膜量が形成され、更に、アルミニウム鋼板と亜鉛鋼板との接触部におけるアルミニウム鋼板の部分にも充分に化成皮膜が形成されていた。
本発明の表面調整剤は、自動車車体、家電製品等に使用されている各種金属材料に対して、好適に使用することができるものである。
実施例で使用した電食アルミニウム試験板の概略図である。 実施例1のSPCの電子顕微鏡写真である。 実施例1のGAの電子顕微鏡写真である。 実施例1のALの電子顕微鏡写真である。 実施例1のアルミニウム電食部の電子顕微鏡写真である。 比較例1のSPCの電子顕微鏡写真である。 比較例1のGAの電子顕微鏡写真である。 比較例1のALの電子顕微鏡写真である。 比較例1のアルミニウム電食部の電子顕微鏡写真である。
符号の説明
1 電食部
2 亜鉛鋼板
3 アルミニウム鋼板
4 一般部
5 クリップ

Claims (3)

  1. リン酸亜鉛粒子を含有するpH3〜12の表面調整剤であって、
    前記リン酸亜鉛粒子は、D50が3μm以下であり、
    前記表面調整剤は、更に、
    アクリル酸50質量%未満の量と、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸及び/又はアリルスルホン酸の合計量50質量%を超える量とを含有する単量体組成物を重合して得られるカルボン酸基含有共重合体、及び、
    ヘクトライトを含有するものである
    ことを特徴とする表面調整剤。
  2. ヘクトライトは、天然ヘクトライト及び/又は合成ヘクトライトである請求項記載の表面調整剤。
  3. 請求項1又は2記載の表面調整剤を金属表面に接触させる工程からなることを特徴とする表面調整方法。
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