KR20200081415A - 3가 크롬 화합물을 이용한 금속 표면을 처리하기 위한 공정 및 조성물 - Google Patents
3가 크롬 화합물을 이용한 금속 표면을 처리하기 위한 공정 및 조성물 Download PDFInfo
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Abstract
코팅되지 않은 조건에서 녹의 형성을 감소시키기 위해 페인팅 전에 전처리로서 유용한 수성 조성물이 개시된다. 상기 조성물은 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 선택적으로 과산화수소로 본질적으로 이루어지며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다. 상기 조성물은 약 1 내지 약 4의 pH를 가질 수 있다. 표면을 이러한 수성 조성물과 접촉시키는 단계를 포함하는 금속 표면을 처리하기 위한 공정이 개시된다. 상기 조성물 및 공정은 산업에서 표준으로 간주되는 인산아연 금속 전처리와 비교하여 유익을 제공한다.
Description
본 출원은 그 내용이 인용에 의해 본 출원에 포함되는 2017년 10월 30일자로 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 제62/578,787호에 대한 우선권의 이익을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 금속 표면의 페인트 접착을 부동태화 및 개선하기 위한 조성물 및 이러한 조성물의 용도에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 금속을 위한 제자리 건조(dried-in-place) 코팅물로서 사용하기에 적합한 수성 조성물 및 상기 조성물을 이용하는 방법에 관한 것이다.
페인트 접착 및 페인트된 금속 표면의 부식 방지를 개선하기 위해 금속 표면을 처리하는 공지된 방법은 2가지 일반적인 클래스의 화학을 포함한다. 첫 번째 클래스는 인산아연, 인산철, 크롬산크롬, 인산크롬, 등과 같은 전통적인 컨버전(conversion) 코팅 타입의 화학에 기반한다. 두 번째 클래스는 금속 전처리 산업에서 보다 최근에 개발된 것에 기반하며, 현재 "제자리-건조" 기술로 불리는 것에 의해 특정된다. 전통적인 컨버전 코팅 화학은 적용된 전처리 용액을 제거하기 위해 금속 기재(substrate)를 세정하는 것을 필요로 한다. 제자리-건조 화학은 페인트의 적용 전에 세정하는 일 없이 용액이 적용되는 금속 기재 상에서 상기 적용된 용액이 건조되게 한다.
제자리-건조 공정과 관련하여, 일반적으로 철, 아연, 카드뮴, 알루미늄, 또는 그의 합금과 같은 금속의 표면을 상기 금속의 표면을 용해시키고 "크로메이트 컨버전 코팅물"로 알려진 불용성 필름을 형성하는 화학물질을 함유하는 수성 6가 크롬 용액으로 처리하는 것으로 알려져 있다. 6가 크롬을 함유하는 상기 코팅물은 부식 저항성이며, 부식을 초래하는 다양한 원소로부터 상기 금속을 보호한다. 또한, 6가 크로메이트 컨버전 코팅물은 일반적으로 양호한 페인트 결합 특징을 갖고, 따라서 페인트 또는 다른 마감재를 위한 뛰어난 기반을 제공하는 것으로 알려져 있다.
전술한 코팅물은 부식 저항성 및 페인트 결합 특성을 향상시키지만, 상기 코팅물은 심각한 결점을 갖는다. 6가 크롬은 독성학적 효과를 보여주며, 미국 환경 보호 기관에 의해 환경에 대한 위험요소로, 그리고 미국 직업 안전 및 보건 기관에 의해 건강 위험요소로 결정되었다. 또한, 6가 크롬에 기반한 화학은 상기 기관들에 의해 발암물질로 분류된다.
지난 수십년 내에, 6가 크롬에 의존하지 않는 다양한 조성물 및 공정이 개시되었고 금속 표면을 처리하기 위해 사용되어 왔다. 이러한 한 예는 다른 원소들 중에서도 3가 크롬, 포스페이트 이온, 및 분산된 실리카를 포함하는 조성물을 이용한 제자리-건조 방법을 개시하는 라우쉬(Rausch) 등의 미국 특허 제4,169,741호에 개시되어 있다.
6가 크롬이 없지만 종래의 6가 크롬-기반의 코팅물과 필적할만하고 알루미늄과 같은 금속 표면의 페인트 접착 및 부식 저항성을 여전히 개선할 수 있는 코팅 및 공정을 제공하는 것이 매우 요망된다. 부가적으로, 낮은 비저항과 적절한 코팅 중량으로 뛰어난 부식 저항성을 갖는 보호성 코팅을 제공하는 것이 필요하다.
본 발명은 페인트 접착 및 부식 저항성을 개선 및/또는 낮은 전기 접촉 저항을 유지하기 위해 금속 표면을 처리하기 위한 조성물에 관한 것이다. 상기 조성물은 페인트-이전(pre-paint) 처리로 사용될 수 있고, 구리, 황동, 마그네슘, 알루미늄, 철, 아연, 카드뮴, 또는 그의 합금의 처리를 위해 사용하기 위한 의도이다. 한 구현예에서, 상기 조성물은 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 선택적으로 과산화수소를 포함하며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 조성물은 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 과산화수소로 본질적으로 이루어지며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 조성물은 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 과산화수소로 이루어지며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다.
구현예에서, 상기 3가 크롬 화합물은 약 10 중량% 내지 약 5 중량%; 약 10 중량% 내지 약 2.5 중량%, 약 10 중량% 내지 약 1 중량%, 또는 약 10 중량% 내지 약 0.5 중량% 사이의 양으로 존재한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 실리카는 2 중량% 이하; 1.75 중량% 이하; 또는 1.5 중량% 이하의 양으로 존재한다.
또 다른 구현예에서, 본 발명은 금속 표면을 처리하기 위한 공정이다. 상기 공정은 상기 금속 표면을 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 선택적으로 과산화수소를 포함하는 조성물과 접촉시키는 단계를 포함하며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다.
추가 구현예에서, 본 발명은 (1) 금속 표면을 청소하여 청소된 금속 표면을 형성하는 단계; (2) 상기 청소된 금속 표면을 물로 세정하여 세정된 금속 표면을 형성하는 단계; 및 (3) 상기 세정된 금속 표면을 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 과산화수소를 포함하는 조성물과 접촉시키는 단계;를 포함하는 금속 표면을 처리하기 위한 공정이며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다.
다른 추가 구현예에서, 상기 공정은 상기 세정된 금속 표면을 상기 조성물과 접촉시킨 후, 부가적으로 상기 금속 표면을 다시 물로 세정하고, 이후 상기 금속 표면을 밀봉하는 단계를 포함한다.
상기 공정은, 상기 제1 접촉 단계 이전에, 부가적으로 상기 금속 표면을 알칼리성 청소제(cleaner)로 청소하고 세정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 공정은, 상기 금속 표면을 상기 전처리 조성물과 접촉시킨 후, 상기 금속 표면을 물로 세정하고, 이후 상기 금속의 표면을 페인팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 과산화수소를 포함하는 상기 수성 전처리 조성물의 pH는 바람직하게는 산성이고, 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 4의 pH를 가지며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다.
전술한 일반적인 기재 및 이후의 상세한 설명은 모두 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 제한하는 것이 아님이 이해되어야 한다.
본 발명은 부속하는 도면과 함께 고려할 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 상례에 따라, 상기 도면의 다양한 특징들은 일정한 비율이 아님이 강조된다. 반대로, 상기 다양한 특징은 명확성을 위해 임의적으로 확장 또는 감소된다. 상기 도면에는 다음의 도면들이 포함된다.
도 1은 금을 긋고 ASTM B117에 따라 250시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 1과 대조군 조성물을 비교한 결과를 나란히 비교한 사진이다.
도 2는 금을 긋고 ASTM B117에 따라 250시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 1과 대조군 조성물을 비교한 결과를 나란히 비교한 사진이다.
도 3은 금을 긋고 ASTM B117에 따라 500시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 1 및 조성물 2와 대조군 조성물을 비교한 결과를 나란히 비교한 사진이다.
도 4는 금을 긋고 ASTM B117에 따라 250시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 2로부터의 결과를 나란히 보여주는 사진이다.
도 5는 금을 긋고 ASTM B117에 따라 250시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 1과 라우쉬 특허에 개시된 실시예 1의 조성물을 비교한 결과를 나란히 비교한 사진이다.
도 6은 금을 긋고 ASTM B117에 따라 250시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 1과 라우쉬 특허에 개시된 실시예 1의 조성물을 비교한 결과를 나란히 비교한 사진이다.
도 1은 금을 긋고 ASTM B117에 따라 250시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 1과 대조군 조성물을 비교한 결과를 나란히 비교한 사진이다.
도 2는 금을 긋고 ASTM B117에 따라 250시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 1과 대조군 조성물을 비교한 결과를 나란히 비교한 사진이다.
도 3은 금을 긋고 ASTM B117에 따라 500시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 1 및 조성물 2와 대조군 조성물을 비교한 결과를 나란히 비교한 사진이다.
도 4는 금을 긋고 ASTM B117에 따라 250시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 2로부터의 결과를 나란히 보여주는 사진이다.
도 5는 금을 긋고 ASTM B117에 따라 250시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 1과 라우쉬 특허에 개시된 실시예 1의 조성물을 비교한 결과를 나란히 비교한 사진이다.
도 6은 금을 긋고 ASTM B117에 따라 250시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출된 패널에 대해 조성물 1과 라우쉬 특허에 개시된 실시예 1의 조성물을 비교한 결과를 나란히 비교한 사진이다.
본 발명은 금속 표면을 처리하기 위한 조성물 및 공정에 관한 것이다. 본 발명에 따른 조성물은 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 선택적으로 과산화수소를 포함하고, 바람직하게는 이로 본질적으로 이루어지고, 가장 바람직하게는 이로 이루어지며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다. 본 발명에 따른 공정은 금속 표면을 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 선택적으로 과산화수소를 포함하는 상기 조성물과 접촉시키는 단계를 포함하며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다.
본 발명의 수성 조성물은 청소 후에 소정의 최종 코팅이 금속 표면에 적용되기 전에 상기 금속 표면에 적용되어서, 다음 중 적어도 하나에 기여한다: (1) 상기 금속 표면의 페인트 접착을 개선; (2) 상기 금속 표면의 부식 저항성을 개선; 및 (3) 상기 금속 표면의 비저항을 유지 또는 감소. 본 발명의 조성물은, 다른 적어도 하나의 특징이 더 작은 정도로 악화되더라도, 상기 특징들 중 하나 또는 둘을 현저하게 개선하는 조성물을 포함한다. 상기 개선은 상기 조성물 단독으로 인하거나 다른 공정 단계들의 조성물과의 조합으로 인한 것일 수 있다. 이러한 조성물은 본 명세서 또는 금속 처리 산업에서 전처리 조성물, 컨버전 코팅물, 또는 작업 조성물로 불린다. "비저항"은 단위 표면적 당 저항으로 정의된다; 비저항의 전형적인 단위는 평방 인치 당 마이크로옴이다.
본 명세서에서 사용된 것과 같이, 용어 "6가 크롬 화합물"은 크롬의 화합물, 다시 말해 염을 의미하며, 상기 크롬은 플러스 6의 원자가를 갖는다. 넓은 범위의 음이온이 사용될 수 있고, 하나 이상의 6가 크롬 화합물이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 6가 크롬 화합물은 무수 크롬산(CrO3), 크롬산(H2CrO4), 또는 크롬산크롬(Cr5O12)이다.
본 명세서에서 사용된 것과 같이, 예를 들면 "금속 표면"의 구에서 사용된 용어 "금속"은 구리, 황동, 마그네슘, 알루미늄, 철, 아연, 카드뮴, 또는 그의 합금을 포함한다. 열거된 각각의 금속은 금속 원소 및 그의 합금 모두를 포함한다; 예를 들면, 용어 "알루미늄"은 알루미늄 및 알루미늄 합금을 의미한다. 용어 "합금"은 주된 원소가 다른 모든 원소보다 더 높은 함량을 갖거나, 다른 모든 원소의 가장 높은 함량과 동일한 함량을 갖는 금속이다(예컨대, 알루미늄 합금은 알루미늄이 임의의 다른 원소와 적어도 동일한 양으로 존재하는 금속이다). 철 합금은 냉간압연강, 전기아연도금강, 및 용융 아연도금강을 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 조성물은 구리, 황동, 마그네슘, 알루미늄, 및 철의 합금을 포함하는 범위의 금속을 처리하기 위해 사용된다.
본 명세서에서 사용된 것과 같이, 용어 "전처리 조성물"은 금속 표면의 페인트 접착을 개선하고, 전기 접촉 저항을 낮추고, 부식 저항성을 개선하는 임의의 조성물을 의미한다. 수성 전처리 조성물은 페인팅 전에 전처리로서 사용되며, 코팅되지 않은(페인팅되지 않은) 조건에서 부식의 형성을 감소시키기 위한 부동태화 처리로서 사용될 수 있다. 따라서, 상기 조성물은 편의상 전처리 조성물로 불릴 수 있지만, 이후에 적용되는 페인트의 접착을 개선하고 페인팅되지 않은 표면의 부식에 저항하기 위해 사용되는 조성물이다.
본 명세서에서 사용된 것과 같이, 용어 "처리하는"은 처리물을 적용하거나, 전처리물을 청소, 세정, 및 적용하는 것을 의미한다. 상기 전처리물은 또한 상기 금속 표면을 밀봉하기 위한 밀봉재로 기능하며, 따라서 용어 "처리하는"은 선택적으로 상기 금속 표면을 밀봉하는 단계를 포함할 것이다. 또한, "처리하는"은 선택적으로 페인팅까지 및 이를 포함하는 공정 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 처리 단계는 또한 페인팅과 같은 장식성 코팅을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 전처리물을 적용한 후, 상기 전처리물은 먼저 세정되거나, 페인트의 적용 전에 제자리-건조될 수 있다. 상기 각각의 단계는 최종 제품의 능력에 역할을 하여 부식에 저항하고 페인트 손실을 최소화한다. 전술한 것과 같이, 상기 처리 조성물은 페인트-이전 처리물로서 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 것과 같이, 용어 "3가 크롬 화합물"은 크롬의 화합물, 다시 말해 염을 의미하며, 상기 크롬은 플러스 3의 원자가를 갖는다. 6가 크롬은 이러한 화합물 내에 존재하지 않는다(또는 최악의 경우에도 미미하고 중요하지 않은 양만 존재한다). 넓은 범위의 음이온이 사용될 수 있으며, 하나 이상의 3가 크롬 화합물이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 3가 크롬 화합물은 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 화합물이며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다.
대안적 구현예에서, 본 발명의 조성물은 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 화합물, 실리카 화합물, 및 선택적으로 과산화수소로 본질적으로 이루어지며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다. 이러한 조성물은 첨가제를 포함할 수 있지만, 언더커팅(undercutting)을 촉진하는 할라이드 이온은 배제한다. 언더커팅이 일어난다면, 성능의 감소가 뒤따른다.
다양한 성분들의 적절한 농도 범위는 그 용해도에 의존한다. 농도가 너무 낮으면, 금속 표면을 덮고 그 기능을 발휘하기에는 구성성분의 양이 불충분하다. 용해도 상한 이상에서, 용질은 용액으로부터 나오기 시작할 수 있다. 본 발명의 구현예에서, 상기 3가 크롬 화합물은 약 10 중량% 내지 약 5 중량%; 약 10 중량% 내지 약 2.5 중량%, 약 10 중량% 내지 약 1 중량%, 또는 약 10 중량% 내지 약 0.5 중량%의 양으로 존재한다. 본 발명의 구현예에서, 상기 실리카는 2 중량% 이하; 1.75 중량% 이하; 또는 1.5 중량% 이하의 양으로 존재한다.
상기 전구체 6가 크롬 화합물이 무수 크롬산(CrO3)인 본 발명의 구현예에서, 상기 크롬산은 먼저 인산의 존재 하에 환원되어 3가 크롬 화합물인 인산이수소크롬(Cr(H2PO4)3)을 생성한다. 과산화수소는 환원제이다. 상기 크롬이 환원된 후, 실리카가 첨가된다. 다음의 pH 범위가 소정의 다른 조건에서 바람직한 것으로 나타났다: 1 내지 4.
전술한 조성물은 작업조(working bath)에 있다. 물론, 다시 말해 상기 작업조 농도의 10 내지 100배 증가된 농도까지의 농축물의 형태로 생성물을 운반하는 것이 바람직하다. 이러한 농도의 상한은 그 용해도 한계를 충족 또는 상회하는 제1 구성성분의 용해도 한계이다.
상기 조성물이 냉간압연강을 처리하기 위해 사용될 때, 상기 조성물의 pH는 바람직하게는 1 내지 4이고, 보다 바람직하게는 상기 pH는 약 1.75이다.
본 발명에 따른 조성물은 임의의 수의 순서로 상기 성분들을 혼합함으로써 제조될 수 있다. 6가 크롬 화합물이 전구체 물질인 비-제한적 구현예에서, 상기 6가 크롬 화합물은 먼저 인산의 존재 하에 환원되어 3가 크롬 화합물인 인산이수소크롬(Cr(H2PO4)3)을 생성한다. 과산화수소는 환원제이다. 상기 크롬이 환원된 후, 실리카가 첨가된다. 6가 크롬 화합물이 전구체 물질인 다른 비-제한적 구현예에서, 상기 6가 크롬 화합물은 상기 6가 크롬 화합물이 완전히 환원될 때까지 인산 및 과산화수소를 함유하는 용액 내로 계량된다. 상기 크롬이 환원된 후, 실리카가 첨가된다.
한 비-제한적 구현예에서, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물과 물을 조합함으로써 농축물(즉, 마스터 배치)이 생성되며, 여기서 x는 1.5 내지 2이다. 이후, 실리카 화합물이 상기 용액에 첨가될 수 있다. 이후, 상기 농축물은 바람직하게는 탈이온수로 희석되어 상기 금속 처리 부위에 사용하기 전에 원하는 농도를 생성할 수 있다.
비-제한적 구현예에서, 상기 반응이 완료될 때, 일부 잔류 과산화수소가 남아 있을 수 있다. 반대로, 다른 비-제한적 구현예에서, 상기 과산화수소는 완전히 이용된다. 바람직하게는, 상기 반응이 완료될 때, 상기 과산화수소 농도는 다음의 범위 이내이다: 1 그램의 Cr(H2PO4)3 당 0 내지 약 0.85 그램의 H2O2 (35%).
본 기술분야에 잘 알려진 부가적인 성분이 본 발명의 조성물 내에 포함될 수 있다. 예를 들면, 불화계면활성제(fluorosurfactant)와 같은 습윤제가 포함되어 습윤성을 개선할 수 있다. 일부 경우에 있어서, 더 높은 점도를 요구하는 적용분야에서는 점증제가 또한 포함될 수 있다.
본 발명의 공정에 있어서, 금속 표면은 본 발명의 전처리 조성물로 코팅된다. 상기 코팅 단계에서, 상기 조성물은 본 기술분야에 알려진 임의의 수의 기술에 의해 상기 금속 표면과 접촉할 수 있다. 이러한 방법 중 하나는 상기 금속이 전처리 조에서 침지되는 침지 코팅이다. 본 기술분야에 알려진 다른 기술은 분무, 롤 코팅, 또는 리버스 롤 코팅뿐만 아니라 수동 적용(예컨대, 브러싱)을 포함한다. 상기 코팅 단계는 금속 표면에 원하는 코팅을 달성하기에 충분한 시간 동안 행해지며, 이는 경험적으로 결정될 수 있다. 원하는 코팅의 중량은 본 기술분야에 잘 알려진 다수의 인자에 의존할 것이다. 한 구현예에서, 상기 코팅의 양은 중량-스트립-중량 방법에 의해 결정될 때 각각의 제곱 피트의 건조된 금속 표면 당 약 0.1 내지 약 30 밀리그램의 크롬 및 포스페이트를 남기기에 충분하다. 다른 구현예에서, 상기 코팅의 양은 X-선 형광에 의해 결정될 때 각각의 제곱 피트의 건조된 금속 표면 당 약 1 내지 약 10 밀리글매의 크롬, 가장 바람직하게는 X-선 형광에 의해 결정될 때 각각의 제곱 피트의 건조된 금속 표면 당 약 2.5 내지 약 3.5 밀리그램의 크롬을 남기기에 충분하다. 포함된 원소의 농도가 더 높은 용액을 이용함으로써, 더 적은 잔류 시간으로 원하는 양의 건조된 코팅을 남기는 것이 가능하다.
부식 저항성을 개선하고, 페인트 접착을 개선하고, 및/또는 낮은 전기 접촉 저항을 유지하기 위해 금속 표면을 처리하기 위한 공정은 (1) 상기 금속 표면을 청소하여 청소된 금속 표면을 형성하는 단계; (2) 상기 청소된 금속 표면을 물로 세정하여 세정된 금속 표면을 형성하는 단계; 및 (3) 상기 세정된 금속 표면을 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 과산화수소를 포함하는 조성물과 접촉시키는 단계;를 포함하며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다.
상기 청소 단계는 본 기술분야에 알려진 임의의 방식으로 수행될 수 있다. 본 발명에서 사용하기에 적합한 청소제의 타입은 처리되는 금속, 원하는 적용분야, 및 금속 표면의 불순물 및 토양의 양 및 타입을 포함하는 다수의 인자에 따라 변할 것이다. 이와 같이, 바람직한 청소제는 이러한 인자들에 기반하여 경험적으로 결정될 수 있다. 한 비-제한적 구현예에서, 알칼리성 청소제가 사용된다. 본 발명과 연관되어 사용될 수 있는 예시적인 알칼리성 청소 제제는 Reading, Pa의 주식회사인 Bulk Chemicals에 의해 시판되는 알칼리성 액체 청소제인 Bulk Kleen® 841MC 청소제다. 다른 비-제한적 구현예에서, 인산 청소제가 사용된다. 일반적으로, 상기 청소 단계는 금속 표면을 알칼리성 청소 용액의 조와 접촉시켜 청소된 금속 표면을 형성함으로서 달성될 수 있다. 상기 알칼리성 청소 용액은 알칼리성 청소 제제의 수성 용액일 수 있다. 상기 청소 조는 금속 표면으로부터 오일 및 다른 오염물을 제거함으로써 상기 금속 표면을 청소한다. 상기 청소 조는 느슨한 불순물 및 표면 토양을 제거하기에 효과적이다. 따라서, 상기 청소 조는 상기 금속 표면으로부터 토양 및 소정의 불순물을 제거한다. 상기 금속 표면에 토양이 많다면, 세제인 청소 첨가제가 상기 청소 단계에 포함될 수 있다.
본 명세서에서, 알칼리성 청소 용액에 의해 접촉되는 금속 표면은 "청소된 금속 표면"이라 불린다. 이것은 청소 조에 노출된다는 의미에서 청소된다. 그러나, 실질적으로 모든 불순물이 제거되어서 전처리 조성물에 노출될 준비가 되었다는 의미에서 완전하게 청소되지 않을 수 있다. 일부 경우에 있어서, 적절하게 청소될 수 있지만, 다른 경우에 있어서, 전처리 조성물과 접촉되기 이전에 먼저 물로 세정되어야 한다(즉, 실질적으로 모든 불순물이 이 시점에 제거된다).
상기 세정 단계는 본 기술분야에 잘 알려져 있으며, 바람직하게는 탈이온수가 사용된다. 탈이온수를 사용하면 시스템 내로 염화물 이온과 같은 임의의 해로운 이온이 도입되는 것을 방지한다. 상기 세정 단계는 2 단계일 수 있으며, 제1 세정 단계는 수돗물을 이용하여 행해지고, 이후 탈이온수로 세정된다.
상기 금속 표면을 상기 조성물과 접촉시키는 단계 (3) 이후에, 본 기술분야에 잘 알려진 것과 같이, 상기 금속 표면은 다시 한번 물로 세정될 수 있다. 이후, 상기 세정된 금속 표면은 밀봉될 수 있다. 산업에서 잘 알려진 임의의 화학적 밀봉 조성물이 사용될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 상기 전처리 조성물은 단지 물, 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물, 실리카 화합물, 및 과산화수소를 포함하는 조성물을 포함할 수 있으며, 여기서 x는 1.5 또는 2일 수 있다. 밀봉 조성물이 사용될 때, 바람직하게는 중재하는(intervening) 세정 단계가 적용된다.
단계 (3) 또는 이후의 임의의 밀봉 단계 이후에, 상기 금속 표면은 건조되거나, 세정 및 건조되고, 이후 장식성 코팅이 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 표면은 페인트 또는 락커가 칠해질 수 있거나, 먼저 프라이밍된 후 페인트가 칠해질 수 있다. 이러한 프라이밍 및 페인팅 단계는 본 기술분야에서 "마감 단계"로 알려져 있으며, 임의의 공지되고 적합한 마감 단계가 사용될 수 있다. 적합한 페인트는 다른 것들 중에서도 아크릴성 페인트 및 불화탄소 페인트를 포함한다.
유추될 수 있는 것과 같이, 상기 단계 (3) 또는 이후의 임의의 밀봉 단계 이후에, 상기 금속 표면은 건조될 수 있고, 이후 상기 단계들 사이에 중재하는 세정 단계 없이 장식성 코팅(페인트 층)이 적용된다. 상기 대안적 공정은 "제자리-건조" 전처리로 알려져 있다. 상기 전처리가 "제자리-건조"이거나 중재하는 세정 단계가 있는지 여부와 무관하게, 임의의 공지된 건조 방법이 도입될 수 있다. 상기 코팅은, 예를 들면, 오븐, 강제 공기, 등에 의해 건조될 수 있다.
다양한 단계의 조에서 상기 금속 표면을 처리하는 시간을 결정하는 것은 본 기술분야에 잘 알려져 있다. 단지 청소(상기 청소 단계의 경우) 또는 반응(상기 전처리 또는 밀봉 단계의 경우)을 위한 충분한 시간을 허용하기에 충분히 길 필요만 있다. 매우 짧거나 30분 정도로 길 수도 있으며, 다른 것들 중에서도 처리 단계, 적용분야(예컨대, 침지, 분무)의 타입, 금속 표면의 타입, 및 원하는 코팅 중량에 의존한다. 상기 조성물 용액 내에서 기재의 침지 시간은 단계에 따라 다양할 것이며, 일반적으로 대략 1분 내지 약 10분까지 사이에서 변한다. 침지를 위한 시간은 전형적으로 접촉 방법으로서 분무가 사용될 때보다 더 길다. 세정 시간은 일반적으로 예컨대 30초 내지 1분으로 매우 짧을 수 있다. 구체적인 처리 시간은 넓은 범위에 걸쳐서 다양할 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 즉시 결정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 성능 특징은 양호한 페인트 접착 및 부식 저항성을 갖는 전처리된 금속 표면을 생성하기 위해 전술한 공정 단계에 의해 달성될 수 있다. 상기 특징은 장식성 코팅 없이 상기 금속 표면에 수득된다. 따라서, 상기 처리된 금속 표면은 페인팅되지 않은 생성물로서 사용될 수 있고, 상기 처리 단계 및 이후의 임의의 페인팅 사이가 지연될 때 조차도 부식 저항성을 나타낼 것이다.
본 발명의 조성물 및 공정은 본 발명의 기본적이고 신규한 특징에 영향을 미치는 부가적인 성분들을 사용하지 않고도 전술한 유익을 제공한다. 상기 조성물에 충분한 양이 첨가될 때, 다른 성분들은 상기 신규한 특징에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 소정 성분들은 상기 조성물을 불안정하게 할 수 있다. 이러한 성분들은 처리물의 반감기에 영향을 미칠 수 있다. 다른 성분들은 본 발명의 조성물 및 공정의 성능을 떨어뜨릴 수 있다.
요약하면, 본 발명은 뛰어난 페인트 접착 및 부식 저항성을 여전히 유지하면서 금속을 처리하기 위한 환경 친화적인 조성물 및 공정을 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 6가 크롬의 사용 및 이와 연관된 건강 위험요소 및 폐기 문제를 방지한다.
실시예
다음의 실시예는 본 발명의 전체적인 본성을 보다 명확하게 설명하기 위해 포함된다. 도 1 내지 도 6은 본 발명의 수성 조성물을 도입함으로써 수득되는 개선된 결과를 도시한다. 상기 실시예는 본 발명을 예시하는 것이며, 제한하는 것은 아니다.
아래의 실험에서, 먼저 하기 표 1에 나타낸 원료 물질의 조합을 통해 한 배치(batch)의 Cr(H2PO4)3을 합성하였다.
| 원료 물질 | 중량(g) | 중량% |
| CrO3 (40%) | 63.5 | 29.1 |
| H3PO4 (75%) | 99.5 | 45.6 |
| H2O2 (35%) | 55.1 | 25.3 |
총 87.1 그램의 인산이수소크롬(Cr(H2PO4)3)을 합성하였다. 물을 상기 용액에 추가로 첨가하였으며, 상기 마스터 배치의 최종 농도는 39.2 중량%로 결정되었다. 상기 마스터 배치를 물로 추가로 희석하여 하기 표 2에 나타낸 2가지 개별 조성물을 생성하였다.
| 조성물 1 (도면에서 #4로 나타냄) |
조성물 2 (도면에서 #6으로 나타냄) |
|||
| 원료 물질 | 중량% | 활성 % | 중량% | 활성 % |
| Cr(H2PO4)3 (39.2%) | 22.96 | 9.00 | 15.31 | 6.00 |
| 물 | 63.84 | 89.42 | 75.89 | 92.94 |
| Aerodisp W7512S (12%) | 13.20 | 1.58 | 8.80 | 1.06 |
테스트 패널의 제조 - 조성물 1
냉간압연강 패널을 다음의 분무 공정을 통해 처리하였다. 첫 번째로, 상기 패널을 3% v/v의 Bulk Kleen® 841MC 용액으로 165℉에서 5초 동안 청소하였다. Bulk Kleen® 841MC는 강, 아연, 및 알루미늄 부분을 청소하기 위해 디자인된 알칼리성 청소제이다. 두 번째로, 상기 패널을 주위 온도에서 30초 동안 세정하였다. 세 번째로, 상기 패널을 다시 3% v/v의 Bulk Kleen® 841MC로 165℉에서 5초 동안 청소하였다. 네 번째로, 상기 패널을 주위 온도에서 30초 동안 탈이온수로 세정하였다. 다섯 번째로, 롤 코터를 이용하여 조성물 1을 상기 패널에 적용하였다. 여섯 번째로, 상기 패널을 뜨거운 공기를 이용하여 건조시켰다. 일곱 번째로, 모든 패널을 고반사성 백색 단일 코트 폴리에스테르를 이용하여 0.7-0.8 밀(mil)의 건조 필름 두께로 페인팅하였다.
테스트 패널의 제조 - 조성물 2
냉간압연강 패널을 다음의 분무 공정을 통해 처리하였다. 첫 번째로, 상기 패널을 3% v/v의 Bulk Kleen® 841MC 용액으로 165℉에서 5초 동안 청소하였다. 두 번째로, 상기 패널을 주위 온도에서 30초 동안 세정하였다. 세 번째로, 상기 패널을 다시 3% v/v의 Bulk Kleen® 841MC로 165℉에서 5초 동안 청소하였다. 네 번째로, 상기 패널을 주위 온도에서 30초 동안 탈이온수로 세정하였다. 다섯 번째로, 롤 코터를 이용하여 조성물 2를 상기 패널에 적용하였다. 여섯 번째로, 상기 패널을 뜨거운 공기를 이용하여 건조시켰다. 일곱 번째로, 모든 패널을 고반사성 백색 단일 코트 폴리에스테르를 이용하여 0.7-0.8 밀의 건조 필름 두께로 페인팅하였다.
테스트 패널의 제조 - 대조군 제형
냉간압연강 패널을 다음의 분무 공정을 통해 처리하였다. 첫 번째로, 상기 패널을 3% v/v의 Bulk Kleen® 841MC 용액으로 165℉에서 5초 동안 청소하였다. 두 번째로, 상기 패널을 주위 온도에서 30초 동안 세정하였다. 세 번째로, 상기 패널을 다시 3% v/v의 Bulk Kleen® 841MC로 165℉에서 5초 동안 청소하였다. 네 번째로, 상기 패널을 주위 온도에서 30초 동안 탈이온수로 세정하였다. 다섯 번째로, 12% v/v의 Bulk Bond® 780을 분무 와셔(washer)로 165℉에서 8초 동안 적용하였다. Bulk Bond® 780은 강 상에 부식-저항성, 페인트 결합, 인산철 코팅을 생성하기 위해 코일 코팅 공정에서 사용되는 액체 화학물질이다. 이후, 상기 패널을 탈이온수로 세정하였다. 여섯 번째로, 상기 패널을 뜨거운 공기를 이용하여 건조시켰다. 일곱 번째로, 이후 상기 대조군 패널을 롤 코터를 이용하여 35% v/v의 Bulk Bond® NP250으로 밀봉하였다. Bulk Bond® NP250은 다중-금속 표면에 대한 부동태화/전처리로서 밀(mill) 적용되기 위해 디자인된 액체 크롬/실리카 제품이다. 여덟 번째로, 모든 패널을 건조시켰고, 고반사성 백색 단일 코트 폴리에스테르를 이용하여 0.7-0.8 밀의 건조 필름 두께로 페인팅하였다.
테스트 패널의 제조 - 라우쉬 제형
냉간압연강 패널을 다음의 분무 공정을 통해 처리하였다. 첫 번째로, 상기 패널을 3% v/v의 Bulk Kleen® 841MC 용액으로 165℉에서 5초 동안 청소하였다. 두 번째로, 상기 패널을 주위 온도에서 30초 동안 세정하였다. 세 번째로, 상기 패널을 다시 3% v/v의 Bulk Kleen® 841MC로 165℉에서 5초 동안 청소하였다. 네 번째로, 상기 패널을 주위 온도에서 30초 동안 탈이온수로 세정하였다. 다섯 번째로, 롤 코터를 이용하여 라우쉬 등의 특허의 실시예 1에 개략적으로 나타낸 조성물을 상기 패널에 적용하였다. 여섯 번째로, 상기 패널을 뜨거운 공기를 이용하여 건조시켰다. 일곱 번째로, 모든 패널을 고반사성 백색 단일 코트 폴리에스테르를 이용하여 0.7-0.8 밀의 건조 필름 두께로 페인팅하였다.
이후, 모든 테스트 패널을 ASTM B117에 따라 250 또는 500 시간의 기간 동안 중성 염 분무에 노출하였다. 수득된 결과의 사진 비교는 도 1 내지 도 5에 나타나 있다. 보여지는 바와 같이, 조성물 1 및 조성물 2는 대조군 제형(즉, Bulk Bond® 780)에 필적하는 보호를 제공하였고, 라우쉬 등의 제형을 능가하였다. 구체적으로, 조성물 1 및 조성물 2는 상기 대조군 제형과 유사한 부식 및 피팅(pitting)을 나타내었지만, 라우쉬 등의 제형은 증가된 부식 및 피팅을 나타내었다.
임의의 구체적인 이론에 구애됨이 없이, 조성물 1 및 조성물 2는 라우쉬 등의 제형에 존재하는 크롬, 포스페이트, 및 실리카 이외의 부가적인 이온으로 인해 상기 라우쉬 등의 제형을 능가하는 것으로 여겨진다.
소정의 구체적인 구현예 및 실시예를 참조하여 상기에서 실증 및 개시되었지만, 그럼에도 불구하고 본 발명은 개시된 구체적인 내용에 제한되기 위한 의도는 아니다. 오히려, 다양한 변형이 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 청구항과 등가인 범위 및 영역 내에서 상세하게 행해질 수 있다. 예를 들면, 본 문서에서 넓게 인용된 모든 범위는 상기 더 넓은 범위 내에 속하는 모든 더 좁은 범위도 그 범위 내에 포함하는 것임이 분명히 의도된다. 또한, 전술한 다양한 조성물을 이용하는 방법의 단계들은 임의의 특정 순서로 제한되는 것이 아님이 분명히 의도된다.
Claims (18)
- 물;
실리카;
식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물(여기서, x는 1.5 또는 2일 수 있음);을 포함하는, 금속 표면을 처리하기 위한 수성 전처리 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 전처리 조성물은 산성인 수성 전처리 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 전처리 조성물은 약 1 내지 약 4의 pH를 갖는 수성 전처리 조성물. - 청구항 1에 있어서,
과산화수소를 추가로 포함하는 수성 전처리 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 3가 크롬 화합물은 약 10 중량% 내지 약 0.5 중량%의 양으로 존재하는 수성 전처리 조성물. - 청구항 1에 있어서,
x는 1.5인 수성 선처리 조성물. - 청구항 1에 있어서,
x는 2인 수성 선처리 조성물. - 물;
실리카;
식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물(여기서, x는 1.5 또는 2일 수 있음);로 이루어지는, 금속 표면을 처리하기 위한 수성 전처리 조성물. - 청구항 8에 있어서,
상기 전처리 조성물은 산성인 수성 전처리 조성물. - 청구항 8에 있어서,
상기 전처리 조성물은 약 1 내지 약 4의 pH를 갖는 수성 전처리 조성물. - 청구항 8에 있어서,
상기 전처리 조성물은 산성인 수성 전처리 조성물. - 청구항 8에 있어서,
상기 3가 크롬 화합물은 약 10 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 존재하는 수성 전처리 조성물. - 청구항 8에 있어서,
x는 1.5인 수성 선처리 조성물. - 청구항 8에 있어서,
x는 2인 수성 선처리 조성물. - 6가 크롬 화합물을 인산의 존재 하에 약 1 내지 약 4의 pH에서 과산화수소로 환원하여 식 Cr(HxPO4)3을 갖는 3가 크롬 화합물(여기서, x는 1.5 또는 2일 수 있음)을 생성하는 단계; 및
상기 6가 크롬 화합물이 완전히 환원된 후 실리카를 첨가하는 단계;로 이루어지는 금속 전처리 조성물의 제조 방법. - 청구항 15에 있어서,
상기 실리카는 Aerodisp W7512S인 방법. - 금속 표면을 청구항 1의 조성물로 롤 코팅하는 단계;
상기 금속 표면을 청구항 1의 조성물로 약 300초까지의 기간 동안 분무하는 단계; 또는
상기 금속 표면을 청구항 1의 조성물로 약 300초까지의 기간 동안 침지시키는 단계;를 포함하는 금속 표면의 코팅 방법. - 청구항 17에 있어서,
상기 금속 표면은 아연, 아연 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 강, 아연 코팅 강, 및 알루미늄 합금을 갖는 아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
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-
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