WO2010130575A1 - Anionische netzmittel zur stabilisierung selbstabscheidender zusammensetzungen enthaltend oxidische pigmente - Google Patents

Anionische netzmittel zur stabilisierung selbstabscheidender zusammensetzungen enthaltend oxidische pigmente Download PDF

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WO2010130575A1
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Ulrike Schmidt-Freytag
Ute Herrmann
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Henkel Ag & Co. Kgaa
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/08—Anti-corrosive paints
    • C09D5/088—Autophoretic paints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/14—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to metal, e.g. car bodies
    • B05D7/142—Auto-deposited coatings, i.e. autophoretic coatings

Definitions

  • the present invention relates to an acidic aqueous particulate composition containing, besides iron (III) ions, fluoride ions and at least one water-insoluble dispersed organic binder, a water-insoluble, dispersed oxidic pigment having high agglomeration stability for the autodeposition of organic-inorganic hybrid layers Metal surfaces, wherein the composition additionally contains at least one anionic surfactant having functional groups selected from sulfonates, phosphonates and / or carboxylates. Furthermore, the invention encompasses the use of such a composition for the self-deposition of a film-forming organic-inorganic hybrid coating on metal surfaces, which are at least partially selected from surfaces whose main constituents are iron, zinc and / or aluminum.
  • Self-precipitating compositions which are also referred to in technical language as autophoretic baths, are used for the organic coating of metallic surfaces, usually iron surfaces, as a corrosion-protecting primer coating of metallic components or as an adhesive intermediate layer in the production of metal-elastomer compounds, for example for vibration damping Components in the automotive industry.
  • the autophoretic coating is therefore an immersion coating which, in contrast to electrocoating, takes place without external current, ie without the application of an external voltage source.
  • the self-precipitating compositions are usually aqueous dispersions of organic resins or polymers, which coagulate on contact with the metallic surface due to the Beizabtrages of metal cations in a thin liquid layer directly to the surface of the component and thus cause the layer structure.
  • the layer construction is self-limiting because the coverage of the metal surface with the coagulated resin and / or polymer particles results in a decrease in metal dissolution which slows and eventually terminates the coagulation process.
  • the technical implementation of the autophoretic deposition requires a constant control of the bath composition. First, the deposition bath must be adjusted so that self-deposition takes place sufficiently quickly and homogeneously upon contact with the metallic component, while at the same time the stability of the dispersion must be permanently ensured inside the immersion bath. In addition, the concentration of cations taken up by the dipping bath during the deposition process should not be allowed to rise above a bath-specific threshold, otherwise the aqueous dispersion as a whole will become unstable and coagulate.
  • autophoretic deposition is particularly suitable for the formation of corrosion-protecting organic layer coatings on metallic surfaces of iron, steel, zinc and aluminum
  • the introduction of polyvalent cations of zinc, iron and aluminum endangers the stability of the dispersed particulate components.
  • zinc cations which are hardly complexed by the fluorides contained in the bath composition
  • the maximum tolerable concentration in the self-settling baths is usually at particularly low levels.
  • US Pat. No. 7,037,385 discloses aqueous dispersions of an ionically modified phenolic resin which can be self-precipitated by the addition of an acid, preferably phosphoric acid.
  • the ionically modified phenolic resins disclosed therein are self-dispersing. Such compositions should, in addition to the corrosion protection of the coated component, also impart an increased breaking strength of the coating.
  • the mechanical layer properties can be regulated according to the teaching of US Pat. No. 7,037,385 by the addition of flexibilizing components based on polymeric compounds, for example poly-acrylonitrile-butadiene or polyacrylates.
  • US Pat. No. 7,138,444 discloses compositions comprising a dispersion of an epoxy resin which results from an emulsion polymerization of ethylenically unsaturated compounds in the presence of an epoxide precursor.
  • mechanical methods with the aid of surface-active compounds, preferably anionically modified nonylphenol ethoxylates, used. Additional components are a hardener based on blocked isocyanates, as well as leveling and coagulants for the thermal filming of the self-deposited coating.
  • US Pat. No. 7,138,444 teaches that the solids content of the dispersion can be reduced if so-called accelerators consisting of fluoride ions and trivalent iron ions are added to a dispersion of the epoxy resin.
  • the addition of white pigments known to those skilled in the art of lacquering, for example oxides of the metals titanium or zinc, into an autodetectant composition generally does not yield stable particulate compositions due to the different nature of the stabilization of the inorganic pigments and the dispersed principal binder.
  • dispersions of inorganic pigments based on oxides in the presence of polyvalent metal cations show a rapid agglomeration and therefore are difficult to stabilize in self-precipitating compositions with a high proportion of iron (III) ions.
  • the stabilization of inorganic pigments is carried out in the prior art with specific polymeric dispersants, which may be ionic and nonionic in nature.
  • Particle size distribution or surface charge dispersed exist as the colloidal organic binder.
  • the object of the present invention is therefore to significantly increase the stability of acidic, aqueous, self-precipitating compositions containing a dispersed organic binder system and a dispersed oxidic pigment for the dipping or spraying application and ensuring the bath performance within a given bath life.
  • an aqueous, particulate composition suitable for self-deposition on metallic surfaces which has a pH of less than 4 and a) iron (III) ions, b) fluoride ions in such an amount that the molar Ratio of fluoride ions to iron (III) ions from water-soluble compounds is at least 2: 1, preferably at least 3: 1, and preferably not greater than 6: 1, c) a water-insoluble, dispersed organic binder (B), d) the anionic surfactant stabilizing the dispersed organic binder (B), and e) containing at least one water-insoluble, dispersed oxidic pigment (P), which composition additionally contains at least one anionic surfactant having functional groups selected from sulfonates, phosphonates and / or carboxylates.
  • Organic binders (B) fulfill the requirement of being thermally crosslinkable.
  • binders (B) consist of organic oligomeric or polymeric compounds having at least two functional groups and are therefore capable of reacting in condensation or addition reactions to form covalent bonds with one another, thereby building up a network of covalently linked oligomeric or polymeric compounds.
  • Binders (B) can consist either of a self-crosslinking oligomeric or polymeric compound having two different or the same functional groups capable of reacting with each other, or of at least two different oligomeric or polymeric compounds which crosslink with one another on account of their functionalization.
  • the last the variant mentioned also speaks of a one-component system consisting of the resin to be crosslinked and the crosslinker or hardener.
  • Anionic surfactants according to the invention have an amphiphilic molecular structure and are low molecular weight, non-polymeric compounds having a molecular weight of not more than 1000 g / mol.
  • the amphiphilicity of the anionic surfactants in a composition according to the invention is based on the ionic or in water at least partially ionic dissociating group on the one hand and a largely non-polar remainder of the molecule to the other.
  • Anionic wetting agents according to the invention are polyelectrolytes, which are composed of monomers with ionic or in water at least partially ionically dissociating groups, wherein the ionic or ionic dissociating groups all carry a negative charge in the dissociated state.
  • copolymers of these monomers are anionic wetting agents in the context of the present invention.
  • anionic wetting agents are polyelectrolytes of monomers having acid functionality, such as acrylic acid, vinylphosphonic acid or styrenesulfonic acid.
  • Wetting agents according to the invention are also polymeric compounds having a molecular weight of more than 1000 g / mol.
  • anionic wetting agents are suitable for stabilizing the self-depositing dispersion whose molecular weight is at least 2000 g / mol, more preferably at least 10,000 g / mol, but does not exceed 200,000 g / mol.
  • Higher molecular weights of the polyelectrolytes, in particular with an identical amount of wetting agent, tend to destabilize the dispersion and thus flocculate the organic and inorganic solid constituents of the self-precipitating composition.
  • the anionic wetting agent in a composition according to the invention preferably has a weight-related charge equivalent of at least 150 C / g, more preferably of at least 250 C / g. This corresponds to about 1.5 mmol or 2.5 mmol single charge anionic groups per gram of wetting agent.
  • the high charge density in the polymeric wetting agent is necessary on the one hand for the good water solubility and on the other hand for the adsorption of the wetting agent on the dispersed oxidic pigments at the acidic pH of the composition according to the invention.
  • the adsorption of the wetting agent on the dispersed components of the composition contributes significantly to the stabilization of the individual particles.
  • Mass-related charge densities above 500 C / g are achieved only by certain polyelectrolytes, for example those built up from monomers with acid functionalities whose pK s value is below 2.
  • Suitable anionic wetting agents for stabilizing the composition according to the invention are, in particular, condensation products of naphthalene mono- and / or disulphonic acid or their derivatives with formaldehyde and polymers and / or copolymers of styrenesulphonic acid.
  • the anionic wetting agent is preferably selected from one or more compounds of the general structural formula (I):
  • radicals X and Y are independently selected from hydrogen, sulfonic acid groups and / or alkyl, oxoalkyl, hydroxyalkyl groups each having not more than 12, more preferably not more than 6 carbon atoms, wherein at least one radical X or Y represents a sulfonic acid group; wherein n is a natural integer and the molecular weight is greater than 1000 g / mol, more preferably greater than 2000, but not greater than 200,000 g / mol.
  • anionic wetting agents are preferably selected from one or more compounds of the general structural formula (II):
  • radicals R 1 to R 5 are independently selected from hydrogen, alkyl groups having not more than 12, more preferably not more than 6 carbon atoms and sulfonic acid groups, wherein the number of sulfonic acid groups in the compound according to the structural formula (II) at least n / 2 is; wherein n is a natural integer and the molecular weight is greater than 1000 g / mol, more preferably greater than 2000, but not greater than 200,000 g / mol.
  • the total amount of iron (III) ions dissolved in the composition according to the invention is preferably at least 0.02% by weight, based on the element iron. If the preferred minimum amount of iron (III) ions falls well below the oxidation potential of the composition according to the invention is very low and a delayed deposition kinetics for the dispersed, particulate constituents result. However, the change or inhibition of self-deposition can cause the formation of non-homogeneous coatings and is therefore rather disadvantageous. Too high concentrations of iron (III) ions can cause the metal surfaces to be treated to be severely attacked and result in high surface roughness. In addition, even with relatively equal proportions of masking fluoride ions, the composition becomes more susceptible to precipitation of ferric salts and coagulation of particulates.
  • the aqueous composition may additionally contain an oxidizing agent, preferably hydrogen peroxide.
  • an oxidizing agent preferably hydrogen peroxide.
  • the addition of hydrogen peroxide is particularly important in the treatment of iron-containing surfaces for the conversion of iron (II) - to iron (III) ions, since iron (II) ions, the stability of the particulate disperse dispersed components in fluoride-containing compositions more than the corresponding iron (III) ions.
  • the total solids content is not greater than
  • compositions according to the invention preference is given to compositions according to the invention in which the mass-related ratio of wetting agent to dispersed organic binder and dispersed oxidic pigment is at least 0.04, particularly preferably at least 0.06, but not greater than 0.2.
  • a weight ratio of significantly more than 0.2 in the self-precipitant composition does not add further stability to the dispersion so that such high use of the anionic surfactant is not economically justified.
  • the oxidic pigments employed in the composition of the invention preferably have a positive surface charge at the particular acidic pH prevailing.
  • the oxidic pigments preferably contain at least one element which is selected from Al, Ca, Sr, Si, Ti, Zr, Fe, Sn, Ta, Nb and / or Ce. Examples of such pigments are Al 2 O 3 , CaO, CaTiO 3 , SrTiO 3 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , SnO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Ce 2 O 3 , CeO 2 .
  • the dispersed organic binder used in the composition according to the invention is preferably a copolymer and / or polymer mixture of acrylates with at least one oligomeric and / or polymeric compound selected from epoxy resins, phenolic resins and / or polyurethane resins.
  • Water-dispersible epoxy resins as a crosslinked coating on a metal surface, have a particularly good barrier effect against corrosive media and are therefore preferred components of the dispersed binder (B) of the self-depositing composition according to the invention.
  • the epoxy resin crosslinking hardener preferably at least partially based on phenolic resins, are used to accelerate the curing process and increase the degree of crosslinking.
  • Further curing agents curing the epoxy resin are those based on isocyanate resins whose isocyanate groups may also be blocked.
  • Preferred blocked isocyanate resins are moderately reactive isocyanates, for example aliphatic isocyanates and sterically hindered and / or acid-stable blocked isocyanates.
  • epoxy resin it is possible to use for the composition according to the invention incompletely crosslinked, oligomeric or polymeric compounds having free, for example terminally bound, epoxide groups whose preferred molecular weight is not less than 500 ⁇ and not greater than 5000 ⁇ .
  • epoxy resins according to the invention are those based on bisphenol A and bisphenol F, as well as epoxy phenol novalacets.
  • Structural component A corresponds to the following general formula (IV):
  • n integer number from 1 to 50.
  • Preferred epoxies have an epoxy equivalent weight (EEW) of not less than 100 g / eq but not more than 5000 g / eq.
  • the EEW represents the average molecular weight per mole of epoxy functionality in the epoxy resin in grams per mole equivalent (g / eq).
  • g / eq grams per mole equivalent
  • Phenol resins which can be used for the composition according to the invention are not completely crosslinked, oligomeric or polymeric polycondensation products of formaldehydes with phenols which preferably have at least partially etherified hydroxyl groups and whose preferred average molecular weight is not less than 500 ⁇ and not more than 10,000 ⁇ ,
  • the hydroxyl groups are preferably methoxylated, ethoxylated, propoxylated, butoxylated or ethenyloxylated.
  • phenolic resin types both resoles and novolaks can be used.
  • the anionic surfactant present primarily for stabilizing the dispersed organic binder fraction (B) in the composition according to the invention preferably has sulfate, sulfonate, sulfosuccinate, phosphate or phosphonate groups and is in particular selected from alkylbenzenesulfonates, alkanesulfonates, methyl ester sulfonates, ⁇ - Olefinsulfonates, alkyl sulfates and alkyl ether sulfates and also from the analogous phosphonates and phosphates and / or from dialkyl sulfosuccinates of the following general structural formula (V):
  • Ri and R 2 are each independently selected from branched or unbranched aliphatic radicals having at least 2 C atoms, in particular having at least 8 C atoms, but not more than 30 C atoms, in particular not more than 20 C atoms and the Radical X represents a hydrogen atom or an alkali metal atom.
  • compositions are preferred in which the D90 value of the dispersed solid particles is below 10 microns.
  • a D90 value indicates that 90% by volume of the Particles of the dispersion are below the specified particle size.
  • Such values can be determined from volume-weighted cumulative particle size distributions, which can be determined with the aid of dynamic light scattering methods.
  • composition according to the invention may contain further pigments which do not represent oxidic pigments, in particular carbon black pigments.
  • compositions according to the invention are solvents, leveling agents, such as glycol ethers and alcohol esters, for better filming of the deposited coating on the metallic surface, as well as defoamers which are not anionic surfactants or polyelectrolytes and are preferably selected from nonionic surfactants.
  • the present invention further encompasses the use of a composition according to the invention for the self-deposition of a film-forming organic-inorganic hybrid coating on metal surfaces which are at least partially selected from surfaces whose main constituents are iron, zinc and / or aluminum.
  • the cleaned, degreased or freed of organic impurities metal surface is brought into contact with a self-precipitating composition according to the invention.
  • a self-precipitating composition Preference is given to metallic surfaces which are selected from surfaces of iron, zinc and / or aluminum, and their respective alloys.
  • the contacting of the composition with the metallic surface or the metallic component is preferably carried out by dipping or spraying, the dipping method being particularly preferred because of the more homogeneous wetting of the surface.
  • the redox potential can be used as an indicator of the ratio of iron (II) to iron (III) ions in the self-precipitating composition and regulated by the addition of hydrogen peroxide. so that as long as possible bath stability can be guaranteed.
  • the redox potential is the electrochemical equilibrium potential of a redox system measured on an inert metal electrode, eg platinum.
  • contacting the composition with the metallic surface with or without an intermediate rinse step results in a reaction rinse.
  • Such a reaction rinse fulfills the task of additionally protecting the metal surface coated by the process according to the invention against corrosion, and thus corresponds to a passivating aftertreatment of the uncrosslinked coating.
  • the reaction rinse immediately follows the treatment with a self-precipitating composition, ie with or without intermediate rinsing step, but in any case takes place before the varnish-like coating has cured.
  • Such a reaction rinse causes an inorganic conversion of free metal surface to so-called micro-defects, for example with the aid of phosphate-containing solutions, which may also contain alkali and / or alkaline earth metal cations and also transition metal cations and their fluorocomplexes.
  • the filming of the coating or of the coating can take place either immediately after bringing the composition into contact with the metallic surface, ie with or without an intermediate rinsing step, or the coating is cured only after the reaction has been carried out.
  • the process of filming or curing the gelatinous coating is preferably carried out at temperatures of at least 90 ° C. and at most 250 ° C.
  • Metallic substrates coated in this process according to the invention are used in automobile production, in the field of architecture, construction and agriculture, as well as for the production of tools, machines and "white goods”.
  • Dispersions of water insoluble organic binder (B) are prepared from a M-110 microfluidizer F ® (reaction chambers H 210Z and 230Z H, Fa.Microfluidics Corporation) three times at 800 bar batchwise homogenized emulsion of the composition shown in Tab. 1.
  • the emulsions produced thereby have a mean particle size of about 250 nm and a monomodal particle distribution.
  • the determination of the particle size and particle distribution was determined using the Zetasizer Nano ® S 90 (Fa. Malvern Instruments).
  • This oil-in-water emulsion is then added to an initiator system (Table 2) and the free radical emulsion polymerization of unsaturated monomers at 60 0 C.
  • a dispersion of the binder (B) according to component d) of the composition according to the invention with a particle content of about 37 wt .-%.
  • a water-containing paste of titanium dioxide is prepared by adding titanium dioxide powder to an appropriate amount of water containing the anionic surfactant and a solvent. The mixture is ground after addition of a defoamer in a ball mill containing silicon carbide grinding beads with a diameter of 1, 5 mm for about 60 minutes, wherein the mass ratio of beads to millbase is 3: 2. The grinding process is completed as soon as a grindometer value according to DIN EN 21 524 of ⁇ 10 ⁇ m is achieved.
  • the composition of the pigment paste (P) containing titanium dioxide as a white pigment is shown in Table 3.
  • Tab.3 Water-containing pigment paste of an oxidic pigment (P)
  • the components of Table 4 are mixed with stirring and the mixture is then made up to 11 volumes.
  • the total particle content of the compositions according to the invention is therefore about 5% by weight.
  • Self-precipitating composition of the invention containing dispersed organic binder system and particulate
  • Binder (B) 37% by weight dispersion 1 120 g

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine saure wässrige partikuläre Zusammensetzung enthaltend neben Eisen(lll)-Ionen, Fluorid-Ionen und mindestens einem wasserunlöslichem, dispergiertem organischen Bindemittel ein wasserunlösliches, dispergiertes oxidisches Pigment mit hoher Stabilität gegenüber Agglomeration für die autophoretische Abscheidung von organisch-anorganischen Hybridschichten auf Metalloberflächen, wobei die Zusammensetzung zusätzlich mindestens ein anionisches Netzmittel enthält, das funktionelle Gruppen ausgewählt aus Sulfonaten, Phosphonaten und/oder Carboxylaten aufweist. Ferner umfasst die Erfindung die Verwendung einer solchen Zusammensetzung für die Selbstabscheidung einer filmbildenden organischanorganischen Hybridbeschichtung auf Metalloberflächen, die zumindest teilweise ausgewählt sind aus Oberflächen, deren Hauptbestandteile Eisen, Zink und/oder Aluminium sind.

Description

„Anionische Netzmittel zur Stabilisierung selbstabscheidender Zusammensetzungen enthaltend oxidische Pigmente"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine saure wässrige partikuläre Zusammensetzung enthaltend neben Eisen(lll)-Ionen, Fluorid-Ionen und mindestens einem wasserunlöslichem, dispergiertem organischen Bindemittel ein wasserunlösliches, dispergiertes oxidisches Pigment mit hoher Stabilität gegenüber Agglomeration für die autophoretische Abscheidung von organisch-anorganischen Hybridschichten auf Metalloberflächen, wobei die Zusammensetzung zusätzlich mindestens ein anionisches Netzmittel enthält, das funktionelle Gruppen ausgewählt aus Sulfonaten, Phosphonaten und/oder Carboxylaten aufweist. Ferner umfasst die Erfindung die Verwendung einer solchen Zusammensetzung für die Selbstabscheidung einer filmbildenden organisch-anorganischen Hybrid- beschichtung auf Metalloberflächen, die zumindest teilweise ausgewählt sind aus Oberflächen, deren Hauptbestandteile Eisen, Zink und/oder Aluminium sind.
Selbstabscheidende Zusammensetzungen, die im technischen Sprachgebrauch auch als autophoretische Bäder bezeichnet werden, dienen der organischen Beschichtung von metallischen Oberflächen, zumeist Eisenoberflächen, als korrosionsschützende Primerbeschichtung von metallischen Bauteilen oder als adhäsive Zwischenschicht in der Herstellung von Metall-Elastomer-Verbindungen, beispielsweise für schwingungs- dämpfende Bauteile in der Automobilindustrie. Die autophoretische Beschichtung ist also eine Tauchlackierung, die im Gegensatz zur Elektrotauchlackierung außenstromlos erfolgt, d.h. ohne die Anlegung einer äußeren Spannungsquelle. Die selbstabscheidenden Zusammensetzungen sind zumeist wässrige Dispersionen von organischen Harzen oder Polymeren, die bei Kontakt mit der metallischen Oberfläche aufgrund des Beizabtrages von Metall-Kationen in einer dünnen Flüssigkeitsschicht unmittelbar an der Oberfläche des Bauteils koagulieren und so den Schichtaufbau bedingen. Der Schichtaufbau ist selbstlimitierend, da die Bedeckung der Metalloberfläche mit den koagulierten Harz- und/oder Polymerpartikeln zu einer Abnahme der Metallauflösung führt, wodurch der Koagulationsprozess verlangsamt und schließlich beendet wird. Die technische Umsetzung der autophoretischen Abscheidung verlangt eine ständige Kontrolle der Badzusammensetzung. Zunächst muss das Abscheidungsbad so eingestellt werden, dass eine Selbstabscheidung bei Kontakt mit dem metallischen Bauteil hinreichend schnell und homogen erfolgt, wobei gleichzeitig die Stabilität der Dispersion im Inneren des Tauchbades dauerhaft gewährleistet sein muss. Zusätzlich gilt es, die Konzentration der Kationen, die während des Abscheideprozesses vom Tauchbad aufgenommen werden, nicht über einen badspezifischen Schwellenwert ansteigen zu lassen, da anderenfalls die wässrige Dispersion als Ganzes instabil wird und koaguliert. Da die autophoretische Abscheidung insbesondere für die Ausbildung korrosionsschützender organischer Schichtüberzüge auf metallischen Oberflächen von Eisen, Stahl, Zink und Aluminium geeignet ist, gefährdet der Eintrag von polyvalenten Kationen von Zink, Eisen und Aluminium die Stabilität der dispergierten partikulären Bestandteile. Speziell für Zink-Kationen, die durch die in der Badzusammensetzung enthaltenden Fluoride kaum komplexiert werden, liegt die maximal zu tolerierende Konzentration in den selbstabscheidenden Bädern üblicherweise bei besonders niedrigen Werten.
Aus dem Stand der Technik sind sowohl tensidstabilisierte Dispersionen als auch polymerstabilisierte Dispersionen bekannt, die sich für die Bereitstellung einer selbstabscheidenden Zusammensetzung eignen.
Aus der US 7,037,385 sind wässrige Dispersionen eines ionisch modifizierten Phenol- Harzes bekannt, die durch die Zugabe einer Säure, vorzugsweise Phosphorsäure, selbstabscheidend eingestellt werden können. Die dort offenbarten ionisch modifizierten Phenol-Harze sind selbstdispergierend. Derartige Zusammensetzungen sollen neben dem Korrosionschutz des beschichteten Bauteils auch eine erhöhte Bruchfestigkeit der Beschichtung vermitteln. Die mechanischen Schichteigenschaften können gemäß der Lehre der US 7,037,385 über die Zugabe von flexibilisierenden Komponenten auf der Basis polymerer Verbindungen, beispielsweise Poly-Acrylnitril-Butadien oder Polyacrylate, reguliert werden.
Die US 7,138,444 offenbart hingegen Zusammensetzungen enthaltend eine Dispersion eines Epoxid-Harzes, die aus einer Emulsionspolymerisation von ethylenisch ungesättigten Verbindungen in Gegenwart eines Epoxid-Precursors hervorgeht. Zur Dispergierung werden mechanische Methoden unter Zuhilfenahme von oberflächenaktiven Verbindungen, vorzugsweise anionisch modifizierte Nonylphenol-ethoxylate, eingesetzt. Zusätzliche Komponenten sind ein Härter auf der Basis von blockierten Isocyanaten, sowie Verlaufs- und Koagulierhilfsmittel zur thermischen Verfilmung des selbstabgeschiedenen Überzuges. Des Weiteren lehrt die US 7,138,444, dass der Festkörpergehalt der Dispersion reduziert werden kann, wenn so genannte Beschleuniger bestehend aus Fluorid-Ionen und trivalenten Eisen-Ionen einer Dispersion des Epoxid- Harzes hinzugegeben werden.
Üblicherweise werden den autophoretischen Bädern weitere lacktypische Zusatzstoffe hinzugegeben, um der ausgehärteten selbstabgeschiedenen organischen Beschichtung bestimmte physikalische Eigenschaften zu verleihen. Die Zugabe von Weißpigmenten und/oder Ruß ist eine typische Maßnahme zur optisch deckenden Einfärbung der organischen selbstabgeschiedenen Beschichtung auf der Metalloberfläche, beispielsweise für Karosserien oder kleinteilige Halbzeuge in der automobilen Fertigung. Ebenso wird insbesondere von der Automobilindustrie bei der Erstbeschichtung von Metalloberflächen gefordert, dass die Erstbeschichtung den metallischen Untergrund nicht nur kaschiert, sondern zusätzlich die Auftragung farbgebender Decklacke erlaubt. Hierfür sind jedoch nur solche Erstbeschichtungen gut geeignet, die im sichtbaren Bereich das Licht größtenteils reflektieren und daher ebenfalls einen entsprechend hohen Anteil an Weißpigmenten enthalten. Die Zugabe von dem Fachmann in der Lackherstellung bekannten Weißpigmenten, beispielsweise von Oxiden der Metalle Titan oder Zink, in eine autophoretische Zusammensetzung ergibt jedoch aufgrund der unterschiedlichen Art der Stabilisierung der anorganischen Pigmente und des dispergierten Hauptbindemittels zumeist keine stabilen partikulären Zusammensetzungen. So zeigen speziell Dispersionen anorganischer Pigmente auf Basis von Oxiden in Gegenwart polyvalenter Metall-Kationen eine schnelle Agglomeration und können daher in selbstabscheidenden Zusammensetzungen mit einem hohen Anteil an Eisen(lll)-Ionen nur schwer stabilisiert werden. Die Stabilisierung anorganischer Pigmente erfolgt im Stand der Technik mit spezifischen polymeren Dispergatoren, die ionischer und nichtionischer Natur sein können. Die spezifischen Dispergatoren für anorganische Pigmente sind jedoch zumeist von anderer chemischer Natur als diejenigen Verbindungen, die für die Stabilisierung der kolloidalen Bestandteile des Bindemittels und für deren Einsatz in selbstabscheidenden Zusammensetzungen eingesetzt werden. So besteht im Stand der Technik nach wie vor ein Bedarf an äußerst stabilen partikulären Zusammensetzungen für autophoretische Anwendungen, die zusätzlich zum organischen Hauptbindemittel dispergierte Bestandteile enthalten, die anorganischer Natur sind und/oder als Feststoffpartikel mit einer anderen -A-
Partikelgrößenverteilung oder Oberflächenladung dispergiert vorliegen als das kolloidale organische Bindemittel.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, die Stabilität von sauren wässrigen, selbstabscheidenden Zusammensetzungen enthaltend ein dispergiertes organisches Bindemittelsystem und ein dispergiertes oxidisches Pigment für die Tauchoder Spritzapplikation und die Gewährleistung der Badperformance innerhalb einer vorgegebenen Badstandzeit deutlich zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst mittels einer wässrigen, partikulären Zusammensetzung geeignet zur Selbstabscheidung auf metallischen Oberflächen, die einen pH-Wert von kleiner als 4 aufweist und a) Eisen(lll)-Ionen, b) Fluorid-Ionen in einem solchen Mengenanteil, dass das molare Verhältnis von Fluorid Ionen zu Eisen(lll)-Ionen aus wasserlöslichen Verbindungen mindestens 2 : 1 , vorzugsweise mindestens 3 : 1 beträgt und vorzugsweise nicht größer als 6 : 1 ist, c) ein wasserunlösliches, dispergiertes organisches Bindemittel (B), d) ein das dispergierte organische Bindemittel (B) stabilisierendes anionisches Tensid, und e) mindestens ein wasserunlösliches, dispergiertes oxidisches Pigment (P) enthält, wobei die Zusammensetzung zusätzlich mindestens ein anionisches Netzmittel enthält, das funktionelle Gruppen ausgewählt aus Sulfonaten, Phosphonaten und/oder Carboxylaten aufweist.
Organische Bindemittel (B) erfüllen das Erfordernis, thermisch vernetzbar zu sein. Derartige Bindemittel (B) bestehen daher aus organischen oligomeren oder polymeren Verbindungen mit mindestens zwei funktionalen Gruppen und sind demnach in der Lage, in Kondensations- oder Additionsreaktionen unter Ausbildung kovalenter Bindungen miteinander zu reagieren und dabei ein Netzwerk von kovalent verknüpften oligomeren oder polymeren Verbindungen aufzubauen. Bindemittel (B) können entweder aus einer selbstvernetzenden oligomeren oder polymeren Verbindung mit zwei unterschiedlichen oder gleichen zur Reaktion untereinander befähigten funktionalen Gruppen bestehen oder aus zumindest zwei unterschiedlichen oligomeren oder polymeren Verbindungen, die aufgrund ihrer Funktionalisierung untereinander vernetzen. Bezüglich der zuletzt genannten Variante spricht der Fachmann auch von einem Einkomponentensystem bestehend aus dem zu vernetzenden Harz und dem Vernetzer bzw. Härter.
Anionische Tenside haben erfindungsgemäß einen amphiphilen Molekülaufbau und stellen niedermolekulare, nicht polymere Verbindungen mit einem Molgewicht von nicht mehr als 1000 g/mol dar. Die Amphiphilie der anionischen Tenside in einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung basiert auf der ionischen oder in Wasser zumindest teilweise ionisch dissozierenden Gruppe zum einen und einem weitgehend unpolaren übrigen Molekülrest zum anderen.
Anionische Netzmittel stellen erfindungsgemäß Polyelektrolyte dar, die aus Monomeren mit ionischen oder in Wasser zumindest teilweise ionisch dissozierenden Gruppen aufgebaut sind, wobei die ionischen oder ionisch dissozierenden Gruppen sämtlich im dissozierten Zustand eine negative Ladung tragen. Grundsätzlich sind auch Copolymere dieser Monomere anionische Netzmittel im Sinne der vorliegenden Erfindung. Beispiele solcher anionischer Netzmittel, sind Polyelektrolyte aus Monomeren mit Säurefunktionalität, wie Acrylsäure, Vinylphosphonsäure oder Styrolsulfonsäure. Erfindungsgemäße Netzmittel sind ferner polymere Verbindungen mit einem Molgewicht von mehr als 1000 g/mol.
Es zeigt sich, dass insbesondere solche anionischen Netzmittel geeignet sind, die selbstabscheidende Dispersion zu stabilisieren, deren Molgewicht zumindest 2000g/mol, besonders bevorzugt zumindest 10000 g/mol beträgt, aber 200000 g/mol nicht überschreitet. Höhere Molgewichte der Polyelektrolyte führen insbesondere bei identischem Mengenanteil an Netzmittel eher zu einer Destabilisierung der Dispersion und damit zu einem Ausflocken der organischen und anorganischen Festkörperbestandteile der selbstabscheidenden Zusammensetzung. Zu geringe Molgewichte andererseits liefern bei identischem Mengenanteil an Netzmittel nur eine unzureichende sterische Stabilisierung der dispergierten Partikel, so dass eine signifikante Verbesserung der Stabilität der selbstabscheidenden Dispersion unterbleibt.
Das anionische Netzmittel besitzt in einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung vorzugsweise ein massenbezogenes Ladungsäquivalent von zumindest 150 C/g, besonders bevorzugt von zumindest 250 C/g. Dies entspricht in etwa 1 ,5 mmol bzw. 2,5 mmol anionische Gruppen mit einfacher Ladung pro Gramm des Netzmittels. Die hohe Ladungsdichte im polymeren Netzmittel ist zum einen notwendig für die gute Wasserlöslichkeit und zum anderen vorteilhaft für die Adsorption des Netzmittels auf den dispergierten oxidischen Pigmenten bei dem sauren pH-Wert der erfindungsgemäßen Zusammensetzung. Die Adsorption des Netzmittels auf den dispergierten Bestandteilen der Zusammensetzung trägt maßgeblich zur Stabilisierung der Einzelpartikel bei. Zusätzlich wird bei einer hohen Ladungsdichte im polymeren Netzmittel erreicht, dass eine bevorzugt gestreckte Konformation der polymeren Kette in wässriger Lösung realisiert werden kann, was wiederum vorteilhaft für die sterische Stabilisierung der dispergierten Festkörperpartikel in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist. Massenbezogene Ladungsdichten oberhalb von 500 C/g werden nur von bestimmten Polyelektrolyten beispielsweise solchen, die aus Monomeren mit Säurefunktionalitäten aufgebaut sind, deren pKs-Wert unterhalb von 2 liegt, erreicht. Grundsätzlich sind solche anionischen Netzmittel bevorzugt, die Polyelektrolyte bestehend aus Monomeren mit Säurefunktionalität darstellen, wobei der pKs-Wert dieser Monomere mit Säurefunktionalität unterhalb von 4, besonders bevorzugt unterhalb von 3 liegt.
Als anionische Netzmittel für die Stabilisierung der erfindungsgemäßen Zusammenstzung eignen sich insbesondere Kondensationsprodukte von Naphtalinmono- und/oder disulfonsäure oder ihrer Derivate mit Formaldehyd sowie Polymere und/oder Copolymere von Styrolsulfonsäure.
Das anionische Netzmittel ist dabei bevorzugt ausgewählt aus einer oder mehreren Verbindungen der allgemeinen Strukturformel (I):
Figure imgf000007_0001
wobei die Reste X und Y unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Wasserstoff, Sulfonsäuregruppen und/oder Alkyl-, Oxoalkyl-, Hydroxyalkylgruppen mit jeweils nicht mehr als 12, besonders bevorzugt nicht mehr als 6 Kohlenstoffatomen, wobei zumindest ein Rest X oder Y eine Sulfonsäuregruppe darstellt; wobei n eine natürliche ganze Zahl und das Molgewicht größer als 1000 g/mol, besonders bevorzugt größer als 2000, aber nicht größer als 200.000 g/mol ist. Alternativ oder zusätzlich sind anionische Netzmittel bevorzugt ausgewählt ist aus einer oder mehreren Verbindungen der allgemeinen Strukturformel (II):
Figure imgf000008_0001
wobei die Reste R1 bis R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Wasserstoff, Alkylgruppen mit nicht mehr als 12, besonders bevorzugt nicht mehr als 6 Kohlenstoffatomen und Sulfonsäuregruppen, wobei die Anzahl der Sulfonsäuregruppen in der Verbindung gemäß der Strukturformel (II) zumindest n/2 ist; wobei n eine natürliche ganze Zahl und das Molgewicht größer als 1000 g/mol, besonders bevorzugt größer als 2000, aber nicht größer als 200.000 g/mol ist.
Der Gesamtanteil an in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung gelösten Eisen(lll)- lonen beträgt vorzugsweise mindestens 0,02 Gew.-% bezogen auf das Element Eisen. Wird die bevorzugte Mindestmenge an Eisen(lll)-Ionen deutlich unterschritten, so ist das Oxidationspotential der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sehr gering und eine verzögerte Abscheidungskinetik für die dispergierten, partikulären Bestandteile die Folge. Die Veränderung bzw. Hemmung der Selbstabscheidung kann jedoch die Ausbildung von nicht homogenen Beschichtungen bewirken und ist daher eher nachteilig. Zu hohe Konzentrationen an Eisen(lll)-Ionen können dazu führen, dass die zu behandelnden Metalloberflächen stark angegriffen werden und hohe Oberflächenrauigkeiten resultieren. Zusätzlich wird die Zusammensetzung auch bei relativ gleichen Anteilen an maskierenden Fluorid-Ionen eher anfällig für die Ausfällung von Eisen(lll)-Salzen und die Koagulation von Partikelanteilen.
Um das Oxidationspotential zu erhalten oder weiter zu erhöhen, kann die wässrige Zusammensetzung zusätzlich ein Oxidationsmittel enthalten, vorzugsweise Wasserstoffperoxid. Der Zusatz von Wasserstoffperoxid ist insbesondere bei der Behandlung von eisenhaltigen Oberflächen für die Umwandlung von Eisen(ll)- zu Eisen(lll)-Ionen von Bedeutung, da Eisen(ll)-Ionen die Stabilität der partikulär dispergierten Komponenten in Fluorid-haltigen Zusammensetzungen stärker herabsetzen als die entsprechenden Eisen(lll)-Ionen.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen selbstabscheidenden Zusammensetzung mit hoher Stabilität gegenüber Sedimentbildung ist der Gesamtfeststoffgehalt nicht größer als
25 Gew.-%, wobei
(i) 0,02 bis 3 Gew.-% an Fe(lll)-Ionen,
(ii) 1 bis 20 Gew.-% an dispergiertem organischem Bindemittel,
(iii) 0,1 bis 5 Gew.-% an dispergiertem oxidischen Pigment und
(iv) 0,01 bis 3 Gew.-% an Netzmittel enthalten sind.
Grundsätzlich bevorzugt sind erfindungsgemäße Zusammensetzungen, in denen das massenbezogene Verhältnis von Netzmittel zu dispergiertem organischen Bindemittel und dispergiertem oxidischen Pigment zumindest 0,04, besonders bevorzugt zumindest 0,06 beträgt, aber nicht größer als 0,2 ist. Ein massenbezogenes Verhältnis von deutlich mehr als 0,2 in der selbstabscheidenden Zusammensetzung bringt keine zusätzliche Steigerung der Stabilität der Dispersion, so dass ein solch hoher Einsatz des anionischen Netzmittels wirtschaftlich nicht gerechtfertigt wird.
Die in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingesetzten oxidischen Pigmente weisen als solche bei dem jeweiligen vorherrschenden sauren pH-Wert vorzugsweise eine positive Oberflächenladung auf. Die oxidischen Pigmente enthalten dabei vorzugsweise mindestens ein Element, das ausgewählt ist aus AI, Ca, Sr, Si, Ti, Zr, Fe, Sn, Ta, Nb und/oder Ce. Beispiele solcher Pigmente sind AI2O3, CaO, CaTiO3, SrTiO3, SiO2, TiO2, ZrO2, Fe2O3, Fe3O4, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Ce2O3, CeO2.
Das in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingesetzte dispergierte organische Bindemittel ist vorzugsweise ein Copolymerisat und/oder Polymergemisch von Acrylaten mit mindestens einer oligomeren und/oder polymeren Verbindung ausgewählt aus Epoxidharzen, Phenolharzen und/oder Polyurethanharzen.
Wasserdispergierbare Epoxid-Harze bewirken als vernetzte Beschichtung auf einer Metalloberfläche eine besonders gute Barrierewirkung gegenüber korrosiven Medien und sind daher bevorzugter Bestandteil des dispergierten Bindemittels (B) der erfindungsgemäßen selbstabscheidenden Zusammensetzung. Gegebenenfalls können zusätzlich zum Epoxid-Harz vernetzende Härter, vorzugsweise zumindest teilweise auf Basis von Phenol-Harzen, eingesetzt werden, um den Aushärteprozess zu beschleunigen und den Vernetzungsgrad zu erhöhen. Weitere das Epoxid-Harz vernetzende Härter sind solche auf der Basis von Isocyanat-Harzen, deren Isocyanat-Gruppen auch blockiert vorliegen können. Als bevorzugte blockierte Isocyanat-Harze sind mäßig reaktive Isocyanate bevorzugt, beispielsweise aliphatische Isocyanate und sterisch gehinderte und/oder säurestabil blockierte Isocyanate.
Als Epoxid-Harz können für die erfindungsgemäße Zusammensetzung nicht vollständig vernetzte, oligomere oder polymere Verbindungen mit freien, beispielsweise endständig gebundenen, Epoxid-Gruppen verwendet werden, deren bevorzugtes Molekülgewicht nicht kleiner als 500 u und nicht größer als 5000 u ist. Beispiele für erfindungsgemäße Epoxid-Harze sind solche auf Basis von Bisphenol A und Bisphenol F, sowie Epoxy- Phenol-Novalake.
Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der kommerziellen Verfügbarkeit werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt auf Bisphenol A basierte Epoxid-Harze eingesetzt, die der folgenden allgemeinen Strukturformel (III) entsprechen:
Figure imgf000010_0001
Der Strukturbaustein A entspricht dabei folgender allgemeinen Formel (IV):
Figure imgf000010_0002
mit n als ganzzahliger Zahl von 1 bis 50.
Bevorzugte Epoxide besitzen ein Epoxy-Äquivalentgewicht (EEW) von nicht weniger als 100 g/eq, aber nicht mehr als 5000 g/eq. Das EEW gibt dabei das mittlere Molgewicht pro Mol Epoxid-Funktionalität im Epoxid-Harz in Gramm pro Moläquivalent (g/eq) wieder. Für spezifische Epoxid-Harze existieren dabei besonders bevorzugte Bereiche für das Epoxy- Äquivalentgewicht: Bromierte Epoxidharze 300 - 1000 g/eq, insbesondere 350 - 600
Polyalkylenglykol Epoxidharze 100 - 700 g/eq, insbesondere 250 - 400
Flüssige Epoxidharze 150 - 250 g/eq
Feste/pastöse Epoxidharze 400 - 5000 g/eq, , insbesondere 600 - 1000
Als Phenol-Harze können für die erfindungsgemäße Zusammensetzung nicht vollständig vernetzte, oligomere oder polymere Polykondensationsprodukte von Formaldehyden mit Phenolen eingesetzt werden, die vorzugsweise zumindest teilweise veretherte Hydroxyl- Gruppen aufweisen und deren bevorzugte mittlere Molekülmasse nicht kleiner als 500 u und nicht größer als 10000 u ist. Die Hydroxyl-Gruppen liegen dabei vorzugsweise methoxyliert, ethoxyliert, propoxyliert, butoxyliert oder ethenyloxyliert vor. Als Phenol-Harz-Typen können sowohl Resole als auch Novolake verwendet werden.
Das vornehmlich zur Stabilisierung des dispergierten organischen Bindemittelanteils (B) in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung anwesende anionische Tensid weist vorzugsweise Sulfat-, Sulfonat-, Sulfosuccinat-, Phosphat- oder Phosphonat-Gruppen auf und ist insbesondere ausgewählt ist aus Alkylbenzolsulfonaten, Alkansulfonaten, Methylestersulfonaten, α-Olefinsulfonaten, Alkylsulfaten und Alkylethersulfaten sowie aus den analogen Phosphonaten und Phosphaten und/oder aus Dialkylsulfosuccinaten der folgenden allgemeinen Strukturformel (V):
Figure imgf000011_0001
wobei Ri und R2 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus verzweigten oder unverzweigten aliphatischen Resten mit mindestens 2 C-Atomen, insbesondere mit mindestens 8 C-Atomen, aber nicht mehr als 30 C-Atomen, insbesondere nicht mehr als 20 C-Atomen und der Rest X ein Wasserstoffatom oder Alkalimetallatom darstellt.
Um einerseits eine hinreichende Stabilität der erfindungsgemäßen selbstabscheidenden Zusammensetzung zu gewährleisten und andererseits eine hinreichend effektive Koaleszenz der dispergierten Bindemittelpartikel auf der Metalloberfläche zu erzielen, sind solche Zusammensetzungen bevorzugt, in denen der D90-Wert der dispergierten Feststoffpartikel unterhalb von 10 μm liegt. Ein D90-Wert gibt an, dass 90 Vol.-% der Partikel der Dispersion unterhalb der angegeben Partikelgröße liegen. Bestimmbar sind solche Werte aus volumengewichteten kumulativen Partikelgrößenverteilungen, die mit Hilfe dynamischer Lichtstreumethoden ermittelt werden können.
Zusätzlich kann eine erfindungsgemäße Zusammensetzung weitere Pigmente enthalten, die keine oxidischen Pigmente darstellen, insbesondere Rußpigmente.
Weitere fakultative Komponenten der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sind Lösemittel, Verlaufsmittel, wie Glykolether und Alkoholester, zur besseren Verfilmung des abgeschiedenen Überzugs auf der metallischen Oberfläche, sowie Entschäumer, die keine anionischen Tenside oder Polyelektrolyte darstellen und vorzugsweise ausgewählt sind aus nichtionischen Tensiden.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner die Verwendung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung für die Selbstabscheidung einer filmbildenden organischanorganischen Hybridbeschichtung auf Metalloberflächen, die zumindest teilweise ausgewählt sind aus Oberflächen, deren Hauptbestandteile Eisen, Zink und/oder Aluminium sind.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Beschichtung von Metalloberflächen wird die gereinigte, entfettete bzw. von organischen Verunreinigungen befreite Metalloberfläche mit einer erfindungsgemäßen selbstabscheidenden Zusammensetzung in Kontakt gebracht. Bevorzugt sind dabei metallische Oberflächen, die ausgewählt sind aus Oberflächen von Eisen, Zink und/oder Aluminium, sowie deren jeweiligen Legierungen. Das In-Kontakt-Bringen der Zusammensetzung mit der metallischen Oberfläche oder dem metallischen Bauteil erfolgt bevorzugt im Tauch- oder Sprühverfahren, wobei das Tauchverfahren wegen der homogeneren Benetzung der Oberfläche besonders zu bevorzugen ist.
In einem laufenden erfindungsgemäßen Tauchverfahren, bei dem eisenhaltige Oberflächen behandelt werden, kann das Redox-Potential als Indikator für das Verhältnis von Eisen(ll)- zu Eisen(lll)-Ionen in der selbstabscheidenden Zusammensetzung herangezogen und durch die Zugabe von Wasserstoffperoxid reguliert werden, so dass eine möglichst lange Badstabilität gewährleistet werden kann. Das Redox-Potential ist das elektrochemische Gleichgewichtspotential eines Redox-Systems gemessen an einer inerten Metallelektrode, z.B. Platin. In einer bevorzugten Ausführungsform folgt dem In-Kontakt-Bringen der Zusammensetzung mit der metallischen Oberfläche mit oder ohne dazwischenliegendem Spülschritt eine Reaktionsspüle.
Eine solche Reaktionsspüle erfüllt die Aufgabe, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtete Metalloberfläche gegenüber Korrosion zusätzlich zu schützen, und entspricht damit einer passivierenden Nachbehandlung der unvernetzten Beschichtung. Die Reaktionsspüle schließt sich der Behandlung mit einer selbstabscheidenden Zusammensetzung unmittelbar an, also mit oder ohne dazwischenliegendem Spülschritt, erfolgt aber im jeden Fall vor der Aushärtung des lackähnlichen Überzuges. Eine solche Reaktionsspüle bewirkt eine anorganische Konversion von freier Metalloberfläche an so genannten Mikro-Defekten, beispielsweise mit Hilfe Phosphat- haltiger Lösungen, die zudem Alkali- und/oder Erdalkalimetall-Kationen und auch Übergangsmetallkationen sowie deren Fluorokomplexe enthalten kann.
Das Verfilmen der Beschichtung bzw. des Überzuges kann entweder unmittelbar nach dem In-Kontakt-Bringen der Zusammensetzung mit der metallischen Oberfläche, d.h. mit oder ohne dazwischenliegendem Spülschritt, erfolgen oder die Beschichtung wird erst nach vorgenommener Reaktionsspüle ausgehärtet. Der Prozess des Verfilmens oder des Aushärtens der gelartigen Beschichtung wird bevorzugt bei Temperaturen von mindestens 90 0C und höchstens 250 0C durchgeführt.
In diesem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtete metallische Substrate finden Verwendung in der Automobilfertigung, im Architektur-, Bau- und Landwirtschaftbereich, sowie für die Herstellung von Werkzeugen, Maschinen und „weißer Ware".
Ausführungsbeispiele:
1a - Wässrige Dispersion des Bindemittels (B) für die Herstellung einer selbstabscheidenden Zusammensetzung:
Dispersionen des wasserunlöslichen organischen Bindemittels (B) werden hergestellt aus einer im M-110 F Microfluidizer® (Reaktionskammern H 210Z und H 230Z, Fa.Microfluidics Corporation) bei 800 bar dreimal diskontinuierlich homogenisierten Emulsion der Zusammensetzung gemäß Tab. 1. Die dabei erzeugten Emulsionen weisen eine mittlere Partikelgöße von ca. 250 nm und eine monomodale Partikelverteilung auf. Die Bestimmung der Partikelgröße und Partikelverteilung wurde mittels des Zetasizers® Nano S 90 (Fa. Malvern Instruments) vorgenommen.
Tab.1
Emulsion zur Herstellung einer wässrigen Dispersion des organischen Bindemittels (B)
Figure imgf000014_0001
Dieser Öl-in-Wasser Emulsion wird sodann ein Initiatorsystem hinzugegeben (Tab. 2) und die radikalische Emulsionspolymerisation der ungesättigten Monomere bei 60 0C durchgeführt. Nach der Polymerisation erhält man eine Dispersion des Bindemittels (B) gemäß Komponente d) der erfindungsgemäßen Zusammensetzung mit einem Partikelanteil von ca. 37 Gew.-%.
Tab.2
Initiatorsystem zur radikalischen Emulsionspolymerisation der emulgierten und homogenisierten Zusammensetzungen P1 und P2 gemäß Tab.1
Mengenanteil in
Komponente Chemische Bezeichnung Gew.-% 1
Reduktionsmittel Eisen(ll)-Sulfat 2,3-K)-4
Natriumformaldehydsulfoxylat 0,12
Oxidationsmittel t-Butylhydroperoxid 0,17
1 bezogen auf die Gesamtzusammensetzung gemäß Tab.1
1 b - Pigmentpaste eines oxidischen Pigments (P) für die Herstellung einer selbstabscheidenden Zusammensetzung:
Eine Wasser enthaltende Paste von Titandioxid wird durch Zugabe von Titandioxid-Pulver zu einer entsprechenden Menge Wasser enthaltend das anionische Netzmittel sowie ein Lösungsmittel hergestellt. Die Mischung wird nach Hinzugeben eines Entschäumers in einer Kugelmühle enthaltend Siliziumcarbid-Mahlperlen mit einem Durchmesser von 1 ,5 mm für ca. 60 Minuten vermählen, wobei das Massenverhältnis von Perlen zu Mahlgut 3 : 2 beträgt. Der Mahlvorgang ist abgeschlossen sobald ein Grindometerwert nach DIN EN 21 524 von < 10 μm erreicht wird. Die Zusammensetzung der Pigmentpaste (P) enthaltend Titandioxid als Weißpigment ist in Tabelle 3 angegeben. Tab.3 Wasser enthaltende Pigmentpaste eines oxidischen Pigments (P)
Figure imgf000016_0001
2 - Herstellung einer selbstabscheidenden Zusammensetzung unter Verwendung der Bindemitteldispersion (B) und der Pigmentpaste (P):
Für die Herstellung einer erfindungsgemäßen, das Weißpigment Titandioxid enthaltenden selbstabscheidenden Zusammensetzung werden die Komponenten der Tabelle 4 unter Rühren gemischt und das Gemisch anschließend auf 11 Volumen aufgefüllt. Der Gesamtpartikelanteil der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen beträgt demnach ca. 5 Gew.-%.
Aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung gemäß Tabelle 4, die mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von mehr als 200 U/min gerührt wird, lässt sich auch nach einem Zeitraum von über acht Wochen eine homogene Beschichtung auf einem Testblech abscheiden. Aus einer analogen Zusammensetzung gemäß Tabelle 4, die jedoch kein anionisches Netzmittel (Dehscofix®, Huntsman Corp.) enthält, sedimentieren Teile des dispergierten Feststoffanteils an der Gefäßwand der Probe und nach spätestens einer Woche kann aus der Zusammensetzung keine homogene Beschichtung mehr abgeschieden werden. Tab.4
Selbstabscheidende erfindungsgemäße Zusammensetzung enthaltend dispergiertes organisches Bindemittelsystem und partikuläres
Titandioxid
Komponente Chemische Bezeichnung Mengenanteil
Bindemittel (B) 37 Gew.-%ige Dispersion 1 120 g
Pigment (P) 70 Gew.-%ige TiO2 Paste 2 13 g
H2O2 / Eisen(lll) ACC® Starter 300 (Fa. Henkel) 40 g
Fluorid ACC® Aktivator (Fa. Henkel) 10 g
Wasser entionisiert (<10 μS/cm) 450 g
1 nach Emulsionspolymerisation der Zusammensetzung der Tab.1 2 Pigmentpaste gemäß Tab.3

Claims

Patentansprüche
1. Wässrige, partikuläre Zusammensetzung für die Selbstabscheidung auf metallischen Oberflächen mit einem pH-Wert von kleiner als 4 enthaltend a) Eisen(lll)-Ionen, b) Fluorid-Ionen in einem solchen Mengenanteil, dass das molare Verhältnis von Fluorid-Ionen zu Eisen(lll)-Ionen aus wasserlöslichen Verbindungen mindestens 2 : 1 beträgt, c) ein wasserunlösliches, dispergiert.es organisches Bindemittel (B), d) ein das dispergierte organische Bindemittel (B) stabilisierendes anionisches Tensid, und e) mindestens ein wasserunlösliches, dispergiert.es oxidisches Pigment (P), dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung zusätzlich mindestens ein anionisches Netzmittel enthält, das funktionelle Gruppen ausgewählt aus Sulfonaten, Phosphonaten und/oder Carboxylaten aufweist.
2. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das anionische Netzmittel ein Molgewicht von mehr als 2000 g/mol, aber nicht mehr als 200.000 g/mol besitzt.
3. Zusammensetzung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das anionische Netzmittel ein massenbezogenes Ladungsäquivalent von zumindest 150 C/g, vorzugsweise von zumindest 250 C/g aufweist.
4. Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anionische Netzmittel ein Kondensationsprodukt von Naphtalinmono- und/oder disulfonsäure oder ihrer Derivate mit Formaldehyd darstellt.
5. Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anionische Netzmittel ausgewählt ist aus einer oder mehreren Verbindungen der allgemeinen Strukturformel (I):
Figure imgf000019_0001
wobei die Reste X und Y unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Wasserstoff, Sulfonsäuregruppen und/oder Alkyl-, Oxoalkyl-, Hydroxyalkylgruppen mit jeweils nicht mehr als 6 Kohlenstoffatomen, wobei zumindest ein Rest X oder Y eine Sulfonsäuregruppe darstellt; wobei n eine natürliche ganze Zahl und das Molgewicht größer als 1000 g/mol, aber nicht größer als 200.000 g/mol ist.
6. Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das anionische Netzmittel ausgewählt ist aus einer oder mehreren Verbindungen der allgemeinen Strukturformel (II):
Figure imgf000019_0002
wobei die Reste R1 bis R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Wasserstoff, Alkylgruppen mit nicht mehr als 6 Kohlenstoffatomen und Sulfonsäuregruppen, wobei die Anzahl der Sulfonsäuregruppen in der Verbindung gemäß der Strukturformel (II) zumindest n/2 ist; wobei n eine natürliche ganze Zahl und das Molgewicht größer als 1000 g/mol, aber nicht größer als 200.000 g/mol ist.
7. Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtfeststoffgehalt der Zusammensetzung nicht größer als 25 Gew.-% ist, wobei
(i) 0,02 bis 3 Gew.-% an Fe(lll)-Ionen,
(ii) 1 bis 20 Gew.-% an dispergiertem organischem Bindemittel,
(iii) 0,1 bis 5 Gew.-% an dispergiertem oxidischen Pigment und
(iv) 0,01 bis 3 Gew.-% an Netzmittel enthalten sind.
8. Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das massenbezogenen Verhältnis von Netzmittel zu dispergiertem organischen Bindemittel und dispergiertem oxidischen Pigment zumindest 0,04, vorzugsweise zumindest 0,06 beträgt, aber nicht größer als 0,2 ist.
9. Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidischen Pigmente mindestens ein Element enthalten, das ausgewählt ist aus AI, Ca, Sr, Si, Ti, Zr, Fe, Sn, Ta, Nb und/oder Ce.
10. Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dispergierte organische Bindemittel ein Copolymerisat und/oder Polymergemisch von Acrylaten mit mindestens einer oligomeren und/oder polymeren Verbindung ausgewählt aus Epoxidharzen, Phenolharzen und/oder Polyurethanharzen darstellt.
11. Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das den dispergierten organischen Bindemittelanteil (B) stabilisierende anionische Tensid Sulfat-, Sulfonat-, Sulfosuccinat-, Phosphatoder Phosphonat-Gruppen aufweist.
12. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das anionische Tensid ausgewählt ist aus Alkylbenzolsulfonaten, Alkansulfonaten, Methylestersulfonaten, α-Olefinsulfonaten, Alkylsulfaten und Alkylethersulfaten sowie aus den analogen Phosphonaten und Phosphaten.
13. Zusammensetzung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das anionische Tensid zusätzlich ausgewählt ist aus Dialkylsulfosuccinaten der folgenden allgemeinen Strukturformel (V):
Figure imgf000021_0001
wobei Ri und R2 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus verzweigten oder unverzweigten aliphatischen Resten mit mindestens 2 C-Atomen, insbesondere mit mindestens 8 C-Atomen, aber nicht mehr als 30 C-Atomen, insbesondere nicht mehr als 20 C-Atomen und der Rest X ein Wasserstoffatom oder Alkalimetallatom darstellt.
14. Verwendung einer Zusammensetzung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche für die Selbstabscheidung einer filmbildenden organisch-anorganischen Hybridbeschichtung auf Metalloberflächen, die zumindest teilweise ausgewählt sind aus Oberflächen, deren Hauptbestandteile Eisen, Zink und/oder Aluminium sind.
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