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JP2014532815A - 酸基を有するポリマーとTiもしくはZr化合物とを含む、金属表面を不動態化するための調製物 - Google Patents

酸基を有するポリマーとTiもしくはZr化合物とを含む、金属表面を不動態化するための調製物 Download PDF

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Abstract

金属表面を不動態化するための調製物であって、以下のもの:少なくとも一つのイタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマー(A);成分(B)としての水及び/又は他の溶剤であって、ホモポリマー又はコポリマー(A)の溶解、分散、懸濁又は乳化に好適であるもの;少なくとも一つの有機Ti化合物又は有機Zr化合物(C);及び任意に、少なくとも一つのZn塩又はMg塩(D)を含む調製物に関する。金属表面上に不動態化皮膜を作製するための方法において、金属表面をそのような調製物で処理することを特徴とする方法に関する。そのような方法により得られる金属表面上の不動態化皮膜に関する。そのような不動態化皮膜を含む金属表面に関する。金属表面を不動態化するための本発明による調製物の使用に関する。

Description

本発明は、イタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマーと、有機Ti化合物又は有機Zr化合物とを含む、金属表面を不動態化するための調製物、金属表面上に不動態化皮膜を作製するための方法、金属表面を本発明による調製物で処理することにより金属表面を不動態化するための方法、本発明による方法により得られる不動態化皮膜及び金属表面、並びに、金属表面を、特に金属ストリップの前処理時に不動態化するための本発明による調製物の使用に関する。
本発明のさらなる実施態様は、特許請求の範囲、発明の詳細な説明及び実施例から明らかである。当然のことながら、本発明による対象の、上で言及された、及び以下でさらに説明されるべき特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、その都度具体的に挙げられた組み合わせのみならず他の組み合わせでも用いられ得る。特に、本発明による対象の全ての特徴が好ましいかもしくは極めて好ましい意味を有している本発明による実施態様も、好ましいかもしくは極めて好ましい。
平面状の金属ワーク、例えば白物家電、機器ケーシング、ファサード外装、天井外装又は窓用形材、自動車用部品、車体部品を製造する際に、原材料として現在では一般に長尺の金属ストリップが用いられているが、これは金属ブロック(いわゆる「スラブ」)の熱間圧延及び/又は冷間圧延により製造され、さらに貯蔵や輸送の目的でロール(いわゆる「コイル」)状に巻取られたものである。
金属ストリップは、切断され、パンチ加工、ドリル加工、曲げ加工、プロファイル加工及び/又は深絞りといった適当な技術により所望の部品へと成形される。例えば自動車車体のような比較的大型の部品は、場合により複数の部品から溶接により組み立てられる。
このような金属材料の防食処理は、一般に多段階のプロセスにより行われており、処理された金属の表面はたいてい複数の様々な皮膜を有している。防食処理は、製造プロセスの様々な箇所で行われることがある。これには、一時的な防食や永続的な防食がある。一時的な防食は、例えば金属ストリップやその他の金属ワークの貯蔵や輸送のためにのみ施されるものであり、最終加工の前に取り除かれる。
金属ストリップ上に施与され、次いで成形部品へと成形されるべきものである防食皮膜は、純粋な防食作用に加えてさらに良好な機械的特性をも有していなければならない。特に、防食皮膜は変形時に破断しないように十分な展延性を有していなければならず、さもなくばこの箇所ではもはや十分な防食性が存続しなくなる。
金属部品の防食は、経済的に大きな意義を有している。特にアルミニウム表面並びに亜鉛めっきされた金属の表面、特に電気亜鉛めっき又は溶融亜鉛めっきされた鉄又は鋼の表面の防食処理は、技術的及び経済的に特に重要である。亜鉛の防食は、亜鉛の方が金属材料自体よりも卑であるためにまず自身が腐食することに基づいている。金属材料自体は、亜鉛で完全に被覆されている限り損傷のないままである。
空中酸素の存在で、Zn又はZn合金、Al又はAl合金の表面上にまず薄い酸化皮膜が生じ、この酸化皮膜によって、その下にある金属への腐食攻撃が外部条件に依って多少なりとも遅延する。
そのような酸化皮膜の保護作用を強化するために、一般にAl及びZn表面に付加的な不動態化処理が施される。このような処理の過程で、たいてい、保護すべき金属/金属酸化物の一部が金属イオンの形で溶解し、その後、このイオンは施与される不動態化皮膜に組み込まれる。この皮膜は、すでに存在している酸化皮膜に類似しているが、より強力な保護をもたらす。この皮膜は、一般に不動態化皮膜と称される。この不動態化皮膜は、しばしば金属上に施与された塗膜の密着性をも改善する。従って、「不動態化皮膜」という概念の代わりにしばしば「転化皮膜」という概念が同義で用いられ、また「前処理皮膜」という概念が用いられることもある。不動態化皮膜は比較的薄く、通常は3μm以下の厚さを有している。
防食性の強化のために、通常、不動態化皮膜の上に付加的な(塗料)皮膜が施与されている。多くの場合、これはその都度様々な目的で利用される複数の塗膜の組み合わせである。これは、不動態化皮膜や金属を、腐食性のガス及び/又は液体から、また例えばストーンチップのような機械的損傷から保護する役割を果たし、さらに当然のことながら審美的な目的でも利用されている。塗膜は、一般に不動態化皮膜よりも明らかに厚い。典型的な厚さは2μm〜400μmに達する。
不動態化は永続的な防食に用いられることがあるが、単に一時的な防食に用いられることもある。一時的な保護は、金属薄板又はその他の金属ワークの貯蔵や輸送のためにのみ施され、最終加工の前に取り除かれる。
これまで、亜鉛又はアルミニウム表面上の不動態化皮膜は、一般に、保護すべきワークをCrO3の酸性水溶液で処理することによって得られてきた。このような不動態化の機序は複雑である。とりわけ、金属Zn又はAlが表面から溶解し、非晶質の亜鉛−クロム酸化物又はアルミニウム−クロム酸化物の形で析出する。しかしながらこの皮膜は、異種イオン及び/又は処理溶液からの他の成分をも含み得る。特に、クロム酸で処理した場合には、ある程度の割合のCr(VI)も不動態化皮膜に組み込まれることは避けられない。
発癌性のCr(VI)溶液での処理を避けるため、金属表面の処理を酸性のCr(III)水溶液で行うことが提案されている。例えばUS4,384,902号が挙げられる。しかしながら、市場では完全にクロム不含の不動態化法を望む顧客が増加している。従って、Cr(VI)やCr(III)の使用を避けるために、ポリマーの使用が重要性を増している。
DE19516765A1号には、Zn又はAlからの金属表面上に転化皮膜を生じさせるためのクロム及びフッ化物不含の方法が開示されている。不動態化に使用される酸性溶液は、水溶性ポリマー、リン酸並びにAlキレート錯体を含有している。任意に、(メタ)アクリル酸のポリマーやコポリマーも使用され得る。
DE19754108A1号には、クロム不含の水性防食剤が開示されているが、これは、Ti(IV)及び/又はZr(IV)の毒性のヘキサフルオロアニオン、バナジウムイオン、コバルトイオン及びリン酸を含有している。任意に、さらに種々の皮膜形成性ポリマーが添加されてよく、その中にはカルボキシル基を有するコポリマー、例えばアクリル酸/マレイン酸コポリマーも含まれる。
このような毒性のフルオロTi(IV)酸塩又はフルオロZr(IV)酸塩は、例えばDE102006039633A1号やWO2010/049198A1号といった他の文献においても配合成分として用いられている。これら二つの文献には、他の成分に加えて、水溶性もしくは分散性の酸性ポリマーと、Ti及びZrのフルオロ錯イオンとを含む、クロム不含の不動態化が記載されている。
WO2004/074372A1号は、(メタ)アクリル酸50〜99.9質量%、例えばエチレン系不飽和ジカルボン酸のような酸性コモノマー0.1〜50質量%、及び/又は、重合性のリン酸及び/又はホスホン酸からのコポリマーを含有する、金属表面を不動態化するための酸性の水性調製物に関する。ジカルボン酸は、とりわけイタコン酸であってもよい。この組成物は、遷移金属カチオン、遷移金属オキソアニオン、又は、フルオロTi(IV)酸塩及びフルオロZr(IV)酸塩を含有し得る。特に好適なものはフルオロ金属酸塩であるが、これは毒性である。
WO2006/021309A1号には、イタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマーを含有している酸性の水性調製物を使用して金属表面を不動態化するための方法が開示されている。任意に、この調製物はTi及びZrの遷移金属イオンもしくは遷移金属化合物又は相応するフルオロ金属酸塩を含有し得る。しかしながら、好適な化合物については詳細に記載されていない。
未公開の欧州特許出願番号第11177083.0号は、イタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマーと、アミン含有アルコール又はアミド含有アルコールとを含有している、金属表面を不動態化するための調製物に関する。この調製物は、Ti及びZrの遷移金属イオン又は遷移金属化合物を含有し得る。
上記の調製物は、防食性に鑑みて、特に金属ストリップの不動態化(「コイルコーティング」)に関してさらに改善が必要である。
本発明の課題は、特に金属ストリップの前処理の際に有利に使用可能な金属表面を不動態化するための改善された調製物を提供することであった。その際、好ましくはこの調製物がクロム不含でかつフッ化物不含の水性調製物であることが望まれていた。
前記課題、並びに本願の開示内容から自明である他の課題は、本発明による調製物の種々の実施態様により解決される。
従って本発明の対象は、以下のものを含む、金属表面を不動態化するための調製物である:
a)少なくとも一つのイタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマー(A)であって、ここで、このポリマーは以下のモノマー単位:
(a1)イタコン酸 0.1〜100質量%、
(a2)少なくとも一つのモノエチレン系不飽和モノカルボン酸 0〜99.9質量%、並びに、
(a3)(a1)及び(a2)とは異なる、酸基を有する少なくとももう一つのエチレン系不飽和モノマー 0〜40質量%、及び/又は
(a4)(a1)、(a2)及び(a3)とは異なる、少なくとももう一つのエチレン系不飽和モノマー 0〜75質量%
から構成されており、
ここで、これらのモノマー単位の量は、それぞれコポリマーに重合導入されている全てのモノマー(a1)〜(a4)の総量に対するものであり、全てのモノマー単位の量は合計で100質量%であるものとする;
b)成分(B)としての、水及び/又は他の溶剤であって、ホモポリマー又はコポリマー(A)の溶解、分散、懸濁又は乳化に好適であるもの;
c)少なくとも一つの有機Ti化合物又は有機Zr化合物(C)、好ましくはTi化合物、特に好ましくは少なくとも一つのカルボキシ基又はカルボキシラート基を含むもの;及び
d)任意に、少なくとも一つのZn塩又はMg塩(D)、好ましくはMg塩。
意想外にも、本発明による調製物で処理された金属表面は、従来技術による金属表面よりも明らかに耐食性が高いことが判明した。特に前処理の範囲での金属表面の不動態化は、明らかに改善された。
当然のことながら、成分(A)、(B)、(C)及び任意に(D)は、種々の成分(A)の混合物、種々の成分(B)の混合物、種々の成分(C)の混合物及び/又は種々の成分(D)の混合物であってもよい。
本発明による調製物において使用されるイタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマーは、水、又は少なくとも50質量%の水を含有する水性溶剤混合物に可溶であるか、もしくは少なくとも分散性であるが、その際、COOHリッチなポリマーの溶解度はpHに強く依存し得ることは当業者に公知である。従って、ここでの言及は、ポリマーが不動態化に使用される際のpH値、即ち酸性溶液、特にpH0.5〜6の範囲に関するものである。「水分散性」という概念は、溶液が完全に澄明というわけではないものの、ポリマーがその中に均一に分配されており、沈降もしないことを意味する。使用されるポリマーが完全に水混和性であることは、いかなる場合にも絶対に必要であるわけではないものの、そうであることが望ましい。しかしながら、ポリマーは、少なくとも本発明による調製物による不動態化が可能であるような程度の水溶性を有していなければならない。通常は、使用されるポリマーが、少なくとも50g/l、好ましくは100g/l、特に好ましくは少なくとも200g/lの溶解度を有していることが望ましい。
イタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマー(A)は水溶性であることが好ましい。
本発明により使用されるホモポリマー又はコポリマーを製造するためのモノマー(a1)は、イタコン酸:
Figure 2014532815
である。
イタコン酸は、その塩の形、例えばアルカリ金属塩又はアンモニウム塩としても使用可能である。さらに、水溶液中で加水分解により容易にイタコン酸となるイタコン酸誘導体、例えば相応する無水物、モノ−もしくはジエステル、又は酸アミドも使用可能である。当然のことながら、このような誘導体の混合物も使用可能である。
本発明により使用されるポリマーは、イタコン酸のホモポリマーであってもよいし、好ましくはイタコン酸のコポリマーであってもよい。
ポリマー中のイタコン酸の量は、0.1〜100質量%、好ましくは10〜70質量%、特に好ましくは15〜65質量%、極めて特に好ましくは20〜50質量%、特に25〜45質量%であるが、ここで、この数値はポリマー中の全てのモノマーの合計に対するものである。
本発明により使用されるポリマーは、さらに、一つ以上のモノマー(a2)を99.9質量%まで含有し得る。これは、モノエチレン系不飽和モノカルボン酸である。
好適なモノエチレン系不飽和モノカルボン酸(a2)の例には、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、ビニル酢酸、またさらにはモノエチレン系不飽和ジカルボン酸のC1〜C4−半エステルが含まれる。好ましいものはアクリル酸及びメタクリル酸であり、特に好ましいものはアクリル酸である。
当然のことながら、複数の異なるモノエチレン系不飽和モノカルボン酸の混合物も使用可能である。
好ましくは、全てのモノマー(a2)の量は合計で、30〜90質量%、特に好ましくは30〜70質量%、極めて特に好ましくは35〜65質量%である。
本発明による調製物の好ましい一実施態様において、それぞれポリマー中のモノマーの総量に対して、イタコン酸(a1)の量は10〜70質量%、好ましくは15〜65質量%、特に好ましくは20〜50質量%、特に25〜45質量%であり、モノエチレン系不飽和モノカルボン酸(a2)の量は30〜90質量%、好ましくは30〜70質量%、特に好ましくは35〜65質量%である。
任意に、本発明により使用されるコポリマーはさらに、(a1)及び(a2)とは異なる少なくとももう一つのエチレン系不飽和モノマー(a3)を含有し得る。モノマー(a3)は、それぞれ少なくとも一つの酸基を有する。特に好ましくは、モノマー(a3)はそれぞれモノエチレン系モノマーである。モノマー(a3)はラジカル重合性である。
モノマー(a3)は、例えば、カルボキシル基を有するモノマー(a31)、リン酸基及び/又はホスホン酸基を有するモノマー(a32)又はスルホン酸基を有するモノマー(a33)であってよい。
モノマー(a3)は、その塩の形、例えばアルカリ金属塩又はアンモニウム塩としても使用可能である。さらに、水溶液中で加水分解により容易に遊離酸となるモノマー(a3)の誘導体、例えば無水物、モノ−もしくはジエステル、又は酸アミドも使用可能である。当然のことながら、このような誘導体の混合物も使用可能である。
カルボキシル基を有するモノマー(a31)の例には、特にエチレン系不飽和ジカルボン酸、例えばマレイン酸、メサコン酸、シトラコン酸、フマル酸又はメチレンマロン酸が含まれる。モノマー(a31)として好ましいものは、マレイン酸又は無水マレイン酸である。
好適なモノマー(a32)の例には、ビニルホスホン酸、リン酸モノビニルエステル、アリルホスホン酸、リン酸モノアリルエステル、3−ブテニルホスホン酸、リン酸(モノ−3−ブテニル)エステル、リン酸モノ−(4−ビニルオキシブチル)エステル、アクリル酸(ホスホノオキシエチル)エステル、メタクリル酸(ホスホノオキシエチル)エステル、リン酸モノ−(−2−ヒドロキシ−3−ビニルオキシプロピル)エステル、リン酸モノ−(1−ホスホノオキシメチル−2−ビニルオキシエチル)エステル、リン酸モノ−(3−アリルオキシ−2−ヒドロキシプロピル)エステル、リン酸モノ−2−(アリルオキシ−1−ホスホノオキシメチルエチル)エステル、2−ヒドロキシ−4−ビニルオキシメチル−1,3,2−ジオキサホスホール、2−ヒドロキシ−4−アリルオキシメチル−1,3,2−ジオキサホスホール、2−メタクリルアミドエチルリン酸、モノリン酸エステル化ポリアルキレングリコールの(メタ)アクリルエステル、ビニルベンジルホスホン酸、モノ−及びジホスファートエステルの(メタ)アクリルエステル、1−ウンデセニルホスホン酸が含まれる。リン酸及び/又はホスホン酸基を有するモノマーの塩及び/又はエステル、特にC1〜C8−モノ−、ジ−並びに場合によりトリアルキルエステルも使用可能である。
好ましいモノマー(a32)は、ビニルホスホン酸又はその加水分解性エステルである。
スルホン酸基を有するモノマー(a33)の例には、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸、スチレンスルホナート、ビニルスルホン酸、アリルオキシベンゼンスルホン酸、又は2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、2−(メタクリロイル)エチルスルホン酸及びそれらのアルカリ金属塩が含まれる。
当然のことながら、複数の異なるモノマー(a3)の混合物も使用可能である。好ましいものは、カルボキシル基を有するモノマー(a31)、並びにリン酸基及び/又はホスホン酸基を有するモノマー(a32)である。モノマー(a3)のうち特に好ましいものは、ホスホン酸基を有するモノマー(a32)、特にビニルホスホン酸ないしその加水分解性エステルである。
モノマー(a3)が存在する場合、その量は合計で、好ましくは0.1〜40質量%、特に好ましくは1〜35質量%、極めて特に好ましくは5〜25質量%である。
その上、コポリマーは任意にさらに、(a1)、(a2)及び(a3)とは異なる少なくとももう一つのラジカル重合性エチレン系不飽和モノマー(a4)を0〜30質量%含有し得る。これ以上は、他のモノマーは使用されない。
モノマー(a4)は、コポリマーの特性の細かな調整の役割を果たす。このモノマー(a4)は、コポリマーの所望の特性に応じて当業者に選択される。このモノマー(a4)は、好ましくは同様にモノエチレン系不飽和モノマーである。しかしながら特別な場合には、複数の重合性基を有するモノマーが少量使用されてもよい。これにより、コポリマーをわずかな範囲で架橋させることができる。
モノマー(a4)の例には、(メタ)アクリル酸のC1〜C8−アルキルエステル又はC1〜C4−ヒドロキシアルキルエステル、例えばメチル(メタ)アクリラート、エチル(メタ)アクリラート、プロピル(メタ)アクリラート、イソプロピル(メタ)アクリラート、ブチル(メタ)アクリラート、ヘキシル(メタ)アクリラート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリラート、ヒドロキシエチル(メタ)アクリラート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリラート、又はブタンジオール−1,4−モノアクリラートが含まれる。(メタ)アクリルエステル中のアルコール成分は、アルコキシル化アルコールであってもよい。ここでは特に、2〜80モルのエチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド又はそれらの混合物を有するアルコキシル化C1〜C18−アルコールが挙げられる。このようなアルコキシル化生成物の例には、メチルポリグリコール(メタ)アクリラート、又は、3、5、7、10もしくは30モルのエチレンオキシドと反応したC13/C15−オキソアルコールないしその混合物の(メタ)アクリル酸エステル、(メチル)スチレン、マレイン酸イミド、マレイン酸−N−アルキルイミド、マレイン酸半アミド又はマレイン酸半エステルが含まれる。
さらに好適なものは、ビニル−又はアリルエーテル、例えばメチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、プロピルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、2−エチルヘキシルビニルエーテル、ビニルシクロヘキシルエーテル、ビニル−4−ヒドロキシブチルエーテル、デシルビニルエーテル、ドデシルビニルエーテル、オクタデシルビニルエーテル、2−(ジエチルアミノ)エチルビニルエーテル、2−(ジ−n−ブチルアミノ)エチルビニルエーテル、又はメチルジグリコールビニルエーテルないし相応するアリル化合物である。同様に、例えばビニルアセタート又はビニルプロピオナートといったビニルエステルも使用可能である。
塩基性モノマーの例には、場合により例えばアルキル、ヒドロキシアルキルにより置換されていてもよいアクリルアミド、例えばアクリルアミド、メタクリルアミド、N−tert−ブチルアクリルアミド、又はN−メチル(メタ)アクリルアミドが含まれる。さらに、1−ビニルイミダゾールやN−ビニルピロリドンといった塩基性モノマーも使用可能である。
架橋性モノマーの例には、複数のエチレン系不飽和基を有する分子、例えばジ(メタ)アクリラート、例えばエチレングリコールジ(メタ)アクリラートもしくはブタンジオール−1,4−ジ(メタ)アクリラート、又はポリ(メタ)アクリラート、例えばトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリラート、またさらには、オリゴ−もしくはポリアルキレングリコールのジ(メタ)アクリラート、例えばジ−、トリ−もしくはテトラエチレングリコールジ(メタ)アクリラートが含まれる。さらなる例には、ビニル(メタ)アクリラート、アリル(メタ)アクリラート、ジビニルエチレン尿素又はブタンジオールジビニルエーテルが含まれる。同様に適当なものは、ポリヒドロキシ化合物のジ−及びオリゴ−アリルエーテル、例えばペンタエリトリットトリ−又はテトラアリルエーテルである。
当然のことながら、種々のモノマー(a4)の混合物も使用可能である。使用される全てのモノマー(a4)の量は合計で、方法に使用される全てのモノマーの総量に対して0〜75質量%である。好ましくは、この量は0〜50質量%であり、特に好ましくは0〜15質量%であり、極めて特に好ましくは0〜10質量%である。架橋作用を有するモノマー(a4)が存在している場合には、その量は一般に、方法に使用される全てのモノマーの総量に対して5質量%以下であり、好ましくは2質量%以下であることが望ましい。この量は、例えば10ppm〜1質量%であってよい。
使用されるモノマーの種類や量は、所望の不動態化に応じて当業者により選択される。その際に、ポリマーは水溶性又は水分散性であるのが望ましいということに留意すべきである。従って、ポリマーの水溶性を低下させ得るモノマーは、当業者によって、マイナスの影響が生じ得ないような量でのみ使用される。
好ましいものはイタコン酸(a1)とアクリル酸(a2)とからのコポリマーであり、特に好ましいものはイタコン酸35〜65質量%とアクリル酸35〜65質量%とからのコポリマーであり、極めて特に好ましいものはイタコン酸40〜60質量%とアクリル酸40〜60質量%とからのコポリマーであり、さらに好ましいものはイタコン酸51〜60質量%とアクリル酸40〜49質量%とからのコポリマーである。
さらに、イタコン酸(a1)とアクリル酸(a2)とビニルホスホン酸(a3)とからのターポリマーが好ましく、イタコン酸20〜50質量%とアクリル酸30〜50質量%とビニルホスホン酸1〜30質量%とからのターポリマーが特に好ましく、イタコン酸35〜45質量%とアクリル酸40〜50質量%とビニルホスホン酸5〜25質量%とからのターポリマーがさらに好ましい。
使用されるモノマーは、水溶液中でラジカル重合される。
「水性」という概念は、使用される溶剤又は希釈剤が水を主成分として含有していることを意味する。しかしながらそれに加えて、水混和性の有機溶剤含分が存在していてもよい。これは、例えば反応媒体における特定のモノマー、特にモノマー(a4)の溶解性を改善するために必要である場合がある。
それに応じて、使用される溶剤又は希釈剤は、溶剤の総量に対して少なくとも50質量%の水を含有する。それに加えて、一つ以上の水混和性の溶剤を使用することができる。ここでは特に、アルコール、例えばモノアルコール、例えばエタノール、プロパノール又はイソプロパノール、ジアルコール、例えばグリコール、ジエチレングリコール又はポリアルキレングリコールないしそれらの誘導体が挙げられる。好ましいアルコールは、プロパノール及びイソプロパノールである。好ましくは、水含分は少なくとも70質量%、さらに好ましくは少なくとも80質量%、特に好ましくは少なくとも90質量%である。極めて特に好ましくは、水のみが使用される。
ラジカル重合の実施は、基本的に当業者に公知である。本発明により使用されるイタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマーの好ましい製造法の一つがWO2006/021309に開示されており、その開示を明確に本明細書に援用する。
好ましい一実施態様によれば、本発明により使用されるモノマー(a1)〜(a4)の重合は120℃未満の温度で行われる。それ以外は、温度は、使用されるモノマーの種類、開始剤の種類及び所望の結果に応じて、当業者によって幅広い範囲内で変更されてよい。ここで、約60℃の最低温度が好適であることが判明した。温度は、重合の間に一定に保持されてもよいし、温度プロファイルが実施されてもよい。好ましくは、重合温度は75〜115℃であり、さらに好ましくは80〜110℃であり、特に好ましくは90〜108℃であり、極めて特に好ましくは95〜105℃である。
水溶液中での120℃未満の温度でのラジカル重合により得られたイタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマー(A)を含有する本発明による調製物は、特に好ましい。
重合は、ラジカル重合用の慣用の装置中で行われてよい。水の沸点、又は水と他の溶剤とからの混合物の沸点を上回る温度で作業が行われる場合には適当な圧力容器中で行われるが、それ以外の場合には加圧なしでの作業が可能である。好ましくは、重合は加圧なしで行われる。例えば還流下での重合が可能である。
重合の際には、最初に水溶液中のイタコン酸(a1)ないしその誘導体を装入するのが好適であることが判明した。その後、目的に合わせて同様に水溶液中のモノカルボン酸(a2)及び開始剤を計量供給することができる。0.5時間〜24時間、好ましくは1時間〜12時間の計量供給時間が好ましいことが判明した。
このようにして、比較的反応し易いモノカルボン酸(a2)の水溶液中での濃度が比較的低く保持される。これによってモノカルボン酸の反応傾向が自然と低下し、イタコン酸単位がコポリマーに均一に組み込まれる。任意に使用されるモノマー(a3)及び/又は(a4)の反応が遅い場合には、同様にこれらをイタコン酸と一緒に最初に装入することが推奨される。しかしながら当然のことながら、このモノマー(a3)及び/又は(a4)を後で滴加することもできる。全てのモノマーを供給した後に、さらに例えば0.5〜3時間の後反応時間が続いてもよい。これにより、重合反応が出来る限り完全に進行することが保証される。
しかしながら当然のことながら、重合は当業者により他の様式で行われてもよい。
合成されたポリマーは、水溶液から、当業者に公知の慣用の方法で、例えば溶液の蒸発、噴霧乾燥、凍結乾燥又は沈殿により単離されてよい。
しかしながら特に好ましくは、ポリマーは重合後に特に水溶液からは単離されずに、ポリマー溶液はそのまま本発明による調製物に使用され、場合により希釈される。
本発明により使用されるイタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマーの分子量Mw(重量平均)は、5,000〜2,000,000g/モル、特に少なくとも10,000g/モル、特に好ましくは少なくとも15,000g/モルである。通常は、Mwは15,000g/モル〜200,000g/モル、好ましくは20,000g/モル〜100,000g/モル、特に好ましくは30,000g/モル〜80,000g/モルである。Mwは、所望の用途に応じて当業者により定められる。
本発明による調製物の成分(B)は、水又は他の溶剤であって、イタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマー(成分A)の溶解又は分散、懸濁又は乳化に好適であるものとする。溶剤とは、本明細書の範囲内では、その中に本発明による調製物の種々の内容物が可能な限り微細に分配されて存在している液体マトリックスであると解される。このような微細な分配は、例えば分子分散的な分配の意味で、溶剤中の内容物の本来の溶解であり得る。しかしながら「溶剤」という概念には、その中に内容物がエマルション又は分散液の意味で分配されている、つまり分子分散溶液を形成していない液体マトリックスも含まれる。溶剤として、澄明な溶液及び水が好ましい。
溶剤として、例えば、水、並びに水混和性の溶剤及び非水混和性溶剤が好適である。好適な水混和性溶剤は、例えば、1〜約6個のC原子を有する第一級又は第二級モノ−又はポリアルコール、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール又はグリセリンである。同様に水混和性溶剤として適当なものは、低分子ケトン、例えばアセトン又はメチル−エチル−ケトン、又はエーテルアルコール、例えばジエチレングリコール又はトリエチルグリコールである。同様に本発明の範囲内で好適なものは、非水混和性であるか、又は水とわずかな程度でしか混和しない溶剤である。これには、例えばエーテル、例えばジエチルエーテル、ジオキサン又はテトラヒドロフラン、並びに場合により置換されている脂肪族溶剤が挙げられ、これには例えば上記のアルコール及びケトンの高級同族体並びにパラフィン系炭化水素が含まれる。
上記の溶剤は、単独で使用されてもよいし、二つ以上の上記の溶剤からの混合物として使用されてもよい。本発明の好ましい一実施態様の範囲内では、溶剤として、水が、場合により一つ以上の上記の、好ましくは水溶性の溶剤との混合物で使用される。本発明の範囲内で、水と非水混和性溶剤とを含む溶剤が使用される場合には、この溶剤は例えば乳化剤を含有していてもよく、それによって本質的に安定なW/O型又はO/W型エマルションが可能となる。好ましいものは、純粋な水溶液である。
本発明による調製物が水ともう一つの水混和性の溶剤とを含んでいる場合、そのような混合物中の水含分は好ましくは少なくとも約30質量%以上、例えば少なくとも約40又は少なくとも約50質量%である。本発明の特に好ましい一実施態様の範囲内では、水含分は少なくとも約75質量%である。水と水混和性溶剤との好適な組み合せは、例えば水/メタノール、水/エタノール、水/プロパノール又は水/イソプロパノールである。本発明の範囲内で好ましいものは、水とエタノールとからの混合物であり、その際、水含分は好ましくは約75質量%を上回り、例えば約80又は約85質量%を上回る。
本発明の特に好ましい一実施態様の範囲内では、本発明による調製物は、少なくとも約50質量%の水含分を有する溶剤を少なくとも一つ含む。特に好ましくは、水のみが溶剤として使用される。
本発明による調製物において使用される少なくとも一つの有機Ti化合物又は有機Zr化合物(C)は、少なくとも一つの炭素原子を含む化合物である。好ましくは、有機Ti化合物又は有機Zr化合物は、少なくとも2個の炭素原子、特に好ましくは少なくとも3個の炭素原子、特に少なくとも4個の炭素原子を含む。好ましい一実施態様において、有機Ti化合物又は有機Zr化合物(C)は、1〜50個の炭素原子、好ましくは1〜40個の炭素原子、特に好ましくは1〜30個の炭素原子、極めて特に好ましくは1〜20個の炭素原子、特に1〜10個の炭素原子を含む。
特に好ましくは、本発明による調製物における成分(C)として、有機Ti化合物が使用される。
本発明による調製物のもう一つの好ましい実施態様において、成分(C)は有機酸、好ましくは例えばモノ−又はポリカルボン酸といったカルボン酸のTi塩又はZr塩である。例えば、脂肪族飽和モノカルボン酸、脂肪族不飽和モノカルボン酸、脂肪族飽和ジカルボン酸、脂肪族飽和トリカルボン酸、脂肪族不飽和ジカルボン酸、芳香族カルボン酸、複素環式カルボン酸、フルーツ酸又は糖酸が好適である。好ましくは、有機酸は、脂肪族飽和モノカルボン酸、特にギ酸又は酢酸、脂肪族飽和ジカルボン酸、特にシュウ酸、マロン酸、コハク酸、アジピン酸、フルーツ酸、好ましくはリンゴ酸、酒石酸又はクエン酸、糖酸、好ましくはグルコン酸、グルクロン酸、ガラクツロン酸、ガラクタル酸、グルカル酸又はアスコルビン酸の群から選択される。他の好適な有機酸は、乳酸、マレイン酸、フマル酸、ソルビン酸、アミノ酸、好ましくはグリシン、アスパラギン酸又はグルタミン酸、胆汁酸、ホスホノブタントリカルボン酸及び2−ヒドロキシホスホノ酢酸である。
有機チタン(Ti)化合物又は有機ジルコニウム(Zr)化合物は、他の基、例えばオキソ基、ヒドロキシ基、カーボナート基、スルファート基又はスルホナート基、例えばメチルスルホナート基又はトリルスルホナート基、ニトラート基、ホスファート基、又はホスホナート基を有し得る。好ましくは、前記化合物はオキソ基、ヒドロキシ基又はカーボナート基を含む。
本発明による調製物の好ましい一実施態様において、Ti化合物又はZr化合物(C)はハロゲン化物不含であり、特にF、Cl、Br及びI不含である。
本発明による調製物の好ましい一実施態様において、有機Ti化合物又は有機Zr化合物(C)は、チタン酸塩又はジルコニウム酸塩の形で使用される。これらの金属酸塩の対イオンとして、好ましくはアンモニウムイオン又は典型金属カチオンが使用される。ここで、アンモニウムイオンには、有機アミンのアンモニウムイオンも含まれる。好ましいアンモニウムイオンは、非置換のアンモニウムイオン(NH4 +)である。ここで、好ましい典型金属カチオンは、Liイオン、Naイオン、Kイオンである。特に好ましいものは、アンモニウム−、Na−及び/又はK−対イオンを有するチタン酸塩又はジルコニウム酸塩である。
有機Ti化合物又は有機Zr化合物(C)は、例えば、塩基性のTi化合物又はZr化合物と有機酸とを、好ましくはin situで反応させることにより、例えば塩基性アンモニウムジルコニルカーボナートと有機酸とから製造可能である。本発明による調製物の一実施態様において、そのような有機酸として、調製物の成分(A)が用いられる。
特に好ましい化合物(C)は、Na−、K−、アンモニウム−チタニルオキサラート又はチタンビスアンモニウムラクタートジヒドロキシド、ジルコニウムカーボナート、並びに、アンモニウムジルコニルカーボナートと成分(A)とからの反応生成物である。極めて特に好ましいものは、チタンビスアンモニウムラクタートジヒドロキシドである。
本発明による調製物において任意に使用される少なくとも一つのZn塩又はMg塩(D)、好ましくはMg塩は、例えばその酸化物、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、ホスホン酸塩、リン酸塩を場合により混合した形で、又は有機酸の塩として導入されてよく、完全もしくは部分的に、その水和物の形で存在し得る。好ましくは、前記塩は、酸化物、水酸化物、炭酸塩又はリン酸塩として添加される。極めて特に好ましいものは、ZnO及びリン酸マグネシウム、並びに相応する水和物である。化合物(D)は、場合によりそれぞれのアクア錯体の形で使用されてもよい。しかしながらこれは、例えばMoO4 2-又はWO4 2-といったオキソ金属酸塩、ラクタート又はオキサラートのような他の配位子を有する錯体であってもよい。さらに、例えばエチレンジアミン四酢酸(EDTA)、ジエチレントリアミン五酢酸(DTPA)、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸(HEDTA)、ニトリロ三酢酸(NTA)又はメチルグリシン二酢酸(MGDA)といった典型的なキレート形成性配位子を有する錯体も使用可能である。
本発明による調製物は、酸性である。本発明による調製物は、一般に0.5〜6のpH値を有しており、その際、素地及び塗布様式並びに表面への調製物の作用時間に応じて、より狭いpH範囲が選択されてもよい。例えば、アルミニウム表面の処理の場合にはpH値は好ましくは2〜4の範囲に調節され、亜鉛もしくは亜鉛めっきされた鋼の処理の場合には好ましくは1〜5の範囲に調節される。
一方で、調製物のpH値はCOOH基を有するポリマー又はコポリマーの種類及び濃度により制御され、それにより自動的に定まる。ここで、ポリマー中のCOOH基は、製造に起因して完全もしくは部分的に中和されている場合があることに留意すべきである。
調製物は任意にさらに、成分(A)、(B)、(C)及び任意に(D)とは異なる少なくとも一つの無機酸又は有機酸及び/又はその相応する塩(E)を含有し得る。好適な酸(E)の例には、リン含有酸、硫黄含有酸又は窒素含有酸、例えばリン酸、ホスホン酸、硫酸、スルホン酸、例えばメタンスルホン酸、アミドスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、m−ニトロベンゼンスルホン酸及びそれらの誘導体、硝酸、塩酸、ギ酸、シュウ酸、乳酸又は酢酸、並びにそれらの相応するアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、遷移金属塩又はアンモニウム塩が含まれる。好ましくは、酸は、HNO3、H2SO4、H3PO4、エチドロン酸、ギ酸、酢酸、シュウ酸、乳酸、メタンスルホン酸からなる群から選択される。特に好ましいものは、メタンスルホン酸、H3PO4及び/又はHNO3である。極めて特に好ましいものは、H3PO4及びその塩である。当然のことながら、種々の酸の混合物も使用可能である。
ホスホン酸の例には、1−ヒドロキシエタン−1,1−ジホスホン酸(HEDP)、2−ホスホノブタン−1,2,4−トリカルボン酸(PBTC)、アミノトリ(メチレンホスホン酸)(ATMP)、エチレンジアミンテトラ(メチレンホスホン酸)(EDTMP)、ジエチレントリアミンペンタ(メチレンホスホン酸)(DTPMP)、2−ヒドロキシホスホノ酢酸、エチドロン酸又はフィチン酸が含まれる。
本発明による調製物における酸(E)の種類及び濃度は、所望の用途やpH値に応じて当業者に決定される。一般に、それぞれ調製物全体に対して、0.01g/l〜30g/l、好ましくは0.05g/l〜20g/l、特に好ましくは0.1g/l〜15g/lの濃度が好適であることが判明した。
本発明による調製物において任意に使用される少なくとも一つのアミン含有アルコール又はアミド含有アルコール(F)は、好ましくは、一つ以上のアルカノールアミン、アルカノールアミド及び/又は超分岐型ポリエーテルアミンポリオールである。成分(F)は、成分(A)、(B)、(C)及び任意に(D)及び(E)とは異なる。
好適なアミン含有アルコールは、アルキル基が少なくとも1個、好ましくは複数個のヒドロキシル基を有している、第一級、第二級又は第三級アルキルアミン化合物である。ヒドロキシル基を有するアルキルアミン化合物は、1〜8個、好ましくは1〜6個の炭素原子を有する、同じか又は異なる直鎖又は環式アルキル基を有していてよい。特に好ましいのは、モノ−、ジ−又はトリ−C1〜C6−アルカノールアミンであり、例えば、トリエタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、トリブタノールアミン、ジエタノールアミン、ジプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジブタノールアミン及び/又はモノエタノールアミンである。これらのうち、トリエタノールアミンが特に好ましい。さらに好ましいアミン含有アルコールは、糖アルコールの第一級、第二級又は第三級アミンであり、例えばマンニット(マンニトール)、イソマルト、ラクチット、ソルビット(ソルビトール又はグルシトール)及びキシリット(キシリトール)、トレイット、エリスリット及びアラビットであり、その際、糖基に結合しているアミノ基NR12の基R1及びR2は、同じであっても異なっていてもよく、H、C1〜C4−アルキル、特にメチル及び/又はエチルを表す。
この種の好適な代表物としては、例示的に、N−メチルグルカミン、N,N−ジメチルグルカミン、N−エチルグルカミンなどが挙げられる。好適なアミド含有アルコールは、アルキル基が少なくとも1個、好ましくは複数個のヒドロキシル基を有している、第一級、第二級又は第三級アルキルアミド化合物である。ヒドロキシル基を有しているアルキルアミド化合物は、1〜8個、好ましくは1〜6個の炭素原子を有する同じか又は異なる直鎖又は環式アルキル基を有していてよい。
特に好ましいのはアルカノールアミドであり、例えばモノ−、ジ−又はトリ−C1〜C6−アルカノールアミドである。
好ましい一実施態様によれば、本発明による調製物は、アミン含有アルコール(F)として、少なくとも一つの高官能性の超分岐型ポリエーテルアミンポリオールを含有している。
高官能性の超分岐型ポリエーテルアミンポリオールとは、ポリマー骨格を形成するエーテル基やアミノ基の他に、末端又は側鎖にさらに少なくとも3個の、好ましくは少なくとも6個の、さらに好ましくは少なくとも10個の官能基を有する生成物と解されるべきである。官能基は、OH基である。末端又は側鎖の官能基の数には基本的には上限がないが、極めて多数の官能基を有する生成物は、例えば粘度が高い、溶解度が低いといった望ましくない特性を有し得る。本発明による使用される高官能性ポリエーテルアミンポリオールは、多くの場合500個以下の末端又は側鎖の官能基を有しており、好ましくは100個以下の末端又は側鎖の官能基を有している。「超分岐型」という特徴は、本発明によれば、該当する物質の分岐度(DB = degree of branching)が10〜95%、好ましくは25〜90%、特に好ましくは30〜80%であることを意味するが、ここで、この分岐度は、
Figure 2014532815
として定義されており、ここで、それぞれの物質の高分子において、
Tは、末端に結合しているモノマー単位の平均数であり、
Zは、分岐を形成するモノマー単位の平均数であり、
Lは、直鎖状に結合しているモノマー単位の平均数である。
デンドリマーでない超分岐型ポリマーとデンドリマー型ポリマーとは、このように定義された分岐度が異なる。「デンドリマー」とは、その分岐度DBが99〜100%であるポリマーである。従って、デンドリマーは高度に対称的な構造によってのみ達成可能な、考え得る最大の数の分岐部位を有している。「分岐度」の定義については、H. Frey et al., Acta Polym. 1997, 48, 30も参照のこと。
従って、超分岐型ポリマーとは、本発明の範囲内では、構造的に不均一である本質的に架橋されていない高分子と解されるべきである。超分岐型ポリマーは、デンドリマーと同様に中心分子から出発しているが、枝部の不均一な鎖長でもって構成されている。しかしながら、超分岐型ポリマーは、直鎖状に官能性の側鎖枝部でもって構成されていてもよいし、直鎖状の分子部分と分枝鎖状の分子部分とを有していてもよい。デンドリマー型ポリマー及び超分岐型ポリマーの定義については、P. J. Flory, J. Am. Chem. Soc. 1952, 74, 2718及びH. Frey et al., Chem. Eur. J. 2000, 6, No. 14, 2499も参照のこと。超分岐型ポリマー及びその合成についてのさらなる記述は、例えばJ.M.S. - Rev. Macromol. Chem. Phys., C37(3), 555-579 (1997)並びにそこで引用されている文献に存在する。
ポリエーテルアミンポリオール自体は公知である。このポリマーの製造は、例えばUS2,178,173号、US2,290,415号、US2,407,895号及びDE4003243号に記載されている。
本発明により使用される高官能性の超分岐型ポリエーテルアミンポリオールの製造は、特にWO09/047269に記載されている。
WO2009/047269A2号に記載されている方法に従って形成された高官能性の超分岐型ポリエーテルアミンポリオールは、反応後に、つまりさらなる変性なしに、ヒドロキシル基で終結される。
本発明により使用されるポリエーテルアミンポリオールのOH価は、多くの場合100mgKOH/g以上であり、好ましくは150mgKOH/g以上である。
本発明により使用されるポリエーテルアミンポリオールの重量平均分子量Mwは、多くの場合1,000〜500,000g/モル、好ましくは2,000〜300,000g/モルであり、数平均分子量Mnは、500〜50,000g/モル、好ましくは1,000〜40,000g/モルであるが、これは、移動相としてヘキサフルオロイソプロパノールを用い、標準試料としてポリメチルメタクリラート(PMMA)を用いたゲル浸透クロマトグラフィーにより測定されたものである。
本発明により使用される高官能性の高−又は超分岐型ポリエーテルアミンポリオールは、通常は50℃未満、好ましくは30℃未満、特に好ましくは10℃未満のガラス転移温度を有している。
本発明による調製物は、上記成分(A)〜(C)、任意に(D)及び任意に(E)及び(F)の他に、さらに任意に他の成分(G)を含有し得る。任意に存在する成分(G)は、例えば遷移金属イオン及び遷移金属化合物、例えばCe、Ni、Co、V、Fe、Zr、Mn、Mo、W、Ti、Zr、Hf、Bi及び/又はランタニドのイオン及び化合物である。また、典型元素、例えばSi、Ca及び/又はAlの化合物であってもよい。これらの化合物は、例えば塩の形又はそれぞれのアクア錯体の形でも使用可能である。しかしながらこれは、例えばMoO4 2-又はWO4 2-といったオキソ金属酸塩、ラクタート又はオキサラートのような他の配位子を有する錯体であってもよい。さらに、例えばエチレンジアミン四酢酸(EDTA)、ジエチレントリアミン五酢酸(DTPA)、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸(HEDTA)、ニトリロ三酢酸(NTA)又はメチルグリシン二酢酸(MGDA)といった典型的なキレート形成性配位子を有する錯体も使用可能である。Si化合物は、特にシラン、シリルエーテル、シラノール及びシロキサンであってよく、これらは(部分)縮合形又は(部分)加水分解形であってもよい。
さらなる任意成分(G)には、表面活性化合物、防食剤又は典型的な電気めっき助剤が含まれる。当業者により、基本的に考え得る任意の成分の中から所望の用途に応じてその量に関して相応した選択が行われる。イタコン酸ポリマーと組み合わせて使用できる特に好ましい防食剤の例には、ベンゾトリアゾール及び/又はトリルトリアゾールが含まれる。
さらなる任意成分(G)として、以下のものを使用することができる:酸化剤、例えば過酸化水素、還元剤、例えばヒドロキシルアミン、ヒドロキシルアンモニウム塩又はヒドロキシルアミン遊離性化合物、ニトロ化合物、例えばニトログアニジン、m−ニトロベンゼンスルホナート、m−ニトロベンゾエート又は還元糖、ナノ分散分配された無機粒子、例えば二酸化ケイ素又はシリケート。
調製物は、特性の細かな調整のために、さらなる水溶性ポリマーを付加的な成分として含有し得る。このようなポリマーの例には、特にカルボキシラート基を有するポリマーであって、上述のポリマー(A)の組成の定義には該当しないものが含まれる。例としてはポリ(メタ)アクリル酸が挙げられ、さらに、(メタ)アクリル酸と、他の酸基を有するモノマー、例えばマレイン酸、フマル酸、クロトン酸、スルホン酸、例えばアクリルアミドプロパンスルホン酸又はビニル酢酸とからのコポリマーが挙げられる。このような付加的な(コ)ポリマーの量は、不動態化皮膜の所望の特性に応じて当業者により決定される。しかしながらこの量は、通常は、使用される全てのポリマーの量に対して30質量%以下、好ましくは20質量%以下、特に好ましくは10質量%以下であることが望ましい。
好ましくは、本発明による配合及び本発明による不動態化は、本質的にクロム不含(Crフリー)の配合ないし不動態化である。このことは、不動態化皮膜の特性の細かな調整のために、場合により少量のクロム化合物が添加され得ることを意味する。その量は、本発明による調製物の全成分に対して、2質量%以下、好ましくは1質量%以下、特に好ましくは0.5質量%以下のクロムであることが望ましい。クロム化合物が使用される場合には、好ましくはCr(III)化合物が使用される。しかしながら、Cr(VI)含分は、いかなる場合にも、不動態化された金属に対して1mg/m2以下となるように低く保持されなければならない。
クロム不含(Crフリー)の配合ないし不動態化、つまり使用される調製物がCr化合物を全く含まないことが特に好ましい。しかしながら、「フロム不含」という概念は、少量のクロムが、間接的に、及びそれ自体を意図せずに方法へと持ち込まれることを排除するものではない。即ち、クロムを合金成分として含む合金、例えばCr含有鋼が本発明による調製物を用いて不動態化される場合、処理すべき金属中の少量のクロムが、方法に使用された調製物によって溶解され、それに応じて本質的に意図せずに調製物へ達する可能性が常に存在する。このような金属を使用し、それにより生じる結果においても、当該の方法は「クロム不含」であると見なされるべきである。
特に好ましくは、本発明による配合及び不動態化はさらにフッ素不含(Fフリー)の配合又は不動態化であり、つまり使用される調製物はフッ素化合物を全く含まない。しかしながら、「フッ素不含」という概念は、少量のフッ素(化合物)が、間接的に、及びそれ自体を意図せずに方法へと持ち込まれることを排除するものではない。
本発明による調製物中のポリマー(A)の濃度は、所望の用途に応じて当業者により決定される。例えば、不動態化皮膜の厚さは選択された方法技術に依存するが、不動態化に使用される調製物の粘度にも依存し得る。一般に、0.01g/l〜500g/l、好ましくは0.5〜200g/l、特に好ましくは10g/l〜150g/lの濃度が好適であることが判明した。前記濃度は、すぐに使用可能な調製物に関するものである。
成分(C)の有機Ti化合物又は有機Zr化合物の濃度は、イタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマー(A)の量に対して、一般に0.5〜30質量%、好ましくは1〜25質量%、特に好ましくは5〜20質量%である。
一般に、Zn塩又はMg塩(D)の濃度は、0.01g/l〜30g/l、好ましくは0.1g/l〜20g/l、特に好ましくは0.5g/l〜10g/lであるのが好適であることが判明した。
本発明による調製物中の任意の窒素含有アルコール(F)の濃度は、イタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマー(A)の濃度に依存し、イタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマー(A)の量に対して、一般に0.5〜30質量%、好ましくは1〜20質量%、特に好ましくは1〜15質量%である。
水又は他の溶剤(B)の量は、本発明による調製物がすぐに使用可能な調製物であるか濃縮物であるかに依存し、さらにそれぞれの用途にも依存する。この量は、基本的に個々の成分のすぐに使用可能なものについて示された濃度に関するものである。
好ましい一実施態様によれば、本発明による酸性の水性調製物は、イタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマー(A)1〜20質量%、成分(C)の有機Ti化合物又は有機Zr化合物0.1〜4質量%、任意にZn塩又はMg塩(D)0.01〜1質量%、並びに任意に酸(E)0.1〜2質量%、及び任意に窒素含有アルコール(F)0.1〜2質量%を、それぞれ成分(A)、(B)、(C)、任意に(D)、(E)及び(F)の総量に対して含有している。上記実施態様を他の実施態様と組み合わせることができる。
本発明による調製物は、金属表面を不動態化させるための、並びに金属上に不動態化皮膜を形成させるための、全ての用途で使用され得る。ここで、冒頭の「不動態化皮膜」という概念の定義が引用される。本発明による調製物は、特にクロム不含(Crフリー)かつ/又はフッ素不含(Fフリー)の不動態化に好適である。
任意の金属表面を本発明によるポリマーで処理、特に不動態化することができる。しかしながら、Zn、Zn合金、Al又はAl合金からの表面が好ましい。これは、完全に前述の金属ないし合金からなる物体ないしワークの表面であってよい。しかしながら、Zn、Zn合金、Al又はAl合金で被覆された物体の表面であってもよく、その場合、この物体は、他の材料、例えば他の金属、合金、ポリマー又は複合材からなっていてよい。特に、亜鉛めっきされた鉄又は鋼の表面であってよい。方法の特別な一実施態様において、これは金属ストリップの表面、特に電気亜鉛めっき又は溶融亜鉛めっきされた鋼の表面である。部品(シリンダー部品、フレーム部品など)の不動態化も、同様に本発明による方法の一部である。
Zn合金やAl合金は当業者に公知である。合金成分の種類や量は、所望の用途に応じて当業者により選択される。溶融浸漬法のための亜鉛合金の典型的な成分には、特にAl、Pb、Si、Mg、Sn、Cu又はCdが含まれる。電解めっきされるZn合金における典型的な合金成分は、Ni、Fe、Co及びMnである。アルミニウム合金の典型的な成分には、特にMg、Mn、Si、Zn、Cr、Zr、Cu又はTiが含まれる。これはZn/Mg又はAl/Zn合金であってもよく、その際、ZnとMg、もしくはAlとZnとは、ほぼ同量存在している。このような合金で被覆された鋼は、市販されている。
金属表面を不動態化させるための本発明による方法において、金属表面は、例えば吹付け、浸漬又はロール塗によって本発明による調製物で処理される。浸漬操作の後に、過剰の処理溶液をワークから滴下させて除去することができるが、金属薄板、金属箔などの場合には、例えば過剰の処理溶液のしごき取りや掻き取りも可能である。処理の際に、使用されるポリマーの少なくとも一部、並びに調製物の他の成分が金属表面に化学吸着されるため、表面と成分との間に堅固な結合が生じる。本発明による調製物での処理は、通常は室温又は室温を上回る温度で行われるが、原則的に、より低い温度が排除されるものではない。通常は、処理は20〜90℃、好ましくは20〜80℃、特に好ましくは20〜60℃で行われる。このために、本発明による調製物の入った浴を加熱するが、熱い金属を浴に浸漬することによって自動的に高い温度に調節することもできる。
表面を、処理後に洗浄液、特に水で後すすぎすることができ、それによって本発明による調製物の残分を表面から除去することができる。
しかしながら、処理はいわゆる「ノーリンス」法であってもよく、その場合、本発明による調製物は塗布直後にすすぎなしに直接乾燥炉中で乾燥される。
本発明による調製物及び/又は場合により使用される架橋剤での金属表面の処理は、不連続的に行われてもよいが、好ましくは連続的に行われてよい。特に金属ストリップの処理、いわゆる「コイルコーティング」には、連続法が好適である。ここで、金属ストリップは本発明による調製物の入った槽又は吹付け装置を通過し、場合によってはさらなる前処理又は後処理工程を通過する。
処理時間は、皮膜の所望の特性、それぞれの本発明による調製物及び技術的条件に応じて当業者によって定められる。処理時間は、1秒よりもはるかに短くてもよいし、数分であってもよい。連続法の場合、表面と本発明による調製物とを1〜60秒間接触させるのが特に好適であることが判明した。
処理後に、使用された溶剤が除去される。この除去は、室温で、室温で空中での単純な蒸発によって行われてよい。
しかしながら溶剤の除去は、適当な補助手段により、例えば加熱及び/又はガス流、特に空気流の通過により補助されてよい。溶剤の蒸発は、例えばIR放射器又はNIR放射器により、又は例えば乾燥チャネル中での乾燥により補助されてよい。乾燥には、30℃〜180℃、好ましくは40℃〜100℃、特に好ましくは40℃〜80℃の温度が好適であることが判明した。この温度は金属表面上の温度(ピーク金属温度)であり、乾燥器温度は場合によりこれよりも高く設定され、当業者により相応して選択される必要がある。
本発明による方法は、任意の一つ以上の前処理工程を含むことができる。例えば不動態化の前に金属表面を洗浄して、例えば脱脂又は脱油を行うことができる。さらに、不動態化の前に金属表面を酸洗いして、酸化皮膜、スケール、一時的な防食体などを除去することもできる。さらに、このような前処理工程の後や間に、表面を場合により水ですすいで、すすぎ溶液又は酸洗い溶液の残分を除去する必要がある。
さらに、不動態化皮膜は架橋されてよい。このために、例えば本発明による調製物に架橋剤を混入することができるが、但しこの架橋剤が調製物中では反応しないことが前提である。しかしながら、まず金属を本発明による調製物で処理し、次いで皮膜を適当な架橋剤で処理すること、例えば架橋剤の溶液ですすぐこともできる。
好適な架橋剤は水溶性であるか、又は少なくとも上述の水溶性溶剤混合物に可溶であることが望ましい。好適な架橋剤の例には、特に、アジラン基、オキシラン基又はチイラン基の群から選択された少なくとも2個の架橋性基を有するものが含まれる。好適な架橋剤についての詳細は、WO2005/042801A1号に開示されており、この開示を明確に本明細書に援用する。
本発明による方法により金属表面上に不動態化皮膜を得ることができるが、この不動態化皮膜も同様に本発明の対象である。不動態化皮膜の厳密な構造及び組成は不明である。しかしながら、不動態化皮膜は、通常のアルミニウム又は亜鉛並びに場合により他の金属の非晶質酸化物の他に、ポリマー並びに場合により架橋剤及び/又は本発明による調製物の他の成分の反応生成物をも含んでいる。不動態化皮膜の組成は、一般には均質でなく、成分は濃度勾配を有しているものと考えられる。
本発明による不動態化皮膜の厚さは、皮膜の所望の特性に応じて当業者により調整される。通常は、この厚さは0.01〜3μm、好ましくは0.02〜1μm、特に好ましくは0.03〜0.2μmである。この厚さは、例えば塗布された成分の種類や量、並びに作用時間に影響を受け得る。さらに、この厚さは方法技術パラメータにより、例えば過剰に塗布された処理溶液をスキージ又はローラーで除去することにより影響を受け得る。
この場合、皮膜の厚さは、本発明による調製物を金属表面に作用させる前又は後に、皮膜の比密度が1kg/lであるものと仮定して示差秤量により測定される。以下で、「膜厚」とは、常に、皮膜の実際の比密度とは無関係にこのようにして測定された寸法であると解される。
本発明のもう一つの対象は、本発明による不動態化皮膜を含む金属表面である。不動態化皮膜は本来の金属表面の直上に施与されている。好ましい一実施態様において、これは、Zn又はZn合金からの被覆を含んでおり、その上に本発明による不動態化皮膜ないし前処理皮膜が施与されている、鋼からの金属ストリップである。
不動態化皮膜を含む本発明による金属表面は、基本的に公知の様式で一つ以上の塗膜(プライマー、トップコート)で上塗りされてよい。典型的な塗料、その組成、並びに複数の塗膜における典型的な皮膜順序は、当業者に基本的に公知である。
本発明による調製物は、種々の加工段階への使用が可能である。これは、例えば鋼製造業者のもとで行われてよい。この場合、鋼ストリップは連続法で亜鉛めっきされ、この亜鉛めっきの直後に本発明による調製物での処理により不動態化され得る。この段階での不動態化は、当業者にはしばしば「後処理」とも称されている。
これは、貯蔵の際や輸送の際、及び/又は他の方法工程の際に防食の役割を果たすが、永続的な防食体の施与前に除去される、単に一時的な不動態化である場合がある。酸性ポリマーは、アルカリ性水溶液での洗浄により表面から除去され得る。
しかしながらこれは、ストリップ上又は完成成形されたワーク上に残り、さらなる塗膜が付与される、永続的な防食処理である場合もある。この段階での不動態化は、当業者にはしばしば「前処理」とも称されている。
本発明による調製物によって、特に「前処理」の場合に、従来技術による相応する調製物を使用した場合と比較して明らかにより良好な防食性が達成される。
本発明は、金属表面を不動態化するための、改善された、特にCr不含及び/又はF不含の調製物を提供するものであり、この調製物は特に好ましくは金属ストリップの前処理時に使用される。
本発明を実施例により詳説するが、この実施例は本発明の対象を限定するものではない。
測定方法:
K値をH. Fikentscher, Cellulose-Chemie, 第13巻, 第58頁〜第64頁及び第71頁〜第74頁(1932)に従って、1質量%水溶液中で25℃でpH値7で測定した。
本発明により使用されるポリマー(A)の製造
(A.1)アクリル酸とイタコン酸とビニルホスホン酸とからのターポリマー
アンカースターラー、温度制御部、窒素導入口及び2つの供給口を備えた6Lの反応容器に、ビニルホスホン酸(95%)85.3g、イタコン酸292.7g及び脱イオン水531.3gを装入する。この装入物に窒素を15分間通し、窒素雰囲気下に98℃に加熱する。次いで、5時間以内で、脱イオン水324.3g中のアクリル酸324.3gを添加し、6時間以内で、脱イオン水250g中のペルオキソ二硫酸ナトリウム41.9gを添加する。その後、98℃でさらに2時間撹拌する。固形分40.2%、K値23.2(脱イオン水中で1%)を有する淡黄色の澄明なポリマー溶液が得られる。
本発明による調製物のバッチ処理
得られたポリマー水溶液に、本発明により使用される成分を溶解させ、均質化し、浸漬浴に充填した。
実施例1
水中の、ターポリマー(A.1)8.1質量%(固形分に関して)、チタンビスアンモニウムラクタートジヒドロキシド(CAS:65104−06−5)1.2質量%、H3PO4 0.7質量%及びMg3(PO42 0.2質量%からの調製物。
実施例2
水中の、ターポリマー(A.1)8.5質量%(固形分に関して)、カリウムチタンオキシドオキサラート二水和物(CAS:14402−67−6)0.8質量%、H3PO4 0.7質量%及びMg3(PO42 0.2質量%からの調製物。
実施例3
水中の、ターポリマー(A.1)8.1質量%(固形分に関して)、アンモニウムチタニルオキサラート一水和物(CAS:10580−03−7)1.2質量%、H3PO4 0.65質量%及びMg3(PO42 0.2質量%からの調製物。
比較例1
水中の、ターポリマー(A.1)10質量%(固形分に関して)からの調製物。
比較例2
水中の、ターポリマー(A.1)9.3質量%(固形分に関して)、H3PO4 0.7質量%及びMg3(PO42 0.2質量%からの調製物。
比較例3
WO2004/074372号、実施例2に従って製造されたターポリマー(V2)10質量%(固形分に関して)からの調製物。
比較例4
水中の、ターポリマー(A.1)8.1質量%(固形分に関して)、チタンオキシスルファート(CAS:13825−74−6)1.2質量%、H3PO4 0.65質量%及びMg3(PO42 0.2質量%からの調製物。
金属表面及びその前処理:
試験のために、溶融亜鉛めっき鋼からの試験薄板(105×390×0.75mm;亜鉛皮膜20μm、Gardobond OE HDG 3、Chemetall社)を使用した。
洗浄(工程1):
この薄板を、まずエタノール及びエチルアセタートで脱脂し、次いでアルカリ性洗浄溶液(例えばRidoline C72、Henkel社、4.3g/L、60℃で1分間)に浸漬し、すぐに脱イオン水ですすぎ、次いで窒素で乾燥させた。
前処理皮膜の施与(工程2):
洗浄した薄板を、室温でそれぞれの調製物(第1表を参照のこと)にそれぞれ2〜3秒間浸漬し、ロール系でしごき取り、乾燥棚中で160℃で15〜20秒間乾燥させた。この場合、乾燥の過程でピーク金属温度は50℃を上回らなかった。それぞれ2枚の薄板を被覆した。
プライマー(下塗材)及びトップコートの塗布(工程3):
前処理皮膜を有する薄板と、Gardo TP10475(Chemetall社、Cr不含、F含有)で前処理した市販の薄板(これを対照薄板として用いる)とを、ワイヤードクターを用いてそれぞれのプライマー(第1表を参照のこと)で被覆し、製造業者の指示に従って炉中で焼付け、脱イオン水中に短時間浸漬し、圧縮空気で乾燥させた。次いで、それぞれのトップコート(第1表を参照のこと)を、同様に製造業者の指示に従ってワイヤードクターを用いて塗布し、炉中で焼付け、次いでこれらの薄板を脱イオン水中に短時間浸漬し、垂直にして乾燥させた。
試験法
塩水噴霧試験:
腐食抑制作用の尺度として、DIN 50021による塩水噴霧試験の結果を用いる。塩水噴霧試験を、中央に垂直に十分に規定された幅0.3mm、長さ11cmのキズ(塗膜を通ってZn被覆にまで達している)をつけた完全に被覆した薄板(工程1〜3)を用いて行い;貯蔵時間は6週間であった。試験結果を第1表にまとめた。塗膜下腐食は、元のキズの平均の片面での拡がりである。試験した薄板の平均値を求めた。
テープ剥離試験:
テープ試験をDIN EN ISO 1519:2003に従って、完全に被覆した薄板(工程1〜3)を用いて行った。試験結果を第1表にまとめ、さらに、湾曲縁部でテープ剥離現象が生じないように湾曲させた薄板の両面間の可能な最小の距離を示した。この値を、Chemetall社製の市販の前処理剤Gardo TP10475で処理した薄板を基準とした相対的単位で表に示した。
試験した薄板の平均値を求めた。
Figure 2014532815
この試験結果(第1表)は、本発明による調製物を使用した場合、従来技術による相応する調製物を使用した場合と比較して、明らかにより良好な防食性とより良好な塗料密着性が達成されることを示している。

Claims (15)

  1. 以下のものを含む、金属表面を不動態化するための調製物:
    a)少なくとも一つのイタコン酸ホモポリマー又はイタコン酸コポリマー(A)であって、ここで、このポリマー(A)は以下のモノマー単位:
    (a1)イタコン酸 0.1〜100質量%、
    (a2)少なくとも一つのモノエチレン系不飽和モノカルボン酸 0〜99.9質量%、並びに、
    (a3)(a1)及び(a2)とは異なる、酸基を有する少なくとももう一つのエチレン系不飽和モノマー 0〜40質量%、及び/又は
    (a4)(a1)、(a2)及び(a3)とは異なる、少なくとももう一つのエチレン系不飽和モノマー 0〜75質量%
    から構成されており、
    ここで、これらのモノマー単位の量は、それぞれコポリマーに重合導入されている全てのモノマー(a1)〜(a4)の総量に対するものであり、全てのモノマー単位の量は合計で100質量%であるものとする;
    b)成分(B)としての、水及び/又は他の溶剤であって、ホモポリマー又はコポリマー(A)の溶解、分散、懸濁又は乳化に好適であるもの;
    c)少なくとも一つの有機Ti化合物又は有機Zr化合物(C);及び
    d)任意に、少なくとも一つのZn塩又はMg塩(D)。
  2. 成分(A)、(B)、(C)及び任意に(D)の他に、さらに少なくとも一つの無機酸又は有機酸及び/又はその相応する塩を成分(E)として含有している、請求項1に記載の調製物。
  3. 成分(A)、(B)、(C)、任意に(D)及び任意に(E)の他に、さらに少なくとも一つのアミン含有アルコール又はアミド含有アルコール(F)を含有している、請求項1又は2に記載の調製物。
  4. 有機Ti化合物又は有機Zr化合物(C)が、有機酸の塩である、請求項1から3までのいずれか1項に記載の調製物。
  5. 有機Ti化合物又は有機Zr化合物(C)が、チタン酸塩又はジルコニウム酸塩である、請求項1から4までのいずれか1項に記載の調製物。
  6. イタコン酸(a1)の量が10〜70質量%であり、かつモノエチレン系不飽和モノカルボン酸(a2)の量が30〜90質量%である、請求項1から5までのいずれか1項に記載の調製物。
  7. モノマー(a3)の量が0.1〜40質量%である、請求項1から6までのいずれか1項に記載の調製物。
  8. イタコン酸コポリマー(A)が、イタコン酸(a1)とアクリル酸(a2)のモノマー単位からのコポリマーであるか、又は、イタコン酸(a1)とアクリル酸(a2)とビニルホスホン酸(a3)のモノマー単位からのターポリマーである、請求項1から7までのいずれか1項に記載の調製物。
  9. 金属表面上に不動態化皮膜を作製するための方法において、金属表面を請求項1から8までのいずれか1項に記載の調製物で処理することを特徴とする方法。
  10. 金属表面が金属ストリップの表面である、請求項9に記載の方法。
  11. 処理を連続法により行う、請求項9又は10に記載の方法。
  12. 請求項9から11までのいずれか1項に記載の方法により得られる、金属表面上の不動態化皮膜。
  13. 請求項12に記載の不動態化皮膜を含む、金属表面。
  14. 不動態化皮膜の上にさらに、重ねて付与された一つ以上の塗膜が存在している、請求項13に記載の金属表面。
  15. 金属表面を不動態化するための、請求項1から8までのいずれか1項に記載の調製物の使用。
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