改善罐蓋涂膜羽膜性能的分析探討

蔣新杰，袁禮軍，劉懿洋，張仕強(qiáng)

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

改善罐蓋涂膜羽膜性能的分析探討

蔣新杰，袁禮軍，劉懿洋，張仕強(qiáng)

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

羽膜屬于涂膜性能的一個(gè)重要指標(biāo)，易拉罐用戶都要對(duì)蓋子的羽膜值進(jìn)行嚴(yán)格控制。通過(guò)分析涂層清洗段、涂層鈍化段、涂料成分與羽膜值的關(guān)系，給出解決羽膜的正確方向。

罐蓋料；羽膜；環(huán)氧樹(shù)脂涂料；涂層清洗；涂層鈍化；涂膜性能

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)飲料行業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)鋁合金罐體和罐蓋拉環(huán)的需求也急速增加。在市場(chǎng)需求增長(zhǎng)的同時(shí)，人們也更關(guān)注產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是對(duì)罐蓋涂層的要求越來(lái)越高。涂膜性能中最重要的一個(gè)指標(biāo)就是羽膜。本文以改善罐蓋涂膜羽膜性能為目的，給出解決問(wèn)題的正確方向。

1 羽膜

涂層是罐蓋料最重要的一道工序。清洗、鈍化、涂層和固化是涂層最重要的工藝，這四道工藝直接影響易拉蓋涂膜性能。易拉蓋按開(kāi)啟形式分類有保留蓋（SOT）、拉開(kāi)蓋（RPT）和全開(kāi)蓋（FA）三類。

羽膜的定義是易拉蓋通過(guò)巴氏殺菌（65℃/30min）后，拉開(kāi)蓋子邊沿出現(xiàn)涂膜和基材分離的現(xiàn)象。羽膜是涂膜性能中一個(gè)重要的指標(biāo)。拉開(kāi)式蓋（RPT）對(duì)羽膜的要求特別嚴(yán)格，大多供應(yīng)商將其羽膜標(biāo)準(zhǔn)控制在0.1mm以內(nèi)。圖1為羽膜缺陷樣品。

圖1 有羽膜缺陷的罐蓋

2 影響因素及分析結(jié)果

針對(duì)涂層生產(chǎn)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)影響羽膜的主要因素有涂層清洗質(zhì)量、涂層鈍化質(zhì)量和涂料成分。

2.1 涂層清洗

涂層前清洗是通過(guò)清洗劑去除鋁材表面軋制油、鋁灰和氧化膜的過(guò)程。

2.1.1 影響因素闡述

（1）軋制油的去除。冷軋軋制油屬于礦物油，軋制油主要成分為飽和的環(huán)烷烴與鏈烷烴混合物。軋制油的去除分為兩步乳化作用和水解反應(yīng)。

乳化作用主要是通過(guò)將油脂吸附在含有親水基和憎水基的乳化劑周圍進(jìn)入溶液中。水解反應(yīng)軋制油中的酯類化合物在酸性環(huán)境下發(fā)生水解產(chǎn)生可溶于水的脂肪酸鹽和醇[1]。

（2）氧化膜的去除。氧化膜是鋁合金在壓力加工、儲(chǔ)存的過(guò)程中與軋制潤(rùn)滑油接觸形成氧化鋁膜、復(fù)合膜、共價(jià)結(jié)合膜等總體組織，它可由一層或多層膜相互綜合組成。

罐蓋料主要為5×××系合金，氧化膜主要為氧化鋁、氧化鎂、共價(jià)鍵結(jié)合膜。清洗液的侵蝕作用分解掉氧化膜和有機(jī)物形成的共價(jià)鍵，然后通過(guò)氫氟酸與氧化鋁、氧化鎂等氧化膜反應(yīng)生成氟化鋁和氟化鎂等[2]。反應(yīng)方程式為：Al2O3+6HF=2AlF3+ 3H2O；MgO+2HF=MgF2+H2O。

2.1.2 涂層清洗影響因素分析

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，清洗后表面軋制油、鋁灰和氧化膜含量越少羽膜值越小。影響涂層清洗質(zhì)量的重要參數(shù)是游離酸濃度和氟離子濃度，游離酸濃度主要是控制油污清洗的參數(shù)，氟離子濃度主要是控制去除氧化膜的參數(shù)。在涂層其它參數(shù)不變的情況下不斷提高游離酸濃度和氟離子濃度，測(cè)量對(duì)應(yīng)清洗濃度的羽膜值（見(jiàn)表1）。為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次實(shí)驗(yàn)測(cè)量3次清洗劑濃度，取平均值，每次實(shí)驗(yàn)樣板測(cè)量3次羽膜值，取平均值。

表1 不同清洗劑濃度下的羽膜值

由表1數(shù)據(jù)可知，清洗劑濃度提高后羽膜值越小。對(duì)清洗劑濃度低和濃度高的樣品進(jìn)行電子顯微鏡放大處理，其結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 清洗劑濃度對(duì)試樣表面的影響

由圖1可見(jiàn)，清洗劑濃度高的樣品較清洗劑濃度低的表面粗糙。濃度高的清洗劑刻蝕作用較強(qiáng)，鋁材表面極易出現(xiàn)泛白的現(xiàn)象。

2.2 涂層鈍化

輥式涂布化學(xué)涂鈍化的原理是水溶液中的三價(jià)Cr通過(guò)水合生成水合絡(luò)合物[Cr（H2O）6]3+、[Cr（H2O）6]3+，通過(guò)水解生成[Cr（OH）2-OH]2+和H+、[Cr（OH）2-OH]2+，通過(guò)羥橋合反應(yīng)和氧橋合反應(yīng)生成高分子聚合物。涂布在基材上高分子絡(luò)合物與基材表面形成一種無(wú)定型鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜[4]。

2.2.1 影響因素闡述

（1）水合。三價(jià)鉻鹽是一些可用離子表示的水合絡(luò)合物，如[Cr(H20)6]3+、[Cr(H20)5Cl]2+和[Cr(H20)4Cl]2+。在水溶液中，水分子配位體的取代通用公式為：[CrA5X]2++H20一[CrA5(H20)]+。其中A是單個(gè)配位中性分子；X是單個(gè)配位陰離子，如Cl、CN、CNS。

（2）水解。水合物可以起酸的作用，并產(chǎn)生較重要的影響，因?yàn)榉磻?yīng)[Cr(H20)6]3+一[Cr(H20)5-OH]2++ H+的發(fā)生使水合物溶液的酸度上升。加熱可以使平衡向右移動(dòng)，當(dāng)然加入堿性物質(zhì)也可以達(dá)到類似效果。隨著Cr3+溶液pH值的升高，平衡也會(huì)移動(dòng)，更多的配位水分子轉(zhuǎn)換為-0H基團(tuán)。

（3）橋合反應(yīng)。橋合聚合物是絡(luò)合物，在這種絡(luò)合物中，金屬原子通過(guò)0H基團(tuán)搭橋連接起來(lái)。為了與配位羥離子(即一個(gè)0H只與一個(gè)金屬原子配位)區(qū)別稱之為橋羥基。從配位羥離子化合物形成橋羥基化合物的過(guò)程稱為橋合反應(yīng)。橋合反應(yīng)導(dǎo)致了多核絡(luò)合物的形成，這些絡(luò)合物由通過(guò)OH基團(tuán)橋連接的Cr3+鏈或環(huán)組成[3]。反應(yīng)過(guò)程如下：[Cr (H2O)6]3++[Cr(H2O)5OH]2+→[(H2O)5Cr-OH-Cr(H2O)5]5++ H2O

（4）聚合。橋合反應(yīng)不會(huì)完全終止，它可能會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，分子量也會(huì)越來(lái)越大，得到的聚合物是橋合反應(yīng)的繼續(xù)。如果每個(gè)連續(xù)步驟的產(chǎn)物都含有水和0H基團(tuán)，可能進(jìn)一步進(jìn)行加聚反應(yīng)，其最終結(jié)果是生成氫氧化鉻沉淀Cr(0H)3·xH20，它是一種三維羥橋合聚合物。

（5）成膜。輥式涂層預(yù)處理劑是含有二氧化硅、氟化物、多種金屬鉻酸鹽和丙烯酸或丙烯酸/環(huán)氧乳液等有機(jī)樹(shù)脂的鉻酸溶液。涂布在基板上烘干，生成圖2所示的凝膠狀無(wú)定型鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜［4］。

圖2 無(wú)定型鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜

2.3.2 涂層鈍化影響因素的分析結(jié)果

我們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，鉻化膜的厚度的變化對(duì)羽膜值的影響較大。影響鉻化膜厚度重要參數(shù)是鈍化液濃度和涂輥與掛料輥的壓力。在其他涂層工藝參數(shù)不變的情況下，通過(guò)增加掛料輥和涂輥之間的壓力和增加鈍化液濃度來(lái)提高鉻化膜厚度，對(duì)各間隙配置下羽膜值進(jìn)行試驗(yàn)。各鉻化膜厚度下羽膜情況見(jiàn)表2。

表2 調(diào)整間隙對(duì)比不同鉻化膜重量下的羽膜值

在保持涂層其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)增加鈍化液濃度提高鉻化膜厚度，各鉻化膜厚度下羽膜情況見(jiàn)表3。

表3 調(diào)整鈍化液濃度對(duì)比不同鉻化膜重量下的羽膜值

由表2和表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，鉻化膜厚度在42mg/m2以前，鉻化膜厚度越高羽膜越小；鉻化膜厚度在42mg/m2之后，隨著鉻化膜厚度的增加羽膜值不再變化。

2.3 涂料成分

2.3.1 涂料成膜原理

涂層成膜原理分為兩步，物理成膜方式和化學(xué)成膜方式。物理成膜方式包括兩種形式，溶劑或分散介質(zhì)的揮發(fā)成膜和聚合物粒子凝聚成膜。化學(xué)成膜方式是成膜物質(zhì)在施工成為薄膜狀態(tài)下通過(guò)聚合反應(yīng)成為高聚物的過(guò)程[5]。

表4 對(duì)比不同成分涂料涂層的羽膜值

2.3.2 涂料因素的分析結(jié)果

因涂料影響羽膜值的主要原因?yàn)槌赡さ沫h(huán)氧樹(shù)脂分子量較大、交聯(lián)反應(yīng)速度較慢等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)減少環(huán)氧樹(shù)脂分子的分子量和采用促使交聯(lián)反應(yīng)更快的催化劑的方式有利于羽膜值減小。在保持涂層其他參數(shù)不變的情況下，采用不同成分的環(huán)氧樹(shù)脂涂料，對(duì)比羽膜值。由表4可以看出，不同成分涂料對(duì)羽膜值的影響較大。

3 結(jié)論

（1）提高清洗段清洗液濃度可以達(dá)到降低羽膜值的效果，隨著清洗濃度的提高清洗液對(duì)鋁材表面的刻蝕效果越強(qiáng)，使鋁材表面出現(xiàn)泛白的現(xiàn)象。

（2）提高鉻化膜的厚度可以達(dá)到降低羽膜值的效果，當(dāng)鉻化膜厚度達(dá)到42mg/m2后，隨著鉻化膜厚度的增加羽膜值不再減小。

（3）涂料成分對(duì)羽膜值的影響較大。

[1]胡傳炘.表面處理技術(shù)手冊(cè)[M].北京工業(yè)大學(xué)出版社，1997.1

[2]朱祖芳.鋁合金陽(yáng)極氧化及表面處理技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.5

[3] 曹獻(xiàn)龍，鄧洪達(dá).三價(jià)鉻鈍化成膜的步驟與機(jī)理[C].重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，2008.5

[4]肖佑國(guó)，祝福君.預(yù)涂金屬卷材及涂層[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2003.8

[5]譚竹洲.涂料工藝[M].化學(xué)工業(yè)出版社，1997.12（2001.3重?。?/p>

變形及鑄造鋁合金的鑄造

美國(guó)專利US7201210

在本發(fā)明最佳體現(xiàn)提供的合金中，通過(guò)混合在預(yù)定溫度下靜置的不同化學(xué)成分的兩種液體形成的微觀組織里主要有球形α-Al晶粒（也就是說(shuō)，實(shí)際上無(wú)枝晶），這樣，當(dāng)混合時(shí)，他們可以在預(yù)定溫度下產(chǎn)生一種預(yù)定的合金化學(xué)成分，在該溫度下主要與減少合金熱裂傾向的球狀晶粒組織一起易于凝固。

一種鋁合金鑄件涂料

中國(guó)專利CN104128557A

本專利涉及的鋁合金鑄件涂料的組成主要包括（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：高鋁礬土25～30、剛玉粉25～30、乙醇30～40、膨潤(rùn)土2～5、松香1～3、酚醛樹(shù)脂1～3、添加劑1～3。該涂料采用松香和酚醛樹(shù)脂復(fù)合粘結(jié)劑，具有良好的工藝性能，涂料發(fā)氣量低，表面強(qiáng)度高，能有效防止鑄造缺陷。

鋁熔體處理方法

美國(guó)專利 US5935295

本發(fā)明介紹了一種凝固鑄造用鋁熔體的處理方法。在該方法中，鋁熔體需進(jìn)行處理以除去雜質(zhì)。同時(shí)，本方法還介紹了在鋁熔體中形成晶粒細(xì)化劑的工藝。該方法的主要內(nèi)容如下：(a)提供鋁熔體；(b)在上述鋁熔體中添加1～3000ppm鈦；(c)在鋁熔體中加入一種材料，該材料與鈦反應(yīng)，在熔鋁溫度下為氣體形式，并至少含有下列組份中的一種：硼、硫、氮和磷。該材料與鈦在鋁熔體中形成晶粒細(xì)化核；(d)上述鋁熔體至少有一部分凝固成為晶粒細(xì)化的鑄造產(chǎn)品。

鋁合金薄板的生產(chǎn)

美國(guó)專利US5894879

本專利介紹了一種鋁合金薄板連續(xù)、在線、一步成形的生產(chǎn)工藝。該工藝步驟如下：將鋁合金坯料鑄造成板坯或帶坯，然后軋制至產(chǎn)品最終尺寸，其間不要求進(jìn)行輔助軋制。該工藝無(wú)需中間加熱，以免會(huì)導(dǎo)致再結(jié)晶。將鋁合金按溫度時(shí)間曲線快速冷卻，以避免合金元素大量析出。二步法可生產(chǎn)出具有產(chǎn)品最終尺寸的鋁合金薄板，無(wú)需輔助軋制。第一步是：將鋁合金坯料鑄造成板坯或帶坯，然后軋制。在此期間，將鋁合金按溫度時(shí)間曲線快速冷卻，以防止合金元素大量析出；第二步：將帶坯或板坯冷軋成最終產(chǎn)品，無(wú)需輔助軋制。在這兩個(gè)步驟中都不進(jìn)行中間加熱，以免發(fā)生再結(jié)晶。

Al-Cu合金

美國(guó)專利US 5716385

本專利介紹了無(wú)鉛螺絲切削鋁合金的生產(chǎn)工藝。該工藝步驟如下：(a)提供主要成份如下的鑄造鋁錠（分量分?jǐn)?shù)，%）：Cu4.5～6、Si0.4（最大）、Fe0.7（最大）、Zn＜0.3、Bi0.1～1.0、Sn0.2～0.5，余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)；(b)在900～1050℃范圍內(nèi)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理，處理時(shí)間不得少于1h；(c)將鑄錠切成坯料，然后擠壓成所需形狀；(d)將擠壓后的合金進(jìn)行下列形變熱處理：在930～1030℃溫度下固溶處理約0.5～2h、將熱處理后的合金快速淬火至室溫、進(jìn)行冷加工、將上道工序合金自然時(shí)效至T3狀態(tài)。

Process Optimization of Property Improvement of Feather Film of Coating Film of Lid

JIANG Xin-jie，YUAN Li-jun，LIU Yi-yang，ZHANG Shi-qiang
（Southwest Aluminum(Group)Co.，Ltd.，Chongqing 401326，China）

Feather film is an important index of coating film performance，can users are to strictly control feather film value of lid. The correct direction to solve the feather film is put forward by analyzing the relation between coating cleaning process，coating passivation process，coating composition and feather film value.

lid material;feather film;epoxy resin coating;coating cleaning;coating passivation;coating film

TG339，TG178.2

A

1005-4898(2017)02-0048-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.02.10

蔣新杰（1985－），男，重慶人，大學(xué)本科。

2016－11－20