Aluminum pigmenten chromate - free metal effect coatings on steel substrates

Abstract

ABSTRACT: Metals such as iron and aluminum are used in industrial structures because of their mechanical properties including high strength and stiffness. These materials are very sensitive to corrosion due to aggressive environments, which cause energy and material loss. Making use of a protective film or coating is the most common route to protect metals from corrosion. A common coating used on metals is chromate coating due to its good protective and aesthetic qualities however; Cr (+6) is known and designated by EPA as one of the 17 high toxicity chemicals. It is known to be a human carcinogen and emits a toxic mist at elevated temperatures. Because of environmental and health perspective, alternative more environmentally friendly coating methods are under investigation. Sol-gel process is amongst the common methods for deposition of the coatings on metal surfaces. Such process has several advantages over those other methods such as low temperature and waste-free processing. In the current research sol-gel processing was used to deposit coatings on the steel substrates. It is known that UV curing is becoming an accepted technique and offers a variety of advantages because of its uniqueness, therefore in the current study a series of UV-curable coating with aluminum pigments was prepared in order to replace the chromium coatings, since from the health and environmental perspective, chromium can be toxic and can have significant negative effect on human beings. For this purpose, among the oligomers that can be applicable for UV-curing, aliphatic tri-functional oligomeric urethane methacrylate (ATOUA) was formulated from trimethylolpropane (TMP), isophrone diisocyanate (IPDI) and hydroxyethyl methacrylate (HEMA). Also, dibutyltin dilaurate (DBTDL) was incorporated to let the reaction to take place. As incorporated to let the reaction, the metallic shine effect was also achieved by formulating leafing and non-leafing aluminum pigments with ATOUA as binder with a proper dispersing agent, during the coating process. In this study, ATOUA was reacted with 1,6 hexanediol diacrylate (HDDA) and trimethlol propane triacrylate, serving the function of a reactive diluent, benzophenone as phtoinitiator, N-methyl diethanolamine as co-initiator, aluminum pigments, wetting agent 1OEO), to produce UV-curable aluminum pigmented coatings. SEM analysis was also performed to monitor the surface morphology of the produced coatings. SEM images of the ATOUA polymers illustrated a crack free coating involving aluminum particles. Moreover, FTIR, 1H-NMR and 13C-NMR spectroscopic measurements were employed to pinpoint the structural properties of the synthesized oligomers. Additional characteristics of the surface coatings such as chemical and mechanical properties have been investigated through the following tests: König hardness, cross cut adhesion, impact resistance, gloss, mandrel bend, cupping and salt spray. Furthermore, the DSC and TGA analysis were investigated. results clearly indicated that the cured films possess proper pendulum hardness and strong adhesion to the substrate. Moreover, coatings passed 1000 h of salt spray resistance test. Coatings have suitable abrasion resistance, gloss and flexibility and consequently can be applied in industrial sectors. Keywords: UV Curable Coating, Aluminum Pigment, Organic- Inorganic Hybrid Film, Metal Effect Coating, Gloss, and Steel.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

ÖZ: Çeşitli çelik ve alüminyum alaşımları endüstriyel uygulamalarda yüksek mekanik dayanım ve esneme direnci gibi mekanik özellikleri nedeniyle kullanılmaktadır. Ancak bu metaller birçok ortamda korozyona uğramakta ve bu da enerji ve malzeme kayıplarına neden olmaktadır. Metalleri korozyondan korumak ve görünümlerini çekici kılmak amacıyla çeşitli kaplama yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemler arasında elektrolitik krom kaplama ve çeşitli boyama yöntemleri yaygındır. Ayrıca sol-jel yöntemi de düşük uygulama sıcaklığı ve çevre dostu bir işlem olması nedeniyle giderek önem kazanmakta olan bir kaplama yöntemidir. UV tepkimeli polimerleştirme de giderek yaygınlaşan bir yöntem olup yüksek etkinlik ve enerji verimliliği gibi çeşitli üstünlükler sunmaktadır. Krom kaplama teknolojisi ise sağladığı mükemmel parlak görünüme rağmen krom iyonlarının toksik etkisi nedeniyle endüstrinin vazgeçmekte olduğu bir teknoloji durumuna gelmiştir. Bu çalışmada krom kaplamalar yerine geçebilecek alüminyum pigmentli metal etkili kaplamaların çelik yüzeyler üzerine uygulanması araştırılmıştır. Bu amaçla sol-jel ve UV tepkimeli polimerleştirme yöntemleri kullanılmış ve uygun kaplama malzemeleri geliştirilmiştir. Bu hedef doğrultusunda UV tepkimeli polimerleştirme yöntemine uygun olabilecek çeşitli oligomerler arasından alifatik üç işlevli oligomerik üretan metakrilat (ATOUA) geliştirilmiştir. ATOUA eldesinde trimetilpropan (TMP), izoforon diizosiyanat (IPDI) ve hidroksietil metakrilat (HEMA) kullanılmıştır. Ayrıca hızlandırıcı olarak dibütiltin dilaurat (DBTL) kullanılmıştır. Ayrıca yapraksı veya yapraksı olmayan alüminyum pigmentlerin kullanıldığı ATOUA tabanlı uygun kaplama bileşimleri geliştirilmiş ve uygun seyrelticiler belirlenmiştir. Sol-jel yöntemi ile elde edilen silika-Al pigment filmlerinde çatlama ve pigment boyutunun film kalınlığı ile uyuşmaması gibi sorunlarla karşılaşılmıştır. UV tepkimeli Al pigmentli kaplamalar elde etmek için ATOUA, 1,6 hegzandiol diakrilat (HDDA), tepkimeli seyreltici trimetilolpropan triakrilat, fotobaşlatıcı olarak benzofenon, ek fotobaşlatıcı olarak N-metil dietanolamin, alüminyum pigmentler, ıslatıcı ve dağıtıcı olarak OA 1OEO ile tepkimeye sokulmuştur. Elde edilen kaplamaların taramalı electron mikroskop (SEM) görüntüleri Al içeren ya da içermeyen kaplamaların çatlak içermediğini göstermiştir. FTIR, 1H-NMR ve 13C-NMR spektroskopik analizleri sentezlenmiş olan oligomerlerin kimyasal yapısı hakkında bilgiler vermiştir. Ayrıca yüzey kaplamalarının kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikleri çeşitli yöntemlerle incelenmiştir. Bu yöntemler König sertlik, çapraz kesikli yapışma, darbe dayanımı, parlaklık, mandrel bükme, batma/çökertme, ve tuz püskürtme, DSC ve TGA deneylerini içermektedir. Elde edilen sonuçlar, kaplamaların uygun darbe dayanımı, sertlik ve metale yapışma özelliklerine sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca kaplamalar 1000 saatlik tuz püskürtme deneyini başarı ile geçmiştir. Kaplamalar uygun aşınma dayanımı, parlaklık ve esnekliğe sahiptir ve endüstriyel uygulamalarda kullanılabilirler. Anahtar Kelimeler: UV Tepkimeli Kaplama, Alüminyum Pigment, Organik-Inorganik Hibrit Film, Metal Etkili Kaplama.