钢桶涂装前表面处理技术的研究进展

文/杜壮

文章导读

钢桶作为重要的包装材料，在投入使用前往往需要进行涂装或者一定的表面处理以达到防锈或者美观等效果。本文介绍了当前钢桶涂装前表面处理的方法，主要包括磷化，薄膜预处理，无磷（无色）钝化等，并阐释了其作用机理和进展。

01、前言

金属包装桶主要应用于化工、石油及涂料等行业，其中石油和化工行业的使用占比约90%以上。我国年金属桶产量约在1.2-1.4亿只，全国约有近800多家企业涉及金属桶生产制造，针对不同客户的需求，金属包装桶又分为冷轧桶，高清桶和内涂桶。不论何种工业包装桶，其加工生产过程基本都如图1所示，卷钢经裁剪后生产出桶身和桶盖，随后进行预处理和涂装，检测合格后发往客户。其中，预处理在生产过程中起到承前启后的作用，预处理的效果直接决定了涂装的附着力，以及非内涂桶的内部耐腐蚀性。

（图1.钢桶生产工艺示意图）

包装桶的预处理主要包括清洗及转化膜预处理。清洗脱脂去除板材表面的油脂，提供清洁表面，钝化处理形成一层无机向有机的过渡层，转化膜预处理对后道涂装的完整性、附着力及涂膜的物化性能有显著影响，同时也能够提供一定程度耐腐蚀性能，对于需要一定裸膜防护要求的高清洁桶有着非常重要的意义。

02、包装桶的转化膜预处理

包装钢桶表面的预处理方法主要分为三类：

（1）磷化，大多数采用锌系磷化的方法，也有少数采用铁系磷化的方法；

（2）薄膜预处理，也称硅烷或陶化处理；

（3）无色钝化，主要采用硅烷类溶胶-凝胶工艺进行处理。

（1）磷化处理

现阶段用于钢桶的磷化处理主要分为锌系磷化和铁系磷化，它们为还未装任何填充物的钢桶起到暂时的保护作用，并且能提高涂层膜的耐久性作用。传统的磷化工艺如下：

钢桶经脱脂清洗，表面调整后进入磷化槽反应产生转化膜，随后水洗烘干或再次进行钝化后水洗烘干。磷化产品一般含镍，亚硝酸盐等，为了保证磷化膜的顺利反应以及成膜效果，需要升温以促进磷化反应的进行。锌系磷化膜的钢桶主要用于一般化学品和树脂类液体的容器。其转化膜一般是由致密的磷酸锌类的晶体构成，厚度约为0.6μm，转化膜往往呈现灰色，见图2。锌系磷化时间一般较短，沉渣少，耗量小，盐雾和耐冲击性能优异。反应过程主要涉及以下三个步骤：

酸蚀反应：

成膜反应：

沉淀反应：

铁系磷化膜为非结晶膜，一般钝化膜厚大约只有0.06μm，颜色发蓝，如图2。铁系磷化成本较低，稳定性好，对基材适应性强，不需要表面调整，促进剂等。但耐盐雾性能较锌系磷化差，铁系磷化后的钢桶主要用于盛装润滑油和不含锌的溶液等。

（图2.锌系磷化和铁系磷化钢桶示意图）

（2）薄膜预处理

采用氟锆酸及其它添加剂对金属基材（一般为冷轧板，镀锌板，铝材等）进行表面处理成为薄膜预处理，一般添加剂为硅烷及聚合物类，因此也称为硅烷处理或陶化处理。薄膜预处理会在基材表面形成纳米级转化膜，处理后的钢桶往往呈现金黄色或淡金色，能够有效提高涂装附着力的同时，具有一定的裸膜防护效果。由于其不含铬、镍、磷等元素，因此相对传统的磷化工艺更加环保，处理过程无需表调，且室温即可使用，能够有效节能减排。薄膜预处理的机理主要为氟锆酸刻蚀基材同时在基材表面沉积锆氧化物形成转化膜，薄膜预处理液中的有机添加剂能够提高漆膜和基材的结合力。薄膜预处理液在冷轧铁基材表面作用机理如下图所示，氟锆酸对铁基材进行刻蚀，使得基材与钝化液接触的界面区域pH值升高，从而锆转化为氢氧化锆或氧化锆沉积在基材表面，形成转化膜。氟锆酸的刻蚀和转化膜的沉积为动态平衡的过程。其处理效果可通过调节温度，pH，处理时间以及处理方式（喷淋或浸渍）来进行调节。

（图3.薄膜预处理机理示意图）

薄膜预处理的流程：

薄膜预处理相对磷化处理，不含磷，且无铬，镍等重金属，极大降低了污水排放的压力。此外，薄膜预处理不需要表调和封闭钝化，不但降低药剂用量，而且减少了工艺流程。磷化处理需要升温，而薄膜预处理无需加热，更加节能环保。

（3）无磷（无色）钝化处理

磷化或薄膜预处理的钢桶，其在表面产生的转化膜往往呈现蓝白，灰色或金色。部分客户认为有色的钝化膜直接与所盛装的材料接触会影响材料的性能。因此希望包装桶钝化后依然能够呈现基材的本色，同时能够满足涂装性能的要求。此外无磷钝化后冷轧板的色泽让人感官更为舒适，更适合高清桶，如图4。

（图4.无磷钝化钢桶）

无磷钝化的机理如图5所示，主要是溶胶-凝胶型钝化液在基材表面水解并缩聚后形成凝胶，经干燥固化而覆盖在金属表面，呈现无色状态。这些钝化液一般为功能性硅烷及无机组分构成，所成钝化膜一方面有一定的防腐蚀性能，另一方面功能性基团能够提高与后续涂料的结合能力。

（图5.无磷钝化膜形成示意图）

无磷钝化工艺流程：

三种工艺对比如表1，无磷钝化工艺相对薄膜预处理和无磷钝化，工艺流程更短，无磷钝化后甚至无需水洗，直接烘干即可。且无需加热，处理时间也相对较短，节能且排放少。但对前处理过程中清洗能力要求较高，不清洁的表面会影响最终的钝化效果和外观。

表1.三种工艺对比

03、总结

钢桶涂装前处理对最终涂层附着力，内外壁的外观起着至关重要的作用。相对传统的磷化工艺，薄膜预处理及无磷钝化有着污染小，能耗少等优点。如何有效利用薄膜预处理及无磷钝化工艺势必成为未来包装桶涂装前处理的主要发展趋势。