基板表面形貌对镀锡板润湿能力影响的研究_万一群.pdf

Plating and FinishingApr.2023Vol.45 No.4 Serial No.361基板表面形貌对镀锡板润湿能力影响的研究万一群1，齐 韦2*，沈鹏杰1，杨鸿建1，张文亮1，潘红良2（1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司 镀锡板事业部，河北 唐山 063200；2.上海务宝机电科技有限公司 化工环保部，上海 200940）摘要：针对镀锡板在印铁涂布过程中出现的缩孔缺陷，同时解决镀锡板表面润湿能力偏低的问题，采用接触角和达因笔的测试方法，研究了基板表面形貌影响镀锡板表面润湿能力的原因。结果表明：基板表面形貌中峰谷的分布状况对镀锡板的表面能和润湿性存在重要的影响，基板的比表面积越大，镀锡板的表面能越大，基板表面的峰谷直径比越小，镀锡板与涂料的接触角越小。对不同表面形貌的镀锡板进行印铁试验，表面能32 mN/m的镀锡板可避免缩孔，通过改变基板的表面形貌可大幅提升镀锡板的表面润湿能力。关键词：镀锡板；缩孔缺陷；润湿性；接触角；表面能；基板；表面形貌中图分类号：TQ153.2文献标识码：AStudy on blackplate surface morphology effect on wettability for tinplateWan Yiqun1，Qi Wei2*，Shen Pengjie1，Yang Hongjian1，Zhang Wenliang1，Pan Hongliang2（1.Tin Plating Division，Shougang Jingtang Iron and Steel Union Co.，Ltd.，Tangshan 063200，China；2.Ministry of Chemical Industry and Environmental Protection，Shanghai Wubao Mechatronic Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200940，China）Abstract：In view of the shrinkage defects on the tinplate surface which often appear in the process of printing and coating，in order to solve the problem of tinplate s low wettability，the influence of blackplate surface morphology on the wettability of tinplate was studied by contact angle and Dyne pen.The results show that the distribution of peaks and valleys in the surface morphology of blackplate has an important influence on the surface energy and wettability of tinplate.The larger the specific surface area of tinplate is，the greater the surface energy is.The smaller the peak-to-valley diameter ratio of tinplate is，the smaller the contact angle between tinplate and coating is.On the different surface morphology of tinplate printing and coating test，the tinplate with surface energy 32 mN/m can avoid shrinkage defects，and the wettability of tinplate can be greatly improved by changing the surface morphology of blackplate.Keywords：tinplate；shrinkage defects；wettability；contact angle；surface energy；blackplate；surface morphology镀锡板因其无毒、易焊接等性能在食品包装行业中应用广泛。在食品罐制罐之前通常对镀锡板进doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2023.04.007 收稿日期：2022-09-01 修回日期：2023-02-13 作者简介：万一群（1984），男，工程师，本科，主要从事冷轧电镀锡工艺生产技术研究，email： *通信作者：齐韦（1989），男，工程师，本科，主要从事环境与化学工艺研究，email：38第 45 卷 第 4 期（总第 361 期）2023 年4 月电 镀 与 精 饰行涂饰和印刷，不仅能起到节约锡和装饰的目的，还可防止食品罐内外表面发生腐蚀、生锈或变色。食品包装用的镀锡板通常在印铁涂布工艺中需要“内涂外印”，而缩孔是印铁涂布中最常见的缺陷，严重的缩孔将导致涂印不合格甚至停产1-3。缩孔是镀锡板表面对涂料产生排斥的反润湿现象，局部的涂料无法正常黏附在镀锡板上，从物化原理上分析就是涂料的表面张力大于镀锡板的表面能，导致涂料收缩，形成缩孔4-6。李旭东7研究了钝化工艺对镀锡板表面润湿性和涂饰性的影响，通过增大钝化膜厚度，降低镀锡板对水的接触角，从而提高其涂饰性；王志登等8通过镀锡板涂膜前预烘烤处理，改变了镀锡板表面钝化膜和氧化膜组成以及含量比例，降低了水接触角，提高了表面能值，使漆膜稳定铺展；兰剑等9-10研究了癸二酸二辛酯（DOS）油膜种类、涂覆量、镀锡板含水量和油膜含水量对镀锡板表面润湿性和涂饰性的影响。上述研究主要针对镀锡板表面膜层物质的成分、含量进行分析，然而对镀锡板表面形貌所引起的表面能的变化研究较少。笔者使用表面轮廓仪和粗糙度仪测试分析了基板的表面形貌，通过表面接触角测试、达因笔测试、印铁涂布后验证缩孔等方法，研究了基板的表面形貌对镀锡板表面能和润湿性的影响。从表面热力学的角度讨论了印铁涂布中底油对镀锡板的表面润湿现象，并生产验证了不同峰谷分布的镀锡板表面的缩孔问题。1实验研究1.1实验条件使用双机架平整机采用湿平整工艺生产镀锡基板。第1机架参数：毛化辊粗糙度Ra=1.6 m、延伸率为 1.05%。第 2 机架参数：磨削辊粗糙度 Ra=0.9 m、延伸率为0.6%。平整液浓度为2%5%、平整液温度为4550，生产粗糙度Ra=0.6 m的镀锡基板A、镀锡基板B和镀锡基板C。3种基板的区别在于：基板A表面以尖峰为特征，基板B表面峰谷均匀，基板C表面以深谷为特征。使用弗洛斯坦镀锡机组采用MSA电镀锡工艺生产镀锡板，甲基磺酸（MSA）浓度为4070 mL/L，添加剂浓度为 915 mL/L，抗氧化剂浓度为1521 mL/L，二价锡浓度1218 g/L，硫酸24 g/L，生产镀锡量为2.8 g/m2的镀锡板。使用感应软熔装置对镀锡板做合金化处理，使用脱盐水助熔，软熔高度为45007500 mm，软熔温度为250280，水淬温度为8595，生产合金层的量为0.40.6 g/m2的镀锡板。使用 311 钝化工艺对镀锡板做六价铬钝化处理，重铬酸钠浓度为253 g/L，pH值为4.40.4，电流密度为13 A/dm2，生产钝化膜的量为56 mg/m2的镀锡板。静电涂油量为36 mg/m2。使用辊涂机采用印铁工艺对镀锡板印涂底油，底油成分为环氧-酚醛涂料，涂膜量为3.54.0 g/m2，烘烤条件为 160180、1215 min，用于奶粉罐内涂。1.2实验方法使用便携式粗糙度仪 TIME-3202 测试镀锡板的粗糙度。设定取样长度 l=0.8 mm，评定长度ln=5l，量程为40 m+40 m，滤波器采用RC滤波，C值设置为0.25 m，分别测试粗糙度Ra、Rsk和Rpc。使用 Contour GT-K 表面轮廓仪测试镀锡板的表面形貌。采用VSI/VXI模式，5倍物镜，0.55倍目镜，测试面积476 m357 m，测试三维轮廓图、垂直于轧制方向的轮廓线和偏斜度分布图。使用笔号为3036#达因笔测试镀锡板的表面能11-12。将达因笔垂直于镀锡板表面，加上适当的压力，在镀锡板表面上画 1 条 10 cm 的直线，观察2.5 s内笔迹的收缩情况，通过笔迹不收缩所对应的笔号确定镀锡板的表面能。使用接触角测试仪测试底油对镀锡板的表面润湿强度13。使用底油作为测试介质，针管直径为500 L，滴液量为 6 L，滴速为 1 L/s，静置时间为 1 min，环 境 温 度 为 232 ，环 境 湿 度 为50%5%RH，测试底油与镀锡板的接触角。使用硫酸铜的硫酸溶液验证印铁涂布后镀锡板表面的缩孔现象。溶液配制为 5 g 硫酸铜结晶、1.5 mL浓硫酸溶于1 L水中，涂抹于印铁涂布后的镀锡板表面，通过铜的沉积显现涂膜的损伤或缩孔。2结果与讨论2.1基板表面形貌的分析镀锡基板的表面形貌通过湿平整工艺中毛化辊表面形貌的复制转移、轧制力、延伸率等参数控制，通常使用便携式粗糙度仪测试基板的粗糙度。轮廓39Vol.45 No.4 Serial No.361Plating and FinishingApr.2023算术平均偏差Ra是在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值，偏斜度Rsk是轮廓高度曲线上相对基线的不对称的计量，C=0.25 m时的有效峰个数Rpc是单位长度内连续穿过规定的上轮廓截止线C1和下轮廓截止线C2的粗糙度轮廓元素的数量。对于不同表面形貌的基板A、基板B和基板C，其便携式粗糙度仪的测试结果如表1所示，其表面轮廓仪的测试结果如图14所示。表1基板的粗糙度Tab.1Roughness of different blackplates样品名基板A基板B基板CRa/m0.5630.5980.587Rsk0.9700.0500.865Rpc10812092（a）基板A（b）基板B（c）基板C图1表面形貌对比Fig.1Comparison of surface morphology（a）基板A（b）基板B（c）基板C图2三维形貌对比Fig.2Comparison of 3D morphology（a）基板A（b）基板B（c）基板C图3轮廓线对比Fig.3Comparison of contour line40第 45 卷 第 4 期（总第 361 期）2023 年4 月电 镀 与 精 饰表1中基板A、B、C虽然都符合Ra=0.6 m的粗糙度要求，但基板A的Rsk为正，基板B的Rsk趋近于0，基板C的Rsk为负，Rpc顺序：基板B基板A基板C，说明相同 Ra水平的基板，其表面形貌仍存在差异。图1为基板的表面形貌图，灰色点位为峰位、白色点位为基线位、黑色点位为谷位，基板A的峰位偏多、基板B的峰谷均匀、基板C的谷位偏多。图2为基板的三维形貌图，基板A平台之上尖峰较多、基板B 平台上下峰谷均匀、基板 C 平台之下深谷较多。图3为垂直轧向的轮廓线，轮廓高度0 m为基线位置，基板A的大部分轮廓位于基线之下，基板B的轮廓分布于基线的上下两侧，基板C的大部分轮廓位于基线之上。图4为基板的偏斜度，偏斜度曲线统计了轮廓高度的分布概率，基板A轮廓的众数位于基线之下（Rsk0），基板B轮廓的众数位于基线位置（Rsk=0），基板C轮廓的众数位于基线之上（Rsk90时，cos0，固气界面张力 sg固液界面张力 sl，合力指向液滴中部，导 致 达 因 液 在 镀 锡 板 表 面 收 缩；当 =90时，cos=0，固气界面张力sg=固液界面张力sl，受力平衡，达因液在镀锡板表面保持稳定。当0，固气界面张力sg固液界面张力sl，合力背向液滴中部，导致达因液在镀锡板表面铺展。达