Brevet FR2648822A1 — publié le 19901228

PROCEDE DE GREFFAGE DE SILICE AMORPHE SUR UN SUBSTRAT FERRET La presente invention concerne le domaine des revêtements de protection en particulier celui des peintures anticorrosion, et celui des revêtements d'isolation électrique. Elle a plus particulièrement pour objet un procédé de greffage de silice amorphe sur un substrat ferreux. I1 est connu d'utiliser des peintures primaires contenant du zinc comme revêtements anticorrosion, sur des tôles d'acier en contact avec des milieux agressifs comme par exemple la coque des navires en contact avec les milieux marins. I1 est connu également d'utiliser des silicates d'alcovle comme liants de ces peintures. Ces peintures riches en zinc contiennent de façon connue 50 à 75 ew en poids de poussière de zinc (jusqu'à 95 X en poids après séchage), 10 à 25 z de polysilicate d'alcoyle en solution, 2 à 10 % de charges siliceuses, 5 à 15 % de solvants alcooliques ou hydrocarbonés, I % d'agents de supension. La poussière de zinc est éventuellement remplacée par de l'aluminium ou du manganèse. Toutefois, la mise en oeuvre de telles peintures présente l'inconvénient de ne pouvoir etre réalisée à l'heure actuelle que sur des tô- les ferreuses préalablement grenaillées uniquement, ce qui constitue un énorme inconvénient, puisque leur adhérence est en réalité directement fonction de la qualité du grenaillage préalable. Par ailleurs, la peinture doit être appliquée immédiatement après la grenaillage, avant la formation d'oxydes. De plus. la surface grenaillée comporte des irrégularités, c'est a dire des bosses et des creux, ce qui crée sur le film sec de peinture obtenu : d'une part un aspect gaufré et d'autre part, une variation dans l'épaisseur de ia peinture selon qu'elle recouvre une bosse ou un creux. De plus. l'épaisseur des revêtements secs ainsi déposés est faible : en effet, elle n'excède pas 100 microns (dans les creux) car le manque d'adhérence limite cette épaisseur. De plus, ces revêtements se fissurent très facilement. Dans le cas des peintures contenant du zinc, une très forte charge en zinc généralement proche de 90 x en poids après séchage est indispensable pour assurer une bonne adhérence et une cohésion homogène du revêtement sec. Or. la mise en oeuvre de taux de zinc aussi élevés con duit en atzosphere oxydante à la formation de sels de zinc parasites rouille blanche, chlorures, oxychlorures, hydrogénocarbonates...Tous ces inconvénients limitent donc considérablement les domaines d'application de ces revêtements. Le besoin se fait donc sentir de mettre au point des techniques permettant d'obtenir une bonne adhérence ainsi qu'une cohesion homogène des peintures anticorrosion. La présente invention concerne un procédé de greffage de silice amorphe sur un substrat ferreux, caractérisé en ce que ce substrat est soumis dans une première étape à un traitement de phosphatation amorphe. puis en ce qu'on lui applique dans une deuxième étape une solution contenant des oligomères du silicate d'éthyle et éventuellement des charges et en ce que cette deuxième étape est effectuée à température ambiante en atmosphère de degré hygrométrique inférieur à 20 %. On a trouvé que la mise en oeuvre d'un tel procédé permettait d'obtenir des revêtements de peintures anticorrosion présentant à la fois une bonne adhérence et une cohésion homogène, ceci en réduisant sensiblement le taux de zinc dans le cas des peintures contenant du zinc. De plus, de tels revêtements peuvent être avantageusement mis en oeuvre sur des. supports lisses tels que des tôles minces non grenaillées. On a également trouvé que ce procédé permettait d'obtenir des revêtements convenant pour l'isolation électrique en particulier pour l'isolation électrique des circuits imprimés. Le procédé de la présente demande consiste dans une première étape à soumettre un substrat ferreux à un traitement de phosphatation amorphe, puis à lui appliquer, dans une deuxième étape,une solution contenant des oligomères du silicate d'ethyle à température ambiante en atmOs- phère de degré hygrométrique inférieur à 20 Z. Selon le procédé, le substrat ferreux est soumis dans une première étape à un traitement de phophatation amorphe. Par "substrat ferreux", on entend "substrat constitué de fer pur ou d'un alliage contenant du fer, tel que l'acier". Avant le traitement de phosphatation amorphe, la pièce métallique est de préférence dégraissée, rincée à l'eau et séchée et/ou polie mécaniquement puis rincee à l'eau, puis séchée. Le traitement de phosphatation amorphe mis en oeuvre dans la première étape du procédé objet de l'invention est une opération connue on la trouve par exemple décrite dans "Les Techniques de l'ingénieur, fi che M 1500. page 4. paragraphe 2,212. Ce traitement consiste å izzerger la pièce à traiter dans une solution aqueuse très diluée d'acide orthophosphorique de pH compris entre 3,5 et 5 ; lors de ce traitement, on veille à ce que le rapport acidité totale/acidité libre reste compris entre 2,5 et 4,0 de façon à accélérer la formation du phosphate sans que sa qualité soit amoindrie. L'acidité totale exprime la somme des quantités d'acide dissocié. et d'acide non dissocié présentes en solution, l'acidité libre exprimant la quantité d'acide dissocié en solution. Selon l'invention, la phosphatation amorphe est réalisée par immersion. La température du bain est le plus souvent comprise entre 50 et 60 'C, la durée.d'immersion variant entre 3 et 5 min. ; elle est évidemment d'autant plus courte que la température du bain est élevée. Ce traitement de phosphatation amorphe conduit à la formation d'une couche de C,5 à l g/m2 composée de phosphates de fer et d'oxydes de fer parmi lesquels : la vivianite de formule (PO), Fe@, 8H,0 et la magnétite Fe, 04. Selon l'invention le traitement de phosphatation amorphe est facile à mettre en oeuvre industriellement et il présente de plus l'avantage d'etre non toxique. Le substrat ferreux ainsi phosphaté est ensuite rincé à l'eau, puis séché. Les telles ainsi traitées peuvent être stockées, la mise en oeuvre immédiate de la seconde étape du procédé de l'in- vention n'étant donc plus une obligation. Le procédé selon l'invention consiste, dans une seconde étape, à appliquer sur le substrat ferreux phosphaté un film liquide d'une solution contenant des oligomères du silicate d'éthyle a température ambiante en atmosphère de degré hygrométrique inférieur à 20 Z. Le film liquide appliqué dans cette étape est constitué d'oligomères de silicate d'éthyle en solution. Ces oligomères du silicate d'éthyle sont fabriqués par hydrolyse du tétraéthoxysilane (de formule Si (OC2 H5)4) à l'aide d'un acide minéral fort : acide chlorhydrique ou phosphorique, en présence de solvants organiques tels que mélange d'etha- nol et d'ethoxy éthanol. Ces oligomères qui sont des polymères de bas poids moléculaire ont une masse moléculaire comprise entre 420 et 520. La solution d'oligomères a un pH compris entre 3,5 et 4, et le taux pondéral équivalent en SiO2 varie entre 16 et 26 Z. Une première application du procédé selon l'invention concerne les revêtements de protection et plus part;fulièrement les peintures primaires anticorrosion : pour de telles applications le film liquide appliqué contient alors en plus de la poudre de zinc etlou de l'alur.inium, et/ou du manganèse, dont la teneur peut atteindre au plus 80 Z en poids. On incorpore sous agitation cette poudre de zinc et/ou cet aluminium et/ou ce manganèse à la solution contenant des oligomères du silicate d'éthyle, juste avant application de la peinture. L'épaisseur des films liquides appliqués peut atteindre 200 microns, l'épaisseur correspondante des films secs étant au plus egale à 100 microns. Une seconde application du procédé selon l'invention concerne les revêtements d'isolation électrique, tels que les tôles isolantes. On dépose-un film liquide de la solution contenant des oligomères du silicate d'éthyle définie précédemment, sans additifs : pour cette application l'épaisseur de ce fil liquide est au plus égale à 20 microns, celle du film sec correspondant atteint l'épaisseur maximale de 10 microns. La seconde étape du procédé selon l'invention est mise en oeuvre dans une atmosphère qui doit présenter un degré hygromêtique inférieur à 20 %, à température ambiante. La durée de maintien du substrat ferreux en atmosphère de degré hygrométrique inférieur à 20 X varie suivant que le film contient ou pas de charge métallique : cette durée peut atteindre 3 heures (en l'absence de charge métallique! pour une couche de peinture liquide appliquée de 200 microns d'épaisseur. Les exemples suivants illustrent la présente invention. EYSMPLE l On fait subir à 6 échantillons de tales minces d'acier un polissage "au micron", c'est à dire obtenu par un polissage mécanique final à la pâte diamantée ayant une dimension particulaire de l micron. 6 autres échantillons identiques sont soumis à un grenaillage réalisé à l'aide de grains de corindon ce qui permet d'obtenir des plaques totalement dépourvues de rouille. 3 de ces plaques polies "au micron", et 3 de ces plaques grenaillées sont ensuite soumises à un traitement de phosphatation amorphe selon le procédé de l'invention : elles sont immergées dans une solution aqueuse d'acide orthophosphorique de pH 4,2 à 55 'C pendant 4 minutes. A titre de comparaison. les six autres plaques ne subisssent pas le traite ment de phosphatation. a On obtient ainsi, pour quatre traitements de surface différents (polissage, grenaillage, polissage - phosphatation, grenaillage + phosphatation) trois plaques ayant subies le même traitement. On pulvérise ensuite, sur ces plaques une peinture au pistolet à température ambiante et en atmosphère de degré hygrométrique inférieur a 20 *. Pour obtenir une épaisseur déterminée du film liquide de peinture déposée (et également de la couche de peinture après séchage, sachant que celle-ci est égale à 0,5 à 0,6 fois l'épaisseur du film liquide sur des supports lisses tels que des tôles minces), on calcule avant la pulvérisation la quantité de peinture nécessaire en fonction de l'étendue de la surface à peindre. et on pulvérise de façon homogène et uniforme. Cette épaisseur du film de peinture liquide peut être contrôlée à l'aide d'une jauge de mesure d'épaisseur humide ; elle est comprise entre 110 et 150 microns pour la peinture contenant 83,5 Z de poudre de zinc, entre 30 et 60 microns pour la peinture à 56 Z en zinc, et entre 50 et 70 microns pour la peinture à 38,7 Z en zinc (voir le tableau ci-dessous. La peinture pulvérisee est constituée du mélange d'une solution et de poudre de zinc. Cette solution est elle-même constituée en Z en poids - d'oligor,ères de silicate d'éthyle de masse moléculaire moyenne en nom bre (déterminée par tonométrie) égale à 470, en quantité équivalente à 21 Z en poids de la solution en SiO2, ces oligomères étant fabriqués par hydrolyse du tétraéthoxysilane (de formule Si(O C, H5)4) a l'aide d'acide phosphorique - 34 Z d'méthanol - 26 Z d'éthoxy éthanol - de l'acide phosphorique en quantité telle que le pH de la solution soit 3,7. A cette solution, on ajoute de la poussière de zinc en trois teneurs différentes (en poids du melange constituant la peinture :83,5 Z 56 Z et 38,7 %). Après dépôt du film les échantillons sont ensuite soumis au test du brouillard salin réalisé selon la norme NF X 41-002. Ce test consiste à pulvériser sous . forme de brouillard, une solution aqueuse à 5 Z en poids de Na ci maintenue à une température de 35 ' C. Les échantillons sont examinés régulièrement à des stades différents de l'exposition au brouillard salin. On mesure le degré d'enrouillement selon l'échelle europeenne : Re O (pas de rouille) à Re 9 (surfa- ce totalement rouillée), par comparaison visuelle avec une série de clichés de référence. On apprécie visuellement la présence de sels de zinc formés, selon l'échelle suivante - : pas de sels de zinc @ : traces de sels de zinc : : formation de sels de zinc + : formation abondante de sels de zinc Les résultats ont été rassemblées dans le tableau ci-dessous. TABLEAU I TENEUR EN ZINC (% en poids dans 83,5 56 38,7 le film liquide) TEMPS EXPOSITION 67 142 336 504 912 67 142 336 504 912 67 142 336 504 912 (HEURES) POLISSAGE Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 - - +++ +++ +++ GRENAILLAGE Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re1 - - +++ +++ +++ - - ++ ++ ++ POLISSAGE + Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Reo Re0 Re3 Re3 Re3 PHOSPHATATION - - +++ +++ +++ - - + + + - - + + + GRENAILLAGE + Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re0 Re1 Re1 Re1 Re1 Re1 PHOSPHATATION - - +++ +++ +++ - - + + + - - - - ZONE HACHUREE : film non adhérent et non cohérent On constate que les meilleurs résultats sont obtenus pour la peinture ayant une teneur en zinc de 56 , pour laquelle le fil résiste le mieux dans le temps. Le film sec obtenu par le procédé selon l'invention présente dans tous les cas une bonne adhérence, une cohésion homogène et une absence totale d'écailles. A titre comparatif un test d'adhérence est réalisé selon la norme NFT 30-062 ; ce test consiste à mesurer la contrainte nécessaire à l'arrachement de films secs de peinture a l'aide de pastilles circulaires collées sur la surface peinte. On effectue ce test d'une part, sur une couche sèche de 69 + 7 microns d'épaisseur résultant de l'application d'une peinture à 83,5 Z en poids en poussière de zinc sur une tôle grenaillée, et d'autre part, sur un revêtement sec de 61 + 7 microns d'épaisseur résultant de l'application d'une peinture contenant 71,6 Z en poids de zinc sur une tôle préalablement polie et phosphatée selon le procédé de l'invention. L'adhérence est au moins aussi bonne dans le second cas malgré le taux inférieur en poussière de zinc (contrainte critique mesurée = O,9S # 0,04 MPa au lieu de 0,96 + 0,06 MPa dans le premier cas), EXEMPLE 2 On polit "au ricron" une plaque d'acier et on lui fait subir le me::e traitement de phosphatation amorphe que celui de l'exemple 1. La plaque est ensuite rincée à l'eau, puis séchée. Sur cette plaque on applique ensuite selon la technique utilisée dans l'exemple l un film liquide d'une épaisseur de 10 microns, de remue composition que celle de la solution dans l'exemple 1, mais ne contenant pas de zinc. La plaquette est exposée à température ambiante en atmosphère de degré hygrométrique inférieur à 20 h pendant l heure. On obtient un film sec d'une épaisseur de 5 microns, présentant une bonne adhérence, une cohésion homogène, et dont la résistivite électrique mesurée est de 10'0 2 cm. Une telle plaque convient parfaitement pour la fabrication de tôles isolantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de greffage de silice amorphe sur un substrat ferreux, caractérisé en ce que ce substrat est soumis dans une première étape a un traitement de phosphatation amorphe, puis en ce qu'on lui applique dans une deuxième étape une solution à température ambiante en atmosphère de degré hygrométrique inférieur à 20 Z. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la solution qu'on applique dans la deuxième étape contient - des oligomères du silicate d'éthyle de rasse moléculaire moyenne en nombre, déterminée par tonométrie. comprise en tre 420 et 570. en quantité telle que le taux pondéral équi valent en Si 0, varie entre 16 et 26 % dans la solution, ces oligomères étant fabriqués par hydrolvse du tétraéthoxy silane (de formule Si (OC2 Hsl4) à l'aide d'un acide miné ral fort - 40 à 90 t en poids d'un solvant organique ou d'un mélange de plusieurs solvants organiques - de l'acide phosphorique en concentration telle que le pH de la solution soit de l'ordre de 3, 5 - 4 0 3 - Procedé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'une teneur pondérale pouvant atteindre 80 r. de zinc et/ou d'aluminium et/ou de manganèse, ainsi que tous additifs propres aux peintures anticorrosion, sont ajoutés à la solution appliquée au cours de la deuxième étape, et en ce que l'épaisseur du film liquide appliqué et au plus égale à 200 microns. 4 - Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'épaisseur du film liquide appliqué varie de 10 à 20 microns.