JP4998707B2 - 表面処理金属板およびその製造方法、ならびに樹脂被覆金属板、金属缶および缶蓋 - Google Patents
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Description
本発明は、主に缶などの容器に加工して用いられる金属板、特に、プラスチックフィルムなどの樹脂との密着性(以後、樹脂密着性と呼ぶ)に優れ、人体にとって極めて害の少ない表面処理金属板およびその製造方法、ならびにこの表面処理金属板に有機樹脂が被覆された樹脂被覆金属板、それを用いた金属缶および缶蓋に関する。
飲料缶、食品缶、ペール缶や18リットル缶などの各種金属缶には、クロメート処理を施したSnめっき鋼板やティンフリー鋼板と呼ばれる電解Cr酸処理鋼板などのCr処理缶用金属板が用いられている。
近年、環境に対する意識の高まりから、世界的に6価Crの使用が規制される方向に向かっており、製造に6価Crを用いる上記の金属板に対しても代替材が求められている。Crを用いないこれら金属板の代替材として、例えば特許文献1には、MoまたはW、リン酸塩、シラノール基含有化合物を含む皮膜を有する缶用めっき鋼板が開示されている。また、特許文献2には、表面にリン酸塩層が形成された容器用表面処理鋼板が開示されている。さらに、特許文献3には、Sn、Niの1種以上を含む表面処理層の上にタンニン酸または酢酸の1種以上およびTiまたはZrまたはそれらの化合物の1種以上を含んだフェノール構造を有する樹脂皮膜が形成された容器用鋼板が提案されている。さらにまた、特許文献4には、リン酸系化合物、フルオロ酸およびシランカップリング剤からなる表面処理用組成物を塗布する金属材料の表面処理方法が提案されている。
一方、各種金属缶は、従来より、ティンフリー鋼板などの金属板に塗装を施した後に、缶体に加工して製造されていたが、近年、製造に伴う廃棄物の抑制のために、塗装に代わってプラスチックフィルムなどの樹脂をラミネートしたラミネート金属板(樹脂被覆金属板)を缶体に加工する方法が多用されるようになっている。このラミネート金属板には、樹脂と金属板が強く密着していることが必要であり、特に飲料缶や食品缶として用いられるラミネート金属板には、内容物の充填後にレトルト殺菌工程を経る場合があるため、高温の湿潤環境でも樹脂が剥離することのない強い樹脂密着性が要求される。
また、各種缶用金属板は、内容物の腐食性が比較的弱い場合には、Snなどのめっきを施した上で、塗装やラミネートを施さずに用いられる場合もある。例えば、粉ミルクなどの食品を充填する缶にはこの無塗装、無被覆の金属板が用いられることがある。このような金属板では、表面処理皮膜から人体に有害な物質が溶出したり、人体に有害な物質を含む表面処理皮膜の一部が脱落したりしないことが必要である。
特開2006-291288号公報
特開2001-220685号公報
特開2002-355921号公報
特開2006-213958号公報
しかしながら、特許文献1に記載のMoまたはW、リン酸塩、シラノール基含有化合物を含む皮膜を有する缶用めっき鋼板、特許文献2に記載の表面にリン酸塩層が形成された容器用表面処理鋼板を用いたラミネート鋼板、および特許文献3に記載のフェノール構造を有する樹脂皮膜が形成された容器用鋼板では、いずれもレトルト雰囲気における樹脂密着性が不十分である。また、特許文献4に記載のリン酸系化合物、フルオロ酸およびシランカップリング剤からなる表面処理用組成物を塗布する表面処理方法による金属材料では、皮膜から人体にとって必須元素の一つであるが、過剰摂取すると有害となるFの溶出の危険性があるため、無塗装、無被覆で飲料缶や食品缶に適用することはできない。
本発明は、Crを用いず、樹脂密着性に優れ、人体にとって極めて害の少ない、Cr処理缶用金属板の代替材となり得る表面処理金属板およびその製造方法、ならびにこの表面処理金属板に有機樹脂が被覆された樹脂被覆金属板、それを用いた金属缶および缶蓋を提供することを目的とする。
本発明者らは、Crを用いず、樹脂密着性に優れ、人体にとって極めて害の少ない、Cr処理缶用金属板の代替材となり得る表面処理金属板について鋭意研究を重ねた結果、金属板表面にZrおよびOを含む皮膜を形成し、該皮膜のF量を0.1mg/m2未満にすることにより、樹脂密着性に優れ、F溶出の危険性がなく人体にとって極めて害の少ない表面処理金属板が得られることを見出した。
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、電気Snめっき鋼板の少なくとも片面に、ZrおよびOを含み、残部が不可避的不純物からなる皮膜を有し、該皮膜のF量が片面あたり0.1mg/m 2 未満であることを特徴とする表面処理金属板を提供する。
本発明の表面処理金属板では、ZrおよびOを含み、残部が不可避的不純物からなる皮膜のZr量は片面あたり3〜200mg/m2であることが好ましい。
本発明は、また、本発明の表面処理金属板のZrおよびOを含み、残部が不可避的不純物からなる皮膜上に、有機樹脂が被覆されている樹脂被覆金属板、それを用いた金属缶および缶蓋を提供する。
本発明の表面処理金属板は、例えば、電気Snめっき鋼板の少なくとも片面に、酢酸ジルコニル、硝酸ジルコニル、塩化酸化ジルコニウムから選ばれた少なくとも1種からなる水溶液を用いて、陰極電解処理または浸漬処理を施すことによりZrおよびOを含み、残部が不可避的不純物からなる皮膜を形成し、該皮膜のF量を片面あたり0.1mg/m 2 未満にすることで製造できる。
本発明により、Crを用いず、樹脂密着性に優れ、人体にとって極めて害の少ない表面処理金属板を製造できるようになった。本発明の表面処理金属板は、従来のCr処理缶用金属板の代替材として問題なく、有機樹脂を被覆して樹脂被覆金属板とし、金属缶や缶蓋に加工しても、樹脂の剥離が全く起こらず加工できる。また、本発明の表面処理金属板は、過剰摂取すると人体に有害となるFの溶出が起こらないので、無塗装、無被覆で飲料缶や食品缶に適用できる。
1)表面処理金属板
本発明の表面処理金属板では、金属板表面にZrおよびOを含む皮膜が形成されているが、Zr主体の皮膜とすることにより金属板の樹脂密着性が向上し、また、皮膜のF量を片面あたり0.1mg/m2未満とすることにより、無塗装、無被覆で用いてもFの溶出が起こらず、人体にとって有害となることはない。
本発明の表面処理金属板では、金属板表面にZrおよびOを含む皮膜が形成されているが、Zr主体の皮膜とすることにより金属板の樹脂密着性が向上し、また、皮膜のF量を片面あたり0.1mg/m2未満とすることにより、無塗装、無被覆で用いてもFの溶出が起こらず、人体にとって有害となることはない。
金属板としては、一般的な缶用の鋼板、Al板、Al合金板などを用いることができる。特に、耐食性確保のため、電気Snめっき鋼板を用いることが好ましい。
金属板表面に形成されたZrおよびOを含む皮膜のZr量は、片面あたり、3mg/m2未満だと樹脂密着性の改善効果が不十分であり、200mg/m2を超えると更なる樹脂密着性の向上が望めず、コスト高となる場合があるので、3〜200mg/m2であることが好ましい。
ZrおよびOを含む皮膜の形成方法としては、Zrが含有され、F量が0.03mo1/l未満である水溶液を用いて、金属板を陰極電解処理または浸漬処理を施す方法等が好適である。Zrが含有され、F量が0.03mo1/l未満である水溶液を用いることにより、皮膜のF量を0.1mg/m2未満とすることができる。なお、皮膜のZr量は、陰極電解処理する方法では電流密度や電解時間を変えることにより、浸漬処理では浸漬時間を変えることにより、調整可能である。また、皮膜のZr量は、蛍光X線による表面分析により測定できる。皮膜のO量は、XPSによる表面分析でその存在を確認できる。皮膜のF量は、XPSにより皮膜表面におけるZrとFの元素比を測定し、上記の蛍光X線分析で測定したZr量を基に算出できる。
上記のZrが含有された水溶液には、酢酸ジルコニル、硝酸ジルコニル、塩化酸化ジルコニウム等のジルコニウム化合物を含有した水溶液を用いることができる。特に、酢酸ジルコニルを含む水溶液中で金属板を陰極電解処理する方法は、効率良く均質な皮膜を形成することが可能であり好適である。
2)樹脂被覆金属板(ラミネート金属板)
本発明の表面処理金属板上に、有機樹脂を被覆して樹脂被覆金属板とすることができる。上述したように、本発明の表面処理金属板は樹脂密着性に優れているため、この樹脂被覆金属板は優れた耐食性と加工性を有する。
本発明の表面処理金属板上に、有機樹脂を被覆して樹脂被覆金属板とすることができる。上述したように、本発明の表面処理金属板は樹脂密着性に優れているため、この樹脂被覆金属板は優れた耐食性と加工性を有する。
本発明の表面処理金属板に被覆する有機樹脂としては、特に限定はなく、各種熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を挙げることができる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン共重合体、エチレン-酢酸ビニル共重合体、エチレン-アクリルエステル共重合体、アイオノンマー等のオレフィン系樹脂フィルム、またはポリブチレンテレフタラート等のポリエステルフィルム、もしくはナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン11、ナイロン12等のポリアミドフィルム、ポリ塩化ビニルフィルム、ポリ塩化ビニリデンフィルム等の熱可塑性樹脂フィルムの未延伸または二軸延伸したものであってもよい。積層の際に接着剤を用いる場合は、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤、酸変性オレフィン樹脂系接着剤、コポリアミド系接着剤、コポリエステル系接着剤(厚さ:0.1〜5.0μm)等が好ましく用いられる。さらに熱硬化性塗料を、厚み0.05〜2μmの範囲で表面処理金属板側、あるいはフィルム側に塗布し、これを接着剤としてもよい。
さらに、フェノールエポキシ、アミノ-エポキシ等の変性エポキシ塗料、塩化ビニル-酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル-酢酸ビニル共重合体けん化物、塩化ビニル-酢酸ビニル-無水マレイン酸共重合体、エポキシ変性-、エポキシアミノ変性-、エポキシフェノール変性-ビニル塗料または変性ビニル塗料、アクリル塗料、スチレン-ブタジェン系共重合体等の合成ゴム系塗料等の熱可塑性または熱硬化性塗料の単独または2種以上の組合わせであってもよい。
本発明において、有機樹脂被覆層の厚みは3〜50μm、特に5〜40μmの範囲にあることが望ましい。厚みが上記範囲を下回ると耐食性が不十分となり、厚みが上記範囲を上回ると加工性の点で問題を生じやすい。
本発明において、表面処理金属板への有機樹脂被覆層の形成は任意の手段で行うことができ、例えば、押出コート法、キャストフィルム熱接着法、二軸延伸フィルム熱接着法等により行うことができる。押出コート法の場合、表面処理金属板の上に有機樹脂を溶融状態で押出コートして、熱接着させることにより製造することができる。すなわち、有機樹脂を押出機で溶融混練した後、T-ダイから薄膜状に押し出し、押し出された溶融樹脂膜を表面処理金属板と共に一対のラミネートロール間に通して冷却下に押圧一体化させ、次いで急冷する。多層の有機樹脂被覆層を押出コートする場合には、表層樹脂用の押出機および下層樹脂用の押出機を使用し、各押出機からの樹脂流を多重多層ダイ内で合流させ、以後は単層樹脂の場合と同様に押出コートを行えばよい。また、一対のラミネートロール間に垂直に表面処理金属板を通し、その両側に溶融樹脂ウエッブを供給することにより、前記表面処理金属板両面に有機樹脂被覆層を形成させることができる。
3)金属缶および缶蓋
本発明の金属缶は、前述した樹脂被覆金属板から形成されている限り、任意の製缶法によるものでよい。この金属缶は、側面継ぎ目を有するスリーピース缶であることもできるが、一般にシームレス缶(ツーピース缶)であることが好ましい。このシームレス缶は、表面処理金属板の有機樹脂の被覆面が缶内面側となるように、絞り・再絞り加工、絞り・再絞りによる曲げ伸ばし加工(ストレッチ加工)、絞り・再絞りによる曲げ伸ばし・しごき加工、あるいは絞り・しごき加工等の従来公知の手段に付すことによって製造される。
本発明の金属缶は、前述した樹脂被覆金属板から形成されている限り、任意の製缶法によるものでよい。この金属缶は、側面継ぎ目を有するスリーピース缶であることもできるが、一般にシームレス缶(ツーピース缶)であることが好ましい。このシームレス缶は、表面処理金属板の有機樹脂の被覆面が缶内面側となるように、絞り・再絞り加工、絞り・再絞りによる曲げ伸ばし加工(ストレッチ加工)、絞り・再絞りによる曲げ伸ばし・しごき加工、あるいは絞り・しごき加工等の従来公知の手段に付すことによって製造される。
また、本発明の缶蓋は、上述した樹脂被覆金属板から形成されている限り、従来公知の任意の製蓋法によるものでよい。一般には、ステイ・オン・タブタイプのイージーオープン缶蓋やフルオープンタイプのイージーオープン缶蓋に適用することができる。
上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したに過ぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
金属板として、
A:板厚0.20mm、調質度T-4の低炭素冷延鋼板
B:板厚0.22mm、Sn付着量2.8g/m2(片面)の電気Snめっき鋼板
C:板厚0.28mmのAl板(JIS5021H18)
を使用し、アルカリ脱脂、酸洗を施した後(ただし、金属板Bには酸洗を省略)、表1に示す組成の処理液中で、同じく表1に示す条件で陰極電解処理または浸漬処理を行い、水洗してZrおよびOを含有した皮膜を金属板の両面に形成し、表面処理金属板No.1〜6を作製した。ここで、陰極電解処理の際には、陽極にPt被覆したTiを用いた。
A:板厚0.20mm、調質度T-4の低炭素冷延鋼板
B:板厚0.22mm、Sn付着量2.8g/m2(片面)の電気Snめっき鋼板
C:板厚0.28mmのAl板(JIS5021H18)
を使用し、アルカリ脱脂、酸洗を施した後(ただし、金属板Bには酸洗を省略)、表1に示す組成の処理液中で、同じく表1に示す条件で陰極電解処理または浸漬処理を行い、水洗してZrおよびOを含有した皮膜を金属板の両面に形成し、表面処理金属板No.1〜6を作製した。ここで、陰極電解処理の際には、陽極にPt被覆したTiを用いた。
比較のため、表2に示す条件で金属板に電解処理を行い、一部の金属板(No.7)を除いて、その後、表2に示す組成の浸漬処理液に1sec間浸漬して、表面処理金属板No.7〜9を作製した。ここで、表面処理金属板No．7では、陰極電解処理によりW、リン酸塩およびシラノール基を含む有機化合物を含有する皮膜が、表面処理金属板No．8では、陽極電解処理後、リン酸マグネシウム水溶液に浸漬処理を行ってMg含有皮膜が形成されている。表面処理金属板No．9では、陰極電解処理によりSn皮膜が形成された後、浸漬処理によりTi含有フェノール樹脂皮膜が形成されている。表面処理金属板No．10では、塗布処理によりシランカップリング剤処理層(付着量:0.5g/m2)が形成されている。
表面処理金属板No.1〜6の皮膜のZr量、No.7の皮膜のW、P、Si量、No.8の皮膜のMg量、No.9の皮膜のSn、Ti量、No.10の皮膜のZr、Si量の測定は、それぞれ予め付着量を湿式分析して求めた検量板との比較による蛍光Ｘ線分析により行った。No.1〜6の皮膜のOは、XPSによる表面分析でその存在を確認した。No.1〜6、10の皮膜のF量は、XPSにより皮膜表面におけるZrとFの元素比を測定し、上記の蛍光X線分析で測定したZr量を基に算出した。皮膜のZr量、F量、W量、P量、Si量、Mg量、Sn量、Ti量を表1、2に示す。
これらの表面処理金属板No.1〜10の両面に、厚さ25μm、共重合比12mol%のイソフタル酸共重合ポリエチレンテレフタラートフィルム(有機樹脂被覆層)をラミネートして、ラミネート金属板(樹脂被覆金属板)No.1〜10を作製した。ラミネートは、210℃に加熱した金属板とフィルムを一対のゴムロールで挟んでフィルムを金属板に融着させ、ゴムロール通過後1sec以内に水冷して行った。このとき、金属板の送り速度は40m/min、ゴムロールのニップ長は17mmであった。ここで、ニップ長とは、ゴムロールと金属板が接する部分の搬送方向の長さのことである。そして、作製したラミネート金属板No.1〜10について、次の樹脂密着性の評価を行った。
樹脂密着性評価：温度130℃、相対湿度100%のレトルト雰囲気における180°ピール試験により樹脂密着性の評価を行った。180°ピール試験とは、図1の(a)に示すようなフィルム2を残して金属板1の一部3を切リ取った試験片(サイズ：30mm×100mm)を用い、図1の(b)に示すように、試験片の一端に重り4(100g)を付けてフィルム2側に180°折り返して30min間放置して行うフィルム剥離試験のことである。そして、図1の(c)に示す剥離長5を測定し、次のように樹脂密着性を評価し、◎または○であれば樹脂密着性が良好であるとした。
◎：剥離長が15mm未満
○：剥離長が15mm以上 20mm未満
△：剥離長が20mm以上50mm未満
×：剥離長が50mm以上
また、有機樹脂被覆層がラミネートされる前の表面処理金属板No.1〜10について、以下の方法でF溶出量を測定した。
F溶出量：50×50mmの試験片を1mass%クエン酸水溶液100ml中に4枚浸漬し、密封して55℃で72hr放置した後、溶液中のF量をICPにより測定した。溶出したF量が0.01mg未満であれば問題なし(○)、0.01mg以上であれば問題となる可能性あり(×)とした。
樹脂密着性評価：温度130℃、相対湿度100%のレトルト雰囲気における180°ピール試験により樹脂密着性の評価を行った。180°ピール試験とは、図1の(a)に示すようなフィルム2を残して金属板1の一部3を切リ取った試験片(サイズ：30mm×100mm)を用い、図1の(b)に示すように、試験片の一端に重り4(100g)を付けてフィルム2側に180°折り返して30min間放置して行うフィルム剥離試験のことである。そして、図1の(c)に示す剥離長5を測定し、次のように樹脂密着性を評価し、◎または○であれば樹脂密着性が良好であるとした。
◎：剥離長が15mm未満
○：剥離長が15mm以上 20mm未満
△：剥離長が20mm以上50mm未満
×：剥離長が50mm以上
また、有機樹脂被覆層がラミネートされる前の表面処理金属板No.1〜10について、以下の方法でF溶出量を測定した。
F溶出量：50×50mmの試験片を1mass%クエン酸水溶液100ml中に4枚浸漬し、密封して55℃で72hr放置した後、溶液中のF量をICPにより測定した。溶出したF量が0.01mg未満であれば問題なし(○)、0.01mg以上であれば問題となる可能性あり(×)とした。
樹脂密着性とF溶出量の評価結果を表3に示す。本発明例であるラミネートされた金属板No.2、5、6では、いずれも良好な樹脂密着性を示している。これに対し、比較例であるラミネートされた金属板No.7〜9は、樹脂密着性に劣っている。また、ラミネートされる前のこれらの金属板No.1〜9は、皮膜中にFを含まないため、ラミネートせずに使用しても問題はない。一方、ラミネートされた金属板No.10は、比較的良好な樹脂密着性を示しているが、ラミネートされる前の金属板では、Fの溶出量が多く、ラミネートせずに使用すると問題となる可能性がある。
実施例1で作製したラミネート金属板No.1〜4、7、9を用いて、表4に示す条件で製缶加工を行い、缶胴の開口端をネックイン、フランジ加工して金属シームレス缶No.1〜6を作製した。また、同じラミネート金属板を用いて、209径のSOT蓋を作製し、スコア加工部内外面をエポキシフェノール系塗料で補修した。作製した金属缶No.1〜6および蓋について、製缶後のフィルムの剥離や穴あきなどの異常の有無を目視で調査した。また、金属缶に50℃でコーヒー飲料を充填した後、蓋を2重巻締めし、125℃で25min間のレトルト処理を行い、37℃で6ヶ月放置後開缶して、缶内面側の腐食やフィルム異常を目視で調査した。
結果を表5に示す。本発明であるラミネート金属板を用いた金属缶No.2には、製缶後および内容物充填後に金属缶および蓋を調べたが、いずれにおいてもフィルム異常は確認できなかった。
一方、本発明でないラミネート金属板を用いた金属缶No.5、6では、製缶後にフィルム異常や、内容物充填後にフィルム異常(剥離)と腐食が確認された。
1 金属板
2 フィルム
3 金属板の切リ取った部位
4 重り
5 剥離長
2 フィルム
3 金属板の切リ取った部位
4 重り
5 剥離長
Claims (6)
- 電気Snめっき鋼板の少なくとも片面に、ZrおよびOを含み、残部が不可避的不純物からなる皮膜を有し、該皮膜のF量が片面あたり0.1mg/m 2 未満であることを特徴とする表面処理金属板。
- ZrおよびOを含み、残部が不可避的不純物からなる皮膜のZr量が片面あたり3〜200mg/m2であることを特徴とする請求項1に記載の表面処理金属板。
- 請求項1または請求項2に記載の表面処理金属板のZrおよびOを含み、残部が不可避的不純物からなる皮膜上に、有機樹脂が被覆されていることを特徴とする樹脂被覆金属板。
- 請求項3に記載の樹脂被覆金属板からなることを特徴とする金属缶。
- 請求項3に記載の樹脂被覆金属板からなることを特徴とする缶蓋。
- 電気Snめっき鋼板の少なくとも片面に、酢酸ジルコニル、硝酸ジルコニル、塩化酸化ジルコニウムから選ばれた少なくとも1種からなる水溶液を用いて、陰極電解処理または浸漬処理を施すことによりZrおよびOを含み、残部が不可避的不純物からなる皮膜を形成し、該皮膜のF量を片面あたり0.1mg/m 2 未満にすることを特徴とする表面処理金属板の製造方法。
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