Электрофоретическое осаждение

Эта статья написана как личное размышление, личное эссе или аргументированное эссе , в котором излагаются личные чувства редактора Википедии или представлены оригинальные аргументы по теме. Пожалуйста, помогите улучшить его , переписав в энциклопедическом стиле . ( Ноябрь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Процесс электрофоретического осаждения

Электрофоретического осаждения ( ЭПД ), является термином для широкого спектра промышленных процессов , которые включает в себя электролитическое , катодное электроосаждения , анодное электроосаждения , и электрофоретического покрытия или электрофоретической живописи . Характерной особенностью этого процесса является то, что взвешенные в жидкой среде коллоидные частицы мигрируют под действием электрического поля ( электрофорез ) и осаждаются на электрод . Все коллоидные частицы, которые можно использовать для образования стабильных суспензий.и который может нести заряд, можно использовать при электрофоретическом осаждении. Сюда входят такие материалы, как полимеры , пигменты , красители , керамика и металлы .

Этот процесс полезен для нанесения материалов на любую электропроводящую поверхность. Осажденные материалы являются основным определяющим фактором фактических условий обработки и оборудования, которое может быть использовано.

Из-за широкого использования процессов электрофоретической окраски во многих отраслях промышленности водный EPD является наиболее распространенным коммерчески используемым процессом EPD. Однако известны применения для неводного электрофоретического осаждения. Применение неводного EPD в настоящее время изучается для использования в производстве электронных компонентов и производстве керамических покрытий. Преимущество безводных процессов состоит в том, что они исключают электролиз воды и выделение кислорода, которое сопровождает электролиз.

Использует [ редактировать ]

Этот процесс используется в промышленности для нанесения покрытий на металлические изделия. Он широко используется для покрытия кузовов и деталей автомобилей, тракторов и тяжелого оборудования, электрических распределительных устройств, бытовых приборов, металлической мебели, контейнеров для напитков, крепежных деталей и многих других промышленных продуктов.

Процессы EPD часто применяются для изготовления фотокатализаторов из диоксида титана (TiO ₂ ) на носителе для очистки воды с использованием порошков прекурсоров, которые можно иммобилизовать с помощью методов EPD на различных материалах носителя. Толстые пленки, полученные таким образом, обеспечивают более дешевый и более быстрый синтез по сравнению с тонкими золь-гелевыми пленками, наряду с более высокими уровнями площади поверхности фотокатализатора.

При изготовлении твердооксидных топливных элементов методы ЭПД широко используются для изготовления пористых анодов ZrO ₂ из порошковых прекурсоров на проводящих подложках.

Обработанные ЭПД имеют ряд преимуществ, которые сделали такие методы широко используемыми ^[1]

1. В процессе наносятся покрытия, которые обычно имеют очень равномерную толщину покрытия без пористости.
2. Сложные изготовленные объекты можно легко покрыть как внутри полостей, так и на внешних поверхностях.
3. Относительно высокая скорость нанесения покрытия.
4. Сравнительно высокая чистота.
5. Применимость к широкому спектру материалов (металлы, керамика, полимеры,)
6. Легкий контроль состава покрытия.
7. Процесс обычно автоматизирован и требует меньше человеческого труда, чем другие процессы нанесения покрытий.
8. Высокоэффективное использование материалов покрытия приводит к снижению затрат по сравнению с другими процессами.
9. Обычно используемый водный процесс имеет меньший риск возгорания по сравнению с покрытиями на основе растворителя, которые они заменяют.
10. Современные электрофоретические лакокрасочные материалы значительно более экологичны, чем многие другие технологии окраски.

Толстые и сложные керамические изделия были изготовлены в нескольких исследовательских лабораториях. Кроме того, EPD использовался для создания индивидуальных микроструктур , таких как функциональные градиенты и ламинаты, посредством управления суспензией во время обработки. ^[2]

История [ править ]

Первый патент на использование электрофоретической окраски был выдан в 1917 году компаниям Davey и General Electric . С 1920-х годов этот процесс использовался для нанесения латекса каучука . В 1930-х годах были выданы первые патенты, в которых описывались вододиспергируемые смолы с нейтрализацией основания, специально разработанные для EPD.

Электрофоретическое покрытие начало приобретать свою нынешнюю форму в конце 1950-х годов, когда доктор Джордж Э. Ф. Брюер и команда Ford Motor Company начали работу над разработкой процесса покрытия автомобилей. Первая коммерческая анодная автомобильная система начала работать в 1963 году.

Первый патент на катодный продукт EPD был выдан в 1965 году и передан BASF AG . PPG Industries, Inc. была первой, кто ввел катодный ЭПД в промышленном масштабе в 1970 году. Первое применение катодного ЭПД в автомобильной промышленности было в 1975 году. Сегодня около 70% объема ЭПД, используемых сегодня в мире, составляет катодный ЭПД. во многом из-за широкого использования этой технологии в автомобильной промышленности. Это, вероятно, лучшая из когда-либо разработанных систем, которая позволила значительно продлить срок службы кузова в автомобильной промышленности.

Выданы тысячи патентов на различные композиции EPD, процессы EPD и изделия, покрытые EPD. Хотя патенты были выданы различными государственными патентными ведомствами, практически за всеми значительными изменениями можно следить, рассматривая патенты, выданные ведомством США по патентам и товарным знакам .

Процесс [ править ]

Общий производственный процесс электрофоретического осаждения состоит из нескольких подпроцессов:

1. Подготовка - обычно это какой-то процесс очистки и может включать нанесение конверсионного покрытия, обычно неорганического фосфатного покрытия.
2. Сам процесс нанесения покрытия - обычно он включает погружение детали в контейнер или сосуд, в котором находится ванна для нанесения покрытия или раствор, и подача электричества постоянного тока через ванну EPD с использованием электродов. Обычно при нанесении гальванических покрытий или электрофоретической окраске используются напряжения от 25 до 400 вольт постоянного тока. Покрываемым объектом является один из электродов, а для замыкания цепи используется набор «противоэлектродов».
3. После осаждения объект обычно ополаскивают, чтобы удалить неразложившуюся ванну. В процессе промывки может использоваться ультрафильтр для обезвоживания части ванны из емкости для нанесения покрытия, которая будет использоваться в качестве ополаскивающего материала. Если используется ультрафильтр, все смытые материалы могут быть возвращены в емкость для нанесения покрытия, что обеспечивает высокую эффективность использования материалов покрытия, а также снижает количество отходов, сбрасываемых в окружающую среду.
4. После полоскания обычно используется процесс запекания или отверждения. Это сшивает полимер и позволяет покрытию, которое будет пористым из-за выделения газа во время процесса осаждения, вытекать и становиться гладким и сплошным.

Во время самого процесса EPD постоянный ток подается к раствору полимеров с ионизируемыми группами или коллоидной суспензии полимеров с ионизируемыми группами, которые также могут включать твердые материалы, такие как пигменты и наполнители. Ионизируемые группы, включенные в полимер, образуются в результате реакции кислоты и основания с образованием соли . Конкретный заряд, положительный или отрицательный, который сообщается полимеру.зависит от химической природы ионизируемой группы. Если ионизируемые группы полимера являются кислотами, полимер будет нести отрицательный заряд при солении с основанием. Если ионизируемые группы в полимере являются основаниями, полимер будет нести положительный заряд при солении кислотой.

Существует два типа процессов EPD: анодный и катодный. В анодном процессе отрицательно заряженный материал осаждается на положительно заряженном электроде или аноде . В катодном процессе положительно заряженный материал осаждается на отрицательно заряженном электроде или катоде . ^[3]

При приложении электрического поля все заряженные частицы мигрируют в процессе электрофореза к электроду с противоположным зарядом. Существует несколько механизмов, с помощью которых материал может осаждаться на электроде:

1. Разрушение заряда и, как следствие, уменьшение растворимости.
2. Концентрационная коагуляция.
3. Высаливание.

Первичный электрохимический процесс, который происходит во время водного электроосаждения, - это электролиз воды. Это может быть продемонстрировано следующими двумя половинными реакциями, которые происходят на двух электродах:

Анод : 2H ₂ O → O ₂ (газ) + 4H (+) + 4e (-)

Катод : 4H ₂ O + 4e (-) → 4OH (-) + 2H ₂ (газ)

При анодном осаждении осаждаемый материал будет иметь соли кислоты в качестве несущей заряд группы. Эти отрицательно заряженные анионы реагируют с положительно заряженными ионами водорода (протонами), которые образуются на аноде в результате электролиза воды, чтобы преобразовать исходную кислоту. Полностью протонированная кислота не несет заряда (разрушение заряда), менее растворима в воде и может выпадать из воды на анод.

Аналогичная ситуация имеет место при катодном осаждении, за исключением того, что осаждаемый материал будет иметь соли основания в качестве несущей заряд группы. Если соль основания была образована путем протонирования основания, протонированное основание будет реагировать с гидроксильными ионами, образующимися в результате электролиза воды, с образованием нейтрального заряженного основания (снова разрушение заряда) и воды. Незаряженный полимер менее растворим в воде, чем при загрузке, и происходит осаждение на катоде.

Ониевые соли, которые использовались в катодном процессе, не являются протонированными основаниями и не осаждаются по механизму разрушения заряда. Эти материалы могут быть нанесены на катод путем концентрационной коагуляции и высаливания. Когда коллоидные частицы достигают твердого объекта, на который нужно нанести покрытие, они сжимаются, и вода из пустот вытесняется наружу. Поскольку отдельные мицеллысдавливаются, они схлопываются, образуя мицеллы все большего размера. Коллоидная стабильность обратно пропорциональна размеру мицеллы, поэтому по мере того, как мицеллы становятся больше, они становятся все менее и менее стабильными, пока не выпадут в осадок из раствора на покрываемый объект. Поскольку все больше и больше заряженных групп концентрируется в меньшем объеме, это увеличивает ионную силу среды, что также способствует осаждению материалов из раствора. Оба эти процесса происходят одновременно и оба способствуют отложению материала.

Факторы, влияющие на электрофоретическую окраску [ править ]

Во время процесса водного осаждения газ образуется на обоих электродах. На катоде образуется газообразный водород , а на аноде - газообразный кислород . При заданном количестве переноса заряда образуется ровно в два раза больше водорода по сравнению с кислородом на молекулярной основе.

Это оказывает значительное влияние на процесс нанесения покрытия. Наиболее очевидным является внешний вид пленки, нанесенной до начала выпечки. Катодный процесс приводит к тому, что в пленке улавливается значительно больше газа, чем анодный процесс. Поскольку газ имеет более высокое электрическое сопротивление, чем осаждающая пленка или сама ванна, количество газа оказывает значительное влияние на ток при заданном приложенном напряжении . Вот почему катодные процессы часто могут осуществляться при значительно более высоких напряжениях, чем соответствующие анодные процессы.

Осажденное покрытие имеет значительно более высокое сопротивление, чем объект, на который наносится покрытие. По мере осаждения осажденной пленки сопротивление увеличивается. Увеличение сопротивления пропорционально толщине осажденной пленки, и, таким образом, при заданном напряжении электрический ток уменьшается по мере того, как пленка становится толще, пока, наконец, не достигнет точки, в которой осаждение замедлилось или прекратилось (самоограничение). Таким образом, приложенное напряжение является основным регулятором количества нанесенной пленки.

Способность покрытия EPD покрывать внутренние углубления детали называется «метательной мощностью». Во многих случаях желательно использовать материалы покрытия с высокой метательной мощностью. Бросковая сила покрытия зависит от ряда переменных, но в целом можно сказать, что чем выше напряжение покрытия, тем дальше данное покрытие «забрасывает» углубления. Электрофоретические краски с высокой рассеиваемой мощностью обычно используют прикладное напряжение, превышающее 300 вольт постоянного тока.

Температура покрытия также является важной переменной, влияющей на процесс EPD. Температура покрытия влияет на проводимость ванны и проводимость осажденной пленки, которая увеличивается с повышением температуры. Температура также влияет на вязкость осажденной пленки, которая, в свою очередь, влияет на способность осажденной пленки высвобождать образующиеся пузырьки газа.

Температура коалесценции системы покрытия также является важной переменной для разработчика покрытия. Его можно определить, построив график зависимости толщины пленки данной системы от температуры покрытия, сохраняя постоянными время нанесения покрытия и профиль приложения напряжения. При температурах ниже температуры коалесценции поведение пленки при росте и разрушении сильно отличается от обычной практики из-за пористого осаждения.

Время нанесения покрытия также является важной переменной при определении толщины пленки, качества нанесенной пленки и рассеиваемой мощности. В зависимости от типа покрываемого объекта время нанесения покрытия может составлять от нескольких секунд до нескольких минут.

Максимальное напряжение, которое можно использовать, зависит от типа системы покрытия и ряда других факторов. Как уже говорилось, толщина пленки и рассеиваемая мощность зависят от приложенного напряжения. Однако при слишком высоких напряжениях может произойти явление, называемое «разрывом». Напряжение, при котором возникает это явление, называется «напряжением разрыва». Результатом разрыва является пленка, которая обычно бывает очень толстой и пористой. Обычно эта пленка неприемлема с косметической или функциональной точки зрения. Причины и механизмы разрыва до конца не изучены, однако известно следующее:

1. Имеющиеся в продаже химические составы анодных покрытий EPD обычно демонстрируют разрыв при напряжениях, значительно более низких, чем их коммерчески доступные катодные аналоги.
2. Для данного химического состава EPD, чем выше проводимость ванны, тем ниже напряжение разрыва.
3. Для данного химического состава EPD напряжения разрыва обычно уменьшаются с повышением температуры (для температур выше температуры коалесценции).
4. Добавление органических растворителей и пластификаторов к заданному составу ванны, которые снижают вязкость осажденной пленки, часто приводит к увеличению толщины пленки при заданном напряжении, но, как правило, также снижает метательную силу и напряжение разрыва.
5. Тип и подготовка подложки (материал, из которого изготовлен покрываемый объект) также могут иметь значительное влияние на явление разрушения.

Типы химии EPD [ править ]

Существует две основные категории химии EPD: анодная и катодная. Оба продолжают использоваться в коммерческих целях, хотя анодный процесс используется в промышленности в течение более длительного периода времени и, таким образом, считается более старым из двух процессов. У обоих типов процессов есть свои преимущества и недостатки, и разные эксперты могут иметь разные точки зрения на некоторые из плюсов и минусов каждого из них.

Основными преимуществами, которые обычно рекламируют анодный процесс, являются:

1. Более низкие затраты по сравнению с катодным процессом.
2. Более простые и менее сложные требования к управлению.
3. Меньше проблем с замедлением отверждения последующих слоев верхнего покрытия.
4. Меньшая чувствительность к колебаниям качества подложки.
5. Основание не подвергается воздействию сильнощелочных условий, которые могут растворять фосфатные и другие конверсионные покрытия.
6. Некоторые металлы, такие как цинк, могут охрупчиваться из-за газообразного водорода, который выделяется на катоде. Анодный процесс позволяет избежать этого эффекта, поскольку на аноде образуется кислород.

Основные преимущества, которые обычно преподносятся для катодных процессов:

1. Возможны более высокие уровни защиты от коррозии. (Хотя многие люди считают, что катодные технологии обладают более высокой способностью к защите от коррозии , другие эксперты утверждают, что это, вероятно, больше связано с полимерным покрытием и сшивающей химией, а не с тем, на какой электрод нанесена пленка.)
2. Изделие может быть разработано с более высокой метательной мощностью. (Хотя это может быть правдой с коммерчески доступными в настоящее время технологиями, анодные системы с большой метательной мощностью известны и использовались в коммерческих целях в прошлом.)
3. Окисление происходит только на аноде, и, таким образом, в катодном процессе можно избежать окрашивания и других проблем, которые могут возникнуть в результате окисления самой электродной подложки.

Существенное и реальное отличие, о котором не часто упоминают, заключается в том, что технологии сшивания, катализируемые кислотой, больше подходят для анодного процесса. Такие сшивающие агенты широко используются во всех типах покрытий. К ним относятся такие популярные и относительно недорогие сшиватели , такие как меламин - формальдегид , фенол и формальдегида, мочевины и формальдегида , а также акриламид и формальдегида сшивающие.

Сшивающие агенты меламино-формальдегидного типа, в частности, широко используются в анодных гальванических покрытиях. Сшивающие агенты этих типов относительно недороги и обеспечивают широкий диапазон характеристик отверждения и рабочих характеристик, которые позволяют разработчику покрытия адаптировать продукт для желаемого конечного использования. Покрытия, содержащие этот тип сшивающего агента, могут иметь приемлемую стойкость к ультрафиолетовому излучению. Многие из них являются материалами с относительно низкой вязкостью и могут действовать как реактивный пластификатор, заменяя часть органического растворителя, который в противном случае мог бы потребоваться. Количество свободного формальдегида, а также формальдегида, которое может выделяться в процессе выпечки, вызывает беспокойство, поскольку они считаются опасными загрязнителями воздуха.

Осажденная пленка в катодных системах является достаточно щелочной, и технологии сшивания, катализируемые кислотой, не были предпочтительны для катодных продуктов в целом, хотя были некоторые исключения. Наиболее распространенный тип химии сшивания, используемый сегодня с катодными продуктами, основан на химии уретана и мочевины.

Ароматический полиуретана сшивающий агент типа мочевины является одной из важных причин, по которым многие катодные электролитические покрытия демонстрируют высокий уровень защиты от коррозии. Конечно, это не единственная причина, но если сравнивать составы для нанесения гальванических покрытий с ароматическими уретановыми сшивающими агентами с аналогичными системами, содержащими алифатические уретановые сшивающие агенты, последовательно системы с ароматическими уретановыми сшивающими агентами работают значительно лучше. Однако покрытия, содержащие сшивающие агенты из ароматического уретана, обычно не обладают хорошими показателями стойкости к ультрафиолетовому излучению. Если полученное покрытие содержит поперечные связи ароматической мочевины, стойкость к ультрафиолетовому излучению будет значительно хуже, чем при наличии только поперечных связей уретана. Недостатком ароматических уретанов является то, что они также могут вызывать пожелтение самого покрытия, а также вызывать пожелтение последующих слоев верхнего покрытия.Значительная нежелательная побочная реакция, которая происходит в процессе выпечки, дает ароматические полиамины. Уретановые сшивающие агенты на основеможно ожидать, что толуолдиизоцианат (TDI) будет производить толуолдиамин в качестве побочной реакции, тогда как те, которые основаны на метилендифенилдиизоцианате, производят диаминодифенилметан и ароматические полиамины более высокого порядка. Нежелательные ароматические полиамины могут препятствовать отверждению последующих слоев верхнего покрытия, катализируемого кислотой, и могут вызывать отслоение последующих слоев верхнего покрытия после воздействия солнечного света. Хотя промышленность никогда не признавала эту проблему, многие из этих нежелательных ароматических полиаминов известны или предполагаются канцерогенами.

Помимо двух основных категорий анодных и катодных, продукты EPD также можно описать с помощью используемого химического состава основного полимера. Есть несколько типов полимеров, которые используются в коммерческих целях. Многие из более ранних анодных типов были основаны на малеинизированных маслах различных типов, талловое масло и льняное масло были двумя наиболее распространенными. Сегодня преобладают эпоксидные и акриловые смолы. Описание и общие преимущества заключаются в следующем:

1. Эпоксидная смола: Хотя использовались алифатические эпоксидные материалы, большинство типов эпоксидных смол EPD основаны на ароматических эпоксидных полимерах, чаще всего на основе полимеризации диглицидных эфиров бисфенола А. Основная цепь полимера может быть модифицирована с помощью других типов химии для достижения оптимальных характеристик. желаемые рабочие характеристики. Как правило, этот тип химии используется при нанесении грунтовки, когда на покрытие будет нанесено верхнее покрытие, особенно если объект с покрытием должен выдерживать солнечный свет. Этот химический состав обычно не обладает хорошей устойчивостью к ультрафиолетовому излучению. Однако этот химический состав часто используется там, где требуется высокая коррозионная стойкость.
2. Акрил : Эти полимеры основаны на полимерах, инициированных свободными радикалами, и содержат мономеры на основе акриловой кислоты и метакриловой кислоты, а также их многочисленные сложные эфиры, которые доступны. Обычно этот тип химии используется, когда желательна устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Эти полимеры также имеют то преимущество, что позволяют использовать более широкую цветовую палитру, поскольку полимер менее склонен к пожелтению по сравнению с эпоксидными смолами.

Кинетика [ править ]

При заданной напряженности приложенного электрического поля кинетика электрофоретического осаждения в значительной степени определяется дзета-потенциалом и содержанием твердых частиц в суспензии . Кинетика электрофоретического осаждения в основном исследуется для плоских геометрий. Для параллельных плоских электродов кинетика осаждения описывается уравнением Гамакера: ^[3]

${\ Displaystyle м = \ му \ раз C_ {s} \ раз S \ раз E \ раз t}$

Это уравнение дает электрофоретически осажденную массу m в граммах как функцию электрофоретической подвижности μ (в единицах см ² с ^-1 ), загрузки твердых частиц C _s (в г см ^-3 ), площади покрытой поверхности S (см ² ), электрического напряженность поля E (В см ^-1 ) и время t (с). Это уравнение полезно для оценки эффективности применяемых процессов EPD относительно теоретических значений.

Неводное электрофоретическое осаждение [ править ]

В некоторых приложениях, таких как осаждение керамических материалов, нельзя применять напряжения выше 3–4 В в водном EPD, если необходимо избежать электролиза воды. Однако может быть желательно более высокое прикладываемое напряжение для достижения большей толщины покрытия или увеличения скорости осаждения. В таких случаях вместо воды в качестве жидкой среды используются органические растворители. Используемые органические растворители, как правило, представляют собой полярные растворители, такие как спирты и кетоны. Этанол , ацетон и метилэтилкетон являются примерами растворителей, о которых сообщалось как о подходящих кандидатах для использования в электрофоретическом осаждении.

Ссылки [ править ]

• https://web.archive.org/web/20060907065139/http://www.mtm.kuleuven.ac.be/Research/C2/EPD.htm
• «Гальваника»; Электрохимическая ассоциация; Цинциннати, Огайо; 2002 ISBN  0-9712422-0-8
• «Проектирование и внедрение финишных систем»; Общество инженеров-производителей; Дирборн, Мичиган; 1993; ISBN 0-87263-434-5 
• «Электроосаждение покрытий»; Американское химическое общество; Вашингтон; 1973; ISBN 0-8412-0161-7 
• «Электроокрашивание»; Р.Л. Йейтс; Роберт Дрейпер ЛТД; Теддингтон; 1966 г.
• «Краски и покрытия поверхностей»; Редактор Р. Ламбурна; Эллис Хорвуд Лимитед; Чичестер, Западный Сассекс, Англия; 1987; ISBN 0-85312-692-5 и ISBN 0-470-20809-0  
• www.electrocoat.org
• www.uspto.gov
• Кафедра порошковой технологии Саарландского университета, Германия