Изучение процесса осаждения пленки катафорезной грунтовки

KATAFOREZ GRUNTOVKASI QOPLAMASINING HOSIL BO’LISHINI O’RGANISH

Kataforez gruntovkasining elektr yordamida cho’kishi suvning elektrolizi bilan kechadi. Elektrodlarda konsentratsiyasi ortib borayotgan H + va OH- muhit pH ini o’zgartiradi va bo’yoqning kolloid disperslangan zarrachalarini neytrallashtiradi. Keyin esa bo’yoq zarrachalari kogulyatsiyalanib elektrod yuzasiga cho’kadi. Bo’yoq qatlami qalinlashib elektrodni izolyatsiya qiladi. Ushbu izolyatsiya suvning elektrolizini to'xtatadi, juda oz miqdordagi ionlar (elektrodga qarab H+ yoki OH-) hosil bo’lishiga yoki umuman hosil bo'lmasligiga olib keladi va shu sababli boshqa zarrachalar cho'kmaydi, bu esa qoplama hosil bo’lish jarayonini to'xtatadi.

Kalit so’zlar. Kataforez gruntovkasi, elektr yordamida cho’kish, elektrosmos, elektroforez, elektroliz.

Существуют четыре основных физико-химических процесса, которые в конечном итоге образуют слой катафорезной грунтовки:

• -    электролиз воды

• -    электрофорез

• -    электроосаждение

• -    электроосмос

  

  Рис.1.Схематическое изображение электролиза воды

  
  

Электролиз воды разлагает воду на кислород и водород в зависимости от электрического тока. В процессе нанесения катафорезной грунтовки используется выпрямитель постоянного тока для создания этого электрического тока между проводящей частью (заготовкой) и противоположно заряженными электродами.

Восстановление ионов водорода (H+) в воде происходит на катоде, а окисление ионов OH- происходит на аноде (см. Рисунок 1.).

Катод : восстановление ионов водорода за счет поглощения электронов на отрицательно заряженном электроде до газообразного водорода и обогащение ионами OH⁺.

H 2 O ↔ H⁺ + OH^-

2 H⁺ + 2 OH^- +2 e → 2 OH^-+ H 2

Анод: электролитическая диссоциация молекулы воды путем высвобождения электронов на положительно заряженном электроде в кислород.

2 H 2 O – 4e → 4 H⁺ + O 2

Для электролиза воды основным процессом является газообразование. При нанесении катафорезной грунтовки обогащение гидроксильными ионами OH-(катод) и ионами водорода H+ (анод) является решающим процессом. Эти постоянно накапливающиеся ионы приводят к изменению значения pH на электродах. Катод имеет щелочную среду, а анод -кислую среду.

Рис.2. Миграция ионов в электрическом поле: Fe: Электрическая сила; FR: сила трения.

Рис.3. Асимптотическая кривая, описывающая концентрацию в диффузионном слое Нернста: C – объемная концентрация; Ce – концентрация на поверхности металла; C0 – концентрация на внешней поверхности диффузионного слоя; δ – толщина диффузионного слоя Нернста.

Электрофорез - это миграция электрически заряженных частиц (макромолекулярного типа или

твердых частиц) под действием электрического      поля.      Поскольку диффузионный пограничный

слой)

представляет собой область вблизи противоположные заряды притягиваются друг к другу, направление миграции определяется направлением электрического поля и зарядом частиц (рис. 2.).

Если используется водная дисперсия катионных связующих (положительно заряженный полимер), молекулы полимера (катионы) вместе с частицами пигмента перемещаются к катоду (отрицательный заряд). Для анодных связующих полимер имеет отрицательный заряд, а деталь -положительный. По заряду и размеру частицы разного размера перемещаются в электрическом поле с разной скоростью.

В электрохимии диффузионный слой (также: диффузионный слой Нернста или

рис.4. Частицы краски без тока.

Толщина зависит от скорости потока внутри ванны, а также от коэффициента электрода, где концентрации отличаются от их значений в объеме раствора. Диффузионный пограничный слой представляет собой тонкую пленку жидкости, приставшую к (металлической) поверхности. В отличие от внутренней части объема, в этом слое нет конвекции. Перенос массы происходит только за счет (более медленной) диффузии. Общий термин для обоих терминов (конвекция и диффузия) -миграция.

Определение толщины диффузионного слоя является произвольным, поскольку концентрация асимптотически приближается к значению в объемном растворе, см. Рисунок 3.

диффузии (D) материала. Что касается циклической

вольтамперометрии,

диффузионный слой имеет незначительный объем по сравнению с объемом основного раствора. В случае плоской поверхности с параллельным течением соотношение возникает в случае ламинарного течения:

_{δN = 3 l}1/2 _VBad-1/2 _V1/6 _D1/3 здесь:

δ N: толщина диффузионного слоя Нернста

• l:    координата вдоль потока

V Bad : скорость потока внутри ванны

• V: кинематическая вязкость ванны

• D: коэффициент диффузии транспортируемой частицы

  

  Power on

  Рис.5. Частицы краски после подачи постоянного напряжения.

  C OH (crit) – Концентрация гидроксильных ионов, выше которой ионы полимера начинают коагулировать

  
  

В ваннах с краской ED (ED – “электроосаждение”) толщина диффузионного слоя составляет около 100 мкм.

Что касается условий внутри и снаружи диффузионного слоя, сначала на рис.4. схематически показано распределение частиц краски в объеме до подачи напряжения.

После подачи постоянного напряжения связующее катафорезной грунтовки («Р») сначала откладывается в областях, ближайших к противоэлектроду (рис.5). После того, как эти области изолированы, линии электрического поля перемещаются в более углубленные области и начинают наносить пленку краски Таким образом могут быть покрыты даже клетки Фарадея. Этот описанный процесс обеспечивает хорошую мощность выброса и является важным преимуществом процесса нанесения электролитического покрытия.

Ванна для электроосаждения с высокой жидкостью должна постоянно перемешиваться или встряхиваться, чтобы предотвратить осаждение пигментов и наполнителей, даже вне периода осаждения. Среди прочего, это означает, что, строго говоря, обычно используемые термины «электрофорез», а также «анафорез» или «катафорез» неприменимы, поскольку в электрическом поле не происходит значительной массовой миграции частиц. Вместо этого осаждаемые частицы покрытия, в основном, находятся близко к поверхности заготовки в результате диффузии внутри диффузионного слоя. Изменения в концентрации ионов H+ (СH +) или ионов OH-, а также соответствующих кислот и оснований ограничиваются диффузионным пограничным слоем на электродах, как уже говорилось, толщиной не более 100 мкм. На рис.6. схематично показаны эти градиенты концентрации в объеме и в пограничных слоях. Миграция заряженных частиц в большой центральной части ванны, которая становится турбулентной из-за перемешивания, пренебрежимо медленна по сравнению со скоростью перемешивания (конвекция).

Рис.6. Диффузионные пограничные слои и концентрации H + в ванне ED при протекании тока

В CEC (катионное гальваническое покрытие) катионы, движущиеся к катоду посредством электрофореза, проходят через области увеличения pH в диффузионном слое Нернста, так что они коагулируют при контакте с все большим и большим количеством гидроксильных ионов на пути к электроду. Поскольку ионы полимера в ванне катионного электроосаждения подвергаются коагуляции в диапазоне pH выше от 10 до 12, этот процесс, следовательно, начнется где-то в области пограничного слоя. Соответствующий процесс происходит в ванне для анодного электроосаждения, когда значение pH падает ниже 4.

Как мы узнали, электролиз вызывает щелочную среду на катоде и кислую среду на аноде с последующим осаждением частиц краски из суспензии и образованием слоя краски на проводящей детали. В системах катионного электролитического покрытия мы используем связующие, в которых нейтрализующая     кислота     создает положительно заряженный полимер. Затем твердый полимер наносится на деталь. В системах    анодного    гальванического покрытия ионы водорода нейтрализуют аминогруппы отрицательно заряженного полимера.   Процесс   электроосаждения основан исключительно на изменении значения pH. Связующее химически изменено. Ток используется только для электролиза воды, а не для изменения состояния связующего.

Разложение и осаждение в катионном гальваническом покрытии (CEC): Разложение CEC связующего

АЛЛА—NR2 + R1 —COOH -^ ААЛА—NR2H+ + R1—COO-

Нерастворимый

водорастворимый

Реакция разделения катионного связующего является обратимым процессом, при котором растворенное связующее снова осаждается за счет отщепления H+

(депротонирования)      гидроксильными ионами. Осаждение на катоде после приложения постоянного напряжения

2Н2О + 2е^2ОН+Н21   ^----AAAA-NR2H+AAAA-NR2    нерастворимый —> коагуляция

Катионное гальваническое покрытие содержит положительно заряженные частицы краски, которые осаждаются на отрицательно заряженной детали (катоде). В осажденной пленке не будет ионов железа, поэтому коррозионная стойкость значительно лучше, чем в анодных системах.

Катионное гальваническое покрытие обычно используется там, где очень важна коррозионная стойкость. Они созданы для долговечности внешнего вида. Из-за используемого в основном химического состава краски (эпоксидная смола) они обладают очень хорошей стойкостью к атмосферным воздействиям и должны быть покрыты финишным покрытием, если они используются во внешней среде.

В частности, в сельском хозяйстве все больше и больше катионных акриловых смесей или смесей акрила/эпоксидной смолы используются для объединения «лучшего из обоих миров». Наконец, эти системы обеспечивают разумную стойкость к коррозии и ультрафиолетовому излучению для желаемого использования.

После нанесения связующего образуется рыхлый водянистый сгусток. За счет электроосмоса пленка обезвоживает. Здесь эффект, заключающийся в том, что «одинаковые заряды отталкиваются друг от друга», является основной движущей силой процесса. Для систем катионных красок катодом является отрицательно заряженный электрод, где в процессе нанесения покрытия образуются отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ОН-). Некоторые из этих гидроксильных ионов используются для осаждения связующего материала; другие отталкиваются катодом и удаляются. При удалении от катода (заготовки) они также «уносят» воду (диполь) от заготовки, и окончательная пленка покрытия почти не содержит воды.

Таким образом, металлическая часть изолируется, и наплавка завершена. Изоляция является основным фактором, ограничивающим толщину пленки и окрашивающим полости детали.