لایه نشانی الکتروفورتیک
رسوب دهی الکتروفورتیک (EPD)، اصطلاحی برای طیف گسترده ای از فرایندهای صنعتی است که شامل الکتروپوشش، پوشش دهی الکتریکی کاتدی، پوشش دهی الکتریکی آندی و پوشش الکتروفورتیک، و یا نقاشی الکتروفورتیک می شود. ویژگی بارز این فرایند این است که ذرات کلوئیدی معلق در یک محیط مایع تحت تأثیر یک میدان الکتریکی ( الکتروفورز ) مهاجرت می کنند و روی یک الکترود قرار می گیرند . تمام ذرات کلوئیدی که می توانند برای تشکیل سوسپانسیون های پایدار مورد استفاده قرار گیرند و یک بار را تحمل کنند می توانند در رسوب دهی الکتروفورتیک نیز استفاده شوند. این شامل موادی مانند پلیمرها ، رنگدانه ها ، رنگها ، سرامیکها و فلزات است .
این فرایند برای اعمال کردن مواد بر روی هر سطح رسانای الکتریکی مفید است. موادی که رسوب داده می شوند عامل اصلی تعیین کننده در شرایط واقعی فرایند و تجهیزات مورد استفاده هستند.
با توجه به استفاده گسترده از فرایندهای نقاشی الکتروفورتیک در بسیاری از صنایع ، EPD آبی رایج ترین فرایند EPD تجاری است. با این حال ، برنامه های کاربردی رسوب الکتروفورتیک غیر آبی نیز شناخته شده است. در حال حاضر برنامه های کاربردی EPD غیر آبی برای استفاده در ساخت قطعات الکترونیکی و تولید روکش های سرامیکی مورد کاوش قرار گرفته است. فرایندهای غیرآبی این مزیت را دارند که از الکترولیز آب و تکامل اکسیژن که همراه با الکترولیز است جلوگیری کنند.
این فرایند به‌صورت صنعتی برای اعمال پوشش ها روی محصولات ساخته شده از فلز استفاده می شود. از این روکش برای پوشاندن بدنه و قطعات خودرو ، تراکتور و تجهیزات سنگین ، دنده سوئیچ برقی ، تجهیزات ، اسباب فلزی ، ظروف نوشیدنی ، بست ها ، و بسیاری محصولات صنعتی دیگر استفاده شده است.
فرایندهای EPD اغلب برای ساخت دی اکسید تیتانیوم (TiO مصرف فوتوکاتالیست برای کاربردهای تصفیه آب، با استفاده از مواد اولیه پودری است که با استفاده از روش EPD بر روی مواد مختلف ثبیت می شود . فیلم های ضخیم به این روش تولید می شوند که سنتز ارزانتر و سریع تری نسبت به فیلمهای نازک با سل-ژل دارند ، و همچنین سطح ویژه فتوکاتالیستی بالاتری فراهم می کنند.
در ساخت پیلهای سوختی اکسید جامد فناوری EPD به طور گسترده ای برای ساخت آندهای ZrO متخلخل از مواد اولیه پودری بر روی بسترهای رسانا استفاده شده است.
قطعات سرامیکی ضخیم و پیچیده ای در چندین آزمایشگاه تحقیقاتی ساخته شده است. علاوه بر این ، از EPD برای تولید ریزساختارهای ترجیحی ، مانند شیب های عملکردی و لمینت ها ، از طریق کنترل سوسپانسیون در طی فرایند استفاده شده است.
اولین اختراع ثبت شده در استفاده از نقاشی الکتروفورتیک در سال 1917 به دیوی و جنرال الکتریک اعطا شد. از دهه 1920 ، این فرایند برای رسوب لاتکس لاستیکی استفاده شده است . در دهه 1930 اولین حق ثبت اختراع صادر شد که پایه آن خنثی توصیف شده است ، رزین های پخش کننده آب که به طور خاص برای EPD طراحی شدند.
پوشش الکتروفورتیک در اواخر دهه 50 میلادی ، هنگامی که دکتر George E.F.Brewer و تیم شرکت موتور فورد شروع به کار بر روی توسعه فرایند پوشش اتومبیل کردند ، شکل فعلی خود را گرفت. اولین سیستم تجاری آندی خودرو در سال 1963 شروع به کار کرد.
اولین اختراع ثبت شده برای محصول EPD کاتدی در سال 1965 منتشر شد و به BASF AG اختصاص یافت. صنایع PPG اولین کسی بود که EPD کاتدی تجاری را در سال 1970 معرفی کرد. اولین کاربرد EPD کاتدی در صنعت خودرو در سال 1975 بود. امروزه حدود 70٪ از حجم EPD مورد استفاده در جهان از نوع EPD کاتدی است که بیشتر به دلیل استفاده زیاد از این فناوری در صنعت خودروسازی است. این بهترین سیستم است که تاکنون توسعه یافته و منجر به طولانی شدن عمر بدنه در صنعت خودرو شده است .
هزاران اختراع ثبت شده در رابطه با ترکیبات مختلف EPD ، فرایندهای EPD و مقالاتی با پوشش EPD منتشر شده است. اگرچه اختراعات ثبت شده توسط دفاتر مختلف ثبت اختراعات دولتی صادر شده است ، اما با بررسی حق ثبت اختراعات صادر شده توسط دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری ایالات متحده ، تقریباً همه پیشرفت های مهم را می توان دنبال کرد.  فرایند صنعتی رسوب الکتروفورتیک شامل چندین فرایند زیر است:
در طی فرایند EPD ، جریان مستقیم به محلول پلیمرهای حاوی گروه های یونیزه یا سوسپانسیون کلوئیدی پلیمرها با گروه های یونیزه شده اعمال می شود که ممکن است مواد جامد مانند رنگدانه ها و پرکننده ها را نیز در خود جای دهد. گروه های یونیزان اضافه شده در پلیمر با واکنش یک اسید و یک پایه ، به شکل نمک تشکیل می شوند. بار خاص ، مثبت یا منفی ، که به پلیمر منتقل می شود ، به ماهیت شیمیایی گروه یونیزان بستگی دارد. اگر گروه های قابل یونیز کردن روی پلیمر اسید باشند ، پلیمر هنگام تشکیل نمک با پایه بار منفی را به همراه خواهد داشت. اگر گروه های قابل یونیز کردن روی پلیمر پایه باشند ، پلیمر هنگام تشکیل نمک با یک اسید بار مثبت را به همراه خواهد داشت.
دو نوع فرایند EPD وجود دارد ، آندی و کاتدی. در فرایند آندی ، مواد با بار منفی روی الکترود با بار مثبت یا آند رسوب می کنند. در فرایند کاتدی ، ماده با بار مثبت روی الکترود با بار منفی یا کاتد قرار می گیرد .
هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال می شود ، تمام ذرات شارژ شده (دارای بار) با فرایند الکتروفورز به سمت الکترود با بار مخالف مهاجرت می کنند. مکانیسم های مختلفی وجود دارد که با استفاده از آن می توان مواد را روی الکترود قرار داد:
فرایند اولیه الکتروشیمیایی که در طی رسوب دهی الکتریکی آبی انجام می شود ، الکترولیز آب است. این می تواند با دو نیم واکنش که در دو الکترود رخ می دهد نشان داده شود:
در رسوب آندی ، ماده رسوب شده دارای نمک اسید به عنوان گروه حامل بار خواهد بود. این آنیون های دارای بار منفی با یون های هیدروژن با بار مثبت (پروتون ها) که در اثر الکترولیز آب در آند تولید می شوند جهت اصلاح اسید اصلی واکنش می دهند. اسید کاملاً پروتونی بدون بار (تخریب بار) و با قابلیت انحلال کمتر در آب می باشد و ممکن است از آب خارج شده و روی آند رسوب کند.
وضعیت مشابه در رسوب کاتدی اتفاق می افتد به استثنای اینکه مواد رسوب شده دارای نمک پایه به عنوان گروه حامل بار باشند. اگر نمک پایه با پروتون دهی پایه تشکیل شود ، پایه پروتونی با یون های هیدروکسیل که با الکترولیز آب تشکیل می شوند واکنش نشان می دهد تا پایه بار خنثی (تخریب بار مجدد) و آب ایجاد شود. پلیمر بدون بار در آب در مقایسه با زمان باردار انحلال کمتری دارد و رسوب بر روی کاتد رخ می دهد.
نمک های آنیومی که در فرایند کاتدی مورد استفاده قرار می گیرند ، پایه های پروتونی نیستند و توسط مکانیزم تخریب بار رسوب نمی‌کنند. این نوع مواد را می توان با انعقاد غلظت و نمک زدن روی کاتد قرار داد. با رسیدن ذرات کلوئیدی به جسم جامدی که باید پوشش داده شود ، آنها به هم فشرده می شوند ، و آب از بینابین آن ها خارج می شود. همانطور که مایسلهای منفرد فشرده می شوند ، آنها به هم می ریزند تا مایسل ها به طور فزاینده ای بزرگ شوند. ثبات کلوئیدی با اندازه مایسل نسبت عکس دارد ، بنابراین هرچه مایسل بزرگتر می شود ، بی ثبات تر می شود تا زمانی که از محلول روی قطعه ای که باید پوشش داده شود رسوب کند. هرچه گروه های بار بیشتر و بیشتر در حجم کمتری متمرکز شوند ، این باعث افزایش قدرت یونی محیط می شود ، که در رسوب زایی مواد خارج از محلول نیز کمک می کند. هر دو این فرایند به طور همزمان اتفاق می افتند و هر دو در رسوب مواد نقش دارند.
در طی فرایند رسوب آبی ، گاز در هر دو الکترود تشکیل می شود. گاز هیدروژن در کاتد و گاز اکسیژن در آند تشکیل می شود . برای مقدار معینی از انتقال بار ، دقیقاً دو برابر هیدروژن در مقایسه با اکسیژن بر اساس مولکولی تولید می شود.
این اثرات قابل توجهی در فرایند پوشش دهی دارد. واضح ترین آن در ظاهر فیلم رسوبی قبل از فرایند پخت است. فرایند کاتدی باعث می شود که گاز به طور قابل توجهی بیشتر از فرایند آندی در دام فیلم بیفتد. از آنجا که گاز مقاومت الکتریکی بالاتری نسبت به فیلم رسوبی یا خود حمام دارد ، میزان گاز در ولتاژ کاربردی معین تأثیر قابل توجهی در جریان دارد. به همین دلیل است که فرایندهای کاتدی اغلب با ولتاژهای قابل توجهی بالاتر از فرایندهای آندی مربوطه قابل اجرا هستند.
روکش رسوبی مقاومت قابل توجهی بالاتر از جسم پوشش داده شده دارد. با افزایش رسوب فیلم ، مقاومت افزایش می یابد. افزایش مقاومت متناسب با ضخامت فیلم رسوبی است و بنابراین ، در یک ولتاژ معین ، جریان الکتریسیته با ضخیم شدن فیلم کم می شود تا اینکه در نهایت به نقطه‌ای برسد که رسوب کند شده یا متوقف شده باشد (خود محدود کننده). بنابراین ولتاژ اعمال شده کنترل اصلی برای مقدار فیلم اعمال شده است.
توانایی پوشش EPD برای پوشاندن شکاف های داخلی قطعه ، "قدرت پرتاب " نام دارد. در بسیاری از کاربردها مطلوب است که از مواد پوششی با قدرت پرتاب زیاد استفاده شود. قدرت پرتابه یک پوشش به تعدادی از متغیرها بستگی دارد ، اما به طور کلی می توان اظهار داشت که هرچه ولتاژ پوشش بیشتر باشد ، یک پوشش داده شده بیشتر به درون شکافها "پرتاب" خواهد شد. از نقاشی های الکتروفورتیک با پرتابه بالا معمولاً از ولتاژ کاربردیه بیش از 300 ولت DC استفاده می شود.
دمای پوشش نیز متغیر مهمی است که بر فرایند EPD تاثیر گذار است . دمای پوشش در هدایت الکتریکی حمام و هدایت الکتریکی فیلم رسوبی تاثیر دارد که با افزایش دما افزایش می یابد. دما همچنین بر ویسکوزیته فیلم رسوبی تأثیر دارد ، که به نوبه خود بر توانایی فیلم رسوبی برای آزادسازی حباب های گازی در حال شکل گیری تأثیر می گذارد.
دمای انعقاد سیستم پوشش نیز متغیر مهمی برای طراح پوشش است. می توان با ثابت نگه داشتن زمان پوشش و مشخصات ولتاژ کاربردی ، منحنی ساخت فیلم یک سیستم معین در مقابل دمای پوشش را تعیین کرد. در دمای زیر دمای انعقاد ، رفتار رشد فیلم و رفتار پارگی کاملاً متفاوت از روش معمول در نتیجه رسوب متخلخل است.
زمان پوشش نیز متغیر مهمی در تعیین ضخامت فیلم ، کیفیت فیلم رسوب شده و قدرت پرتاب است. بسته به نوع جسم پوشش داده شده ، ممکن است مدت زمان پوشش از چند ثانیه تا چند دقیقه مناسب باشد.
حداکثر ولتاژ قابل استفاده بستگی به نوع سیستم پوشش و عوامل دیگر دارد. همانطور که قبلاً گفته شد ، ضخامت فیلم و قدرت پرتاب به ولتاژ کاربردی بستگی دارد. اما ، در ولتاژهای بیش از حد زیاد ، پدیده ای به نام "گسیختگی" ممکن است رخ دهد. ولتاژی که این پدیده در آن رخ می دهد ، "ولتاژ گسیختگی" نامیده می شود. نتیجه گسیختگی فیلمی است که معمولاً بسیار ضخیم و متخلخل است. به طور معمول ، این یک فیلم از نظر زیبایی و کاربردی قابل قبول نیست. دلایل و مکانیسم های گسیختگی کاملاً درک نشده است ، اما موارد زیر شناخته شده است:
دو گروه عمده ترکیب شیمیایی EPD وجود دارد: آندی و کاتدی. هر دو همچنان به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرند ، اگرچه فرایند آندی برای مدت طولانی تری در صنعت مورد استفاده قرار گرفته است و بنابراین قدیمی ترین فرایند محسوب می شود. برای هر دو نوع فرایند مزایا و معایب وجود دارد و متخصصان مختلف ممکن است در مورد برخی از جوانب مثبت و منفی هر یک از آنها دیدگاه های متفاوتی داشته باشند.
مهم ترین مزایایی که معمولاً برای فرایند آندی مورد توجه قرار می گیرد عبارتند از:
مهمترین مزایایی که معمولاً برای فرایندهای کاتدی مورد توجه قرار می گیرد عبارتند از:
تفاوت مهم و واقعی که اغلب به آن اشاره نمی‌شود این واقعیت است که فناوری های اتصال دهنده عرضی کاتالیز شده با اسید با فرایند آندی مناسب تر هستند. چنین اتصال دهنده های عرضی ای به‌طور گسترده در انواع کاربردهای پوشش استفاده می شود. این موارد شامل اتصال دهنده های عرضی محبوب و نسبتاً ارزان مانند ملامین - فرمالدئید ، فنل -فرمالدهید ، اوره فرمالدئید ، و اکریلامید - فرمالدئید است. به طور خاص اتصال عرضی نوع ملامین فرمالدئید به طور گسترده ای در آبکاری آندی استفاده می شود. این نوع اتصال عرضی نسبتاً ارزان است و طیف گسترده ای از ویژگی های بسپارش و عملکردی را ارائه می دهد که به طراح پوشش اجازه می دهد تا محصول را برای استفاده نهایی مطلوب تنظیم کند. روکش های ساخته شده با این نوع اتصال عرضی می توانند از مقاومت در برابر نور UV قابل قبول برخوردار باشند. بسیاری از آنها مواد با ویسکوزیته نسبتاً کم هستند و می توانند بعنوان یک پلاستی سایزر واکنش پذیر عمل کنند و برخی از حلال های آلی را جایگزین کنند که در برخی از مواقع ممکن است لازم باشد. مقدار فرمالدئید آزاد و همچنین فرمالدئید که ممکن است در طی فرایند پخت آزاد شوند ، نگران کننده است زیرا این آلاینده ها به عنوان آلاینده های خطرناک هوا محسوب می شوند.
فیلم رسوب کرده در سیستم های کاتدی کاملاً قلیایی است ، و فناوری های اتصال عرضی کاتالیز شده اسید به طور کلی در محصولات کاتدی ترجیح داده نشده است ، اگرچه برخی استثنائات وجود داشته است. متداول ترین نوع ترکیبات شیمیایی اتصال دهنده عرضی در استفاده امروزه با محصولات کاتدی مبتنی بر ترکیبات شیمیایی اورتان و اوره است.
اتصال دهنده عرضی پلی اورتان و اوره اروماتیک یکی از دلایل قابل توجهی است که چرا بسیاری از پوشش های الکتریکی کاتدی ، محافظت بالایی در برابر خوردگی نشان می دهند. البته این تنها دلیل نیست ، اما اگر کسی ترکیبات پوشش های الکتریکی با اتصال دهنده عرضی اورتان اروماتیک را با سیستم های آنالوگ حاوی اتصال دهنده عرضی اورتان الیفاتیک مقایسه کند ، به طور مداوم سیستم هایی با اتصال دهنده های عرضی اوراتان اروماتیک عملکرد قابل توجه بهتری دارند. با این حال ، پوشش های حاوی اتصال دهنده عرضی اورتان اروماتیک به طور کلی از نظر مقاومت در برابر نور UV عملکرد خوبی ندارند. اگر روکش حاصله حاوی اتصال دهنده عرضی اوره آروماتیک باشد ، مقاومت در برابر اشعه UV به مراتب بدتر از زمانی می شود که فقط اتصال دهنده اوراتان رخ دهد. یکی از مضرات اورتانهای اروماتیک این است که می توانند خود باعث زرد شدن روکش شوند و همچنین باعث لکه دار شدن لایه های بعدی پوشش شوند. یک واکنش جانبی ناخواسته قابل توجه که در طی فرایند پخت رخ می دهد ، تولید پلی آمین های اروماتیک است. انتظار می رود اتصال دهنده های عرضی اورتان بر اساس تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) ، تولوئن دیامین به عنوان یک واکنش جانبی تولید کند ، در حالی که اورتان بر اساس متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات ، دی امینو دی فنیل متان و پلیمر های اروماتیک مرتبه بالاتر تولید کند . پلی آمین های آروماتیک ناخواسته می توانند از بسپارش لایه های بعدی کاتالیز شده اسید جلوگیری کنند و می توانند باعث لایه لایه شدن لایه های بعدی پوشش پس از قرار گرفتن در معرض نور خورشید شوند. اگرچه این صنعت هرگز این مشکل را تصدیق نکرده است ، اما بسیاری از این پلی آمین های اروماتیک ناخواسته ، شناخته شده یا مشکوک به سرطان زا هستند.
علاوه بر دو دسته عمده آندی و کاتدی ، محصولات EPD را نیز می توان با ترکیبات شیمیایی پایه پلیمر که مورد استفاده قرار می گیرد توصیف کرد. چندین نوع پلیمر وجود دارد که به‌صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته اند. بسیاری از انواع آندهای قبلی مبتنی بر انواع مختلفی از روغنهای ملنایز شده بودند ، روغن چوب و روغن دانه کتان دو مورد متداول است. امروزه انواع اپوکسی و اکریلیک غالب هستند. توضیحات و مزایای کلی آن ها به شرح زیر است:
برای قدرت میدان الکتریکی کاربردی داده شده ، سینتیک رسوب الکتروفورتیک تا حد زیادی توسط پتانسیل زتا و بارگذاری مواد جامد سوسپانسیون تعیین می شود . سینتیک رسوب الکتروفورتیک بیشتر برای هندسه های مسطح مورد بررسی قرار می گیرد. برای هندسه های الکترود مسطح موازی ، سینتیک رسوب توسط معادله هاماکر شرح داده شده است :
formula_1
در این معادله "جرم" رسوب شده توسط الکتروفورتیک "m به" گرم، به عنوان تابعی از تحرک الکتروفورتیک "μ" (در واحد cms غلظت مواد جامد "C " (به g cm سطح منطقه تحت پوشش ("S" (cm قدرت میدان الکتریکی V cm )"E" )و زمان s)"t) می باشد" . این معادله برای ارزیابی کارایی فرایندهای EPD کاربردی نسبت به مقادیر نظری مفید است.
در برنامه های خاص مانند رسوب مواد سرامیکی ، در صورت لزوم برای جلوگیری از الکترولیز آب ، ولتاژهای بالاتر از 3-4 ولت نمی‌تواند در EPD آبی استفاده شود. با این وجود ، برای دستیابی به ضخامت بالاتر از پوشش یا افزایش میزان رسوب ، می باید از ولتاژ بالاتر استفاده کرد. در چنین کاربردهایی ، از حلالهای آلی به جای آب به عنوان محیط مایع استفاده می شود. حلالهای آلی مورد استفاده ، معمولاً حلالهای قطبی مانند الکلها و کتون ها هستند. اتانول ، استون و متیل اتیل کتون نمونه ای از حلال ها هستند که به عنوان نامزدهای مناسب برای استفاده در رسوب الکتروفورتیک گزارش شده است.
https://web.archive.org/web/20060907065139/http://www.mtm.kuleuven.ac.be/Research/C2/EPD.htm
"Electrocoating"; The Electrocoat Association; Cincinnati, OH; 2002
"Finishing Systems Design and Implementation"; Society of Manufacturing Engineers; Dearborn, MI; 1993;
"Electrodeposition of Coatings"; American Chemical Society; Washington D.C.; 1973;
"Electropainting"; R. L. Yeates; Robert Draper LTD; Teddington; 1966
"Paint and Surface Coatings"; R. Lambourne editor; Ellis Horwood Limited; Chichester, West Sussex, England; 1987; and
http://www.electrocoat.org/
http://www.uspto.gov/
Department of Powder Technology, Saarland University, Germany