СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
CLEANING METHOD OF SURFACE OF METALLIC MATERIALS

Настоящее изобретение относится к средствам очистки металлических материалов химическими способами с применением органических растворителей и кислородсодержащих соединений и может быть использовано для очистки поверхности изделий из стали, медных сплавов или серебра.
Известен способ очистки поверхности металлов, описанный в заявке №2005126612/02 на выдачу патента на изобретение «Чистящий состав и способ очистки формованных металлических изделий» (МПК C23G 1/12, дата подачи заявки 2004.01.23, публикация от 2006.02.10, заявитель - ХЕНКЕЛЬ КОММАНДИТГЕЗЕЛЛЬШАФТ АУФ АКЦИЕЙ (DE). В соответствии с этим способом осуществляют контактирование металлической поверхности с чистящим составом, содержащим воду, этоксилат спирта, неорганический компонент, регулирующий рН; и, по меньшей мере, одно поверхностно-активное вещество. Выдерживают этот состав на металлической поверхности определенное время. После этого промывают очищаемую поверхность, удаляя таким образом с поверхности чистящий состав и вместе с ним растворенные загрязняющие поверхность вещества.
Данный способ не обеспечивает высокой степени очистки металлической поверхности от оксидов, т.к. очистка осуществляется за счет растворения оксидов в веществе определенного состава с последующей промывкой очищаемого объекта водой. При такой очистке в процессе растворения оксидного слоя наступает равновесие, при котором дальнейшее растворении этого слоя прекращается.
Известен также способ очистки поверхности металлов, описанный в заявке №2005117656/04 на выдачу патента на изобретение «Моющее средство для очистки металлической поверхности» (МПК C11D 1/66, дата подачи заявки 2005.06.07, публикация от 2006.11.20). В соответствии с описанным в этой заявке способом осуществляют контактирование металлической поверхности с чистящим составом, содержащим гидроксид натрия, карбонат натрия, метасиликат натрия, триполифосфат натрия, ПАВ (оксиэтилированный монононилфенол на основе тримеров пропилена, и флокулянт. Выдерживают этот состав на металлической поверхности определенное время. После этого промывают очищаемую поверхность водой, удаляя таким образом с поверхности чистящий состав и вместе с ним растворенные загрязняющую поверхность вещества.
Данный способ также не обеспечивает высокой степени очистки поверхности, т.к. эта очистка происходит за счет растворения загрязнений в веществе определенного состава с последующим смыванием растворенных этим веществом загрязнений водой. В этом процессе также наступает равновесие, вследствие чего дальнейшее растворение загрязнений прекращается.
Ближайшим из известных является способ, описанный в статье Т.И. Изаак, Г.В. Лямина, Г.М. Мокроусов «Структура и свойства гель-электролитов на основе метакрилового сополимера», ж-л «Высокомолекулярные соединения», серия А, том 47, №11, с.1117-1122. В соответствии со способом, описанным в этой статье, на металлическую поверхность наносят гель-электролит, содержащий полиэтиленгликоль перхлорат щелочных металлов, трифторацетат щелочных металлов и два мономера акрилового ряда, в качестве которых используется или метилметакрилат, или метакрилат калия или метакриловая кислота; выдерживают этот гель-электролит на металлической поверхности определенное время, после чего гель-электролит с поверхности убирают. Наносимый на чищаемую поверхность гель-электролит обычно представляет собой пленку. Время выдерживания гель-электролита на очищаемой поверхности подбирают эмпирически.
Этот способ обеспечивает высокую степень очистки металлической поверхности, т.к. загрязняющие вещества переходят в объем указанного гель-электролита и прочно удерживаются там. А с удалением с поверхности пленки гель-электролита все загрязняющие поверхность вещества удаляются вместе с ней. Однако этот способ применим не для всех металлов. Так он не позволяет очищать поверхность из стали, особенно из нержавеющей. Очистка же с его помощью поверхности других металлов требует значительных затрат времени - до 3-х суток.
В то же время, как показали проведенные ранее другими исследователями эксперименты, изменение качественного или количественного состава самого гель-электролита не позволяет с его помощью производить очистку серебряной или стальной поверхности, а очистку поверхности других металлов происходит за длительное время, не позволяя при этом ускорить сам процесс очистки.
Задачей данного изобретения является получение нового технического эффекта, который заключается в том, чтобы нанесением гель-электролита на поверхность металла обеспечить эффективную очистку поверхности любых металлов и, в то же самое время, значительно ускорить сам процесс очистки. Как видно из вышесказанного, решение этой задачи не может быть известно среднему специалисту в данной области техники, т.к. такое решение требует проведения специальных научных исследований рассматриваемого процесса.
Поставленная задача решается тем, что как и в известном, в настоящем способе на металлическую поверхность наносят гель-электролит, содержащий полиэтиленгликоль, перхлорат щелочных металлов, трифторацетат щелочных металлов и два мономера акрилового ряда, в качестве которых используется или метилметакрилат, или метакрилат калия или метакриловая кислота, или гидроксиэтилметакрилат, или 2-(2-этоксиэтокси)этилакрилат; указанный гель-электролит наносят на металлическую поверхность в виде (эластичной) пленки (толщиной ≤1 мм, выдерживают этот гель - электролит на металлической поверхности определенное время, после чего гель-электролит с поверхности удаляют.
В отличие от известного, нанесенный на металлическуюповерхность гель-электролит приводят в контакт с электродом, выполненным из нейтрального по отношению к гель-электролиту материала, и таким образом, чтобы контакт указанного электрода с очищаемой металлической поверхностью был полностью исключен, и создают между этим электродом и очищаемой металлической поверхностью электрическое напряжение такой величины, которое превышает электродный потенциал металла, загрязняющего указанную металлическую поверхность; при этом указанное электрическое напряжение создают таким образом, чтобы этот электрод был анодом.
Получение указанного выше нового технического эффекта обусловлено следующими причинами. Входящие в состав нанесенного на металлическую поверхность гель-электролита реакционно активные вещества - полиэтиленгликоль, перхлорат щелочных металлов, трифторацетат щелочных металлов - растворяет находящиеся на ней масла и нефтепродукты, а также окислы металла самой металлической поверхности и находящиеся на этой поверхности чужеродные металлы или их окислы и соли. После растворения все эти металлы и окислы переходят в объем указанного гель-электролита и удаляются вместе с ним после его удаления с металлической поверхности.
Однако удаление загрязняющих поверхность металлов и окислов, которое происходит вследствие реакции окисления-восстановления, растворения или комплексообразования на границе раздела «гель-электролит - очищаемая поверхность», будут протекать только в случае, если нет следующих мешающих факторов: диффузионные затруднения, прочность сцепления загрязняющих веществ с очищаемой поверхностью, большие значения электродных потенциалов загрязняющих веществ. В реальности же во-первых, электродный потенциал загрязняющего металла часто превышает его теоретическое значение, из-за существования оксидных слоев, во-вторых, размер частиц удаляемых с поверхности, превышает размер коллоидных частиц, что обуславливает диффузионные затруднения и указанная реакция не протекает, поэтому для очистки требуется длительное время - часто до 3-х суток.
Авторы впервые установили, что наложение электрического поля на систему «гель-электролит - очищаемый объект» можно осуществить электрохимическую реакцию, при которой загрязняющие поверхность вещества переходят в объем гель-электролит, так как потенциал очищаемой поверхности меняется при этом принудительно, а направленное движение частиц геля облегчает процесс диффузии. При этом авторы также впервые установили, что указанный гель-электролит, взятый в твердом виде и расположенный между электродами, обеспечивает протекание электрохимической реакции между этими электродами. В результате протекания указанной реакции загрязняющие поверхность металлы проходят в объем пленки, в виде которой находится гель-электролит, и прочно удерживаются в объеме этой пленки после снятия напряжения с электродов, между которыми этот гель-электролит находится. Поэтому после удаления с очищаемой металлической поверхности пленки гель-электролита вместе с ней удаляются и загрязняющие поверхность металлы и окислы металлов. Таким образом, в этом способе впервые реализуется электрохимический способ переноса и растворения веществ, в котором в качестве электролитической среды используется твердый (в виде пленки) гель-электролит указанного состава.
Указанное электрическое напряжение между электродом и очищаемой поверхностью можно создавать тем, что указанный электрод выполняют из металла, электродный потенциал которого меньше, чем электродный потенциал металла, загрязняющего очищаемую поверхность. Этот электрод в данном случае может быть выполнен из алюминия или магния и представлять собой фольгу или пластину. В этом случае электрическая цепь замыкается путем создания контакта между электродом и очищаемой поверхностью (принцип работы гальванического элемента). При использовании этого способа часть очищаемой поверхности восстанавливается, а часть загрязнений и окисленных форм металла переходит в полимерную пленку.
2
Электрическое напряжение между электродом и очищаемой поверхностью можно создавать также и тем, что на указанный электрод и очищаемую поверхность подают электрический ток с напряжением, не превышающим 1 В (один вольт), соблюдая при этом условие, чтобы электрод был анодом, а очищаемая поверхность - катодом, при этом плотность электрического тока на поверхности электрода не должна превышать 30 мА/см.
При создании электрического напряжения между электродом и очищаемой поверхностью целесообразно с помощью соответствующего датчика контролировать наличие протекающего через гель-электролит электрического тока, а указанное электрическое напряжение при этом увеличивают до тех пор, пока через гель-электролит начнет протекать электрический ток, величиной (25-35) мА, соблюдая при этом условие, чтобы величина напряжения не превышала 1 вольт. Процесс очистки проводят до тех пор, пока величина электрического тока не начнет снижаться. При снижении ее величины более, чем на 5%, повышение электрического напряжения прекращают или дополнительно увеличивают до тех пор, пока через гель-электролит снова начнет протекать электрический ток, величина которого будет более высокой, чем до ее снижения.
Это расширяет возможности способа, т.к позволяет использовать электрод, выполненный из любого нейтрального по отношению к гель-электролиту материала и, кроме того, позволяет достоверно определять окончание процесса очистки поверхности от конкретного металла, загрязняющего эту поверхность.
Указанный гель-электролит можно наносить на металлическую поверхность в жидком или полужидком виде, но тогда его нужно выдерживать на открытом воздухе до превращения в пленку, а электрод вводят в контакт с жидким/полужидким гель-электролитом или до превращения его в пленку или с поверхностью пленки после ее образования. Такое решение расширяет возможности использования способа, т.к. позволяет проводить очистку металлической поверхности у изделий сложной формы, а так же очистку внутренней поверхности емкостей.
Указанный гель-электролит можно наносить на металлическую поверхность в непосредственно виде пленки, тогда указанный электрод вводят в контакт с поверхностью этой пленки. Такое решение позволяет проводить очистку очищаемой поверхности, расположенной вертикально или с наклоном.
На фиг.1 показан пример реализации способа, когда на электрод и металлический образец не подают электрическое напряжение.
А на фиг.2 показан пример реализации способа, когда на электрод и металлический образец подают электрическое напряжение. При этом 1 - это металлический образец (деталь, монета и т.п.); 2 - электрод; 3 - гель-электролит; 4 - регулируемый источник постоянного электрического напряжения, например, потенциометр; 5 - измеритель силы электрического тока, например, амперметр.
Способ может быть реализован как путем подачи электрического напряжения на электрод 2 и очищаемый металлический образец 1 (см. фиг.1), так и без подачи этого напряжения (см. фиг.2). И в том и в другом случае между электродом 2 и очищаемым металлическим образцом 1 создают электрический потенциал, величина которого должна превышать электродный потенциал вещества, загрязняющего поверхность очищаемого металлического образца 1.
В случае когда не подают электрическое напряжение на электрод 2 и очищаемый металлический образец 1, способ реализуется следующим образом (см. фиг.1). На поверхность металлического образца 1 накладывают гель-электролит 3, который может быть или в виде эластичной пленки, или в виде желеобразной массы. К свободной поверхности гель-электролита 3 прикладывают электрод 2, выполненный из металла. При этом, электрод 2 должен быть изготовлен из такого металла, электродный потенциал которого выше, чем электродный потенциал химического элемента, загрязняющего поверхность металлического образца 1. Таким металлом может быть, например, алюминий, электродный потенциал которого выше, чем у многих известных металлов. Электрод 2 представляет собой пластину, толщина которой для реализации способа значения не имеет, а размеры ее плоскости должны быть такими, чтобы она перекрывала размеры очищаемой поверхности.
В этом случае в объеме гель-электролита 3 создается электрическое поле, под воздействием которого ионы вещества, загрязняющего поверхность металлического образца 1, переходят в объем гель-электролита 3 и образуют там с его молекулами прочные химические соединения. Поэтому после удаления с поверхности металлического образца 1 гель-электролита 3 вместе с ним будут удалены и вещества, которые находились на поверхности металлического образца 1.
В случае же когда на электрод 2 и очищаемый металлический образец 1 подают электрическое напряжение, способ реализуют следующим образом (см. фиг.2). От регулируемого источника постоянного электрического напряжения 4, в качестве которого можно использовать потенциостат, подают электрическое напряжение на электрод 2 и металлический образец 1, причем между электродом 2 и металлическим образцом 1 расположен гель-электролит 3. В результате этого в объеме гель-электролита 3 создается электрическое поле. При этом указанное электрическое напряжение постепенно повышают до тех пор пока измеритель силы электрического тока 5, т.е. амперметр, не начнет показывать, что в цепи «электрод 2 - металлический образец 1 - гель-электролит 3» протекает электрический ток. После этого величину подаваемого напряжения оставляют неизменной, а само напряжение подают до тех пор, пока сила проходящего через гель-электролит 3 электрического тока не начнет снижаться и не достигнет минимального значения, что будет видно из показаний амперметра 5. Когда амперметр 5 показывает снижение силы электрического тока до минимального значения, то величину напряжения, подаваемого от источника постоянного электрического напряжения 4 повышают до тех пор, пока в цепи «электрод 2 - металлический образец 1 - гель-электролит 3» снова начнет протекать электрический ток, что опять же будет видно из показаний амперметра 5. Однако, при этом следует контролировать, чтобы величина подаваемого напряжения не превысила 1 (один) Вольт, т.к. в противном случае компоненты гель-электролита 3 будут принимать активное участие в электродных реакциях, а очищаемый объект останется просто проводником и перестанет быль активным анодом.
Когда сила электрического тока в цепи «электрод 2 - металлический образец 1 - гель-электролит 3» достигнет минимальной величины после всех повышений величины напряжения, очистку поверхности металлической детали прекращают.
При проведении всех вышеуказанных операций, находящиеся на металлической поверхности загрязнения вследствие взаимодействия с ингридиентами гель-электролита 3 переводятся в ионную форму и под воздействием электрического поля ионы загрязняющих поверхность веществ переходят в объем гель-электролита 3 где образуют достаточно прочные химические связи с его молекулами. Поэтому после удаления гель-электролита 3 с металлической поверхности вместе с ним удаляются и загрязняющие металлическую поверхность вещества, что приводит к очищению этой поверхности. При этом после окончания процесса очистки по описанному способу целесообразно проконтролировать качество очистки, например, оптическими методами, и если это качество окажется неудовлетворительным, то процесс очистки можно повторить с новой порцией гель-электролита 3.