Введение

Электрофоретическое осаждение (EPD) – это обобщающий термин для широкого спектра промышленных процессов, включающих электроокраску, катодное электроосаждение, анодное электроосаждение и электрофоретическое покрытие, или электрофоретическую окраску. Характерной особенностью этого процесса является миграция коллоидных частиц, взвешенных в жидкой среде, под воздействием электрического поля (электрофорез) и их осаждение на электроде. В электрофоретическом осаждении могут использоваться любые коллоидные частицы, способные образовывать стабильные суспензии и нести электрический заряд. К таким материалам относятся полимеры, пигменты, красители, керамика и металлы. Процесс эффективен для нанесения материалов на любые электропроводящие поверхности. Свойства осаждаемых материалов являются определяющим фактором при выборе конкретных условий обработки и оборудования. Благодаря широкому применению процессов электрофоретической окраски в различных отраслях промышленности, водная ЭПД является наиболее распространенным коммерчески используемым методом ЭПД. Однако известны и области применения неводного электрофоретического осаждения. В настоящее время возможности неводного ЭПД изучаются для использования в производстве электронных компонентов и создании керамических покрытий. Преимуществом неводных процессов является отсутствие электролиза воды и выделения кислорода, сопровождающего электролиз.

История

Первый патент на использование электрофоретической окраски был выдан в 1917 году компаниям Davey и General Electric. С 1920-х годов этот процесс применялся для нанесения резинового латекса. В 1930-х годах были выданы первые патенты, описывающие нейтрализованные основания, вододиспергируемые смолы, разработанные специально для ЭФО (электрофоретического осаждения). Электрофоретическое покрытие начало приобретать свой современный вид в конце 1950-х годов, когда доктор Джордж Э. Ф. Брюэр и команда Ford Motor Company приступили к разработке процесса для окраски автомобилей. Первая коммерческая анодная система для автомобилей начала функционировать в 1963 году. Первый патент на катодный продукт ЭФО был выдан в 1965 году и передан компании BASF AG. PPG Industries, Inc. впервые внедрила катодный ЭФО в коммерческое использование в 1970 году. Первое применение катодного ЭФО в автомобильной промышленности состоялось в 1975 году. Сегодня около 70% от общего объема используемого в мире ЭФО приходится на катодный тип ЭФО, что в значительной степени обусловлено широким применением этой технологии в автомобильной промышленности. Это, вероятно, лучшая система, когда-либо созданная, и она значительно продлила срок службы кузовов автомобилей. Были выданы тысячи патентов, касающихся различных составов ЭФО, процессов ЭФО и изделий, покрытых ЭФО. Хотя патенты выдавались различными государственными патентными ведомствами, практически все существенные разработки можно проследить, изучая патенты, выданные Управлением по патентам и товарным знакам США.

Факторы, влияющие на электрофоретическую окраску

Во время процесса водного осаждения газ выделяется на обоих электродах. Водородный газ выделяется на катоде, а кислородный газ – на аноде. При заданном количестве переданного заряда образуется ровно в два раза больше водорода, чем кислорода, в пересчете на молекулы. Это оказывает существенное влияние на процесс нанесения покрытия. Наиболее заметное проявление – внешний вид осажденной пленки до процесса обжига. Катодный процесс приводит к значительно большему улавливанию газа в пленке, чем анодный процесс. Поскольку газ имеет более высокое электрическое сопротивление, чем осаждаемая пленка или сама ванна, количество газа оказывает значительное влияние на ток при заданном приложенном напряжении. Именно поэтому катодные процессы часто могут работать при значительно более высоких напряжениях, чем соответствующие анодные процессы. Осажденное покрытие имеет значительно более высокое сопротивление, чем покрываемый объект. По мере осаждения пленки сопротивление возрастает. Увеличение сопротивления пропорционально толщине осажденной пленки, и, следовательно, при заданном напряжении электрический ток уменьшается по мере увеличения толщины пленки, пока, наконец, не достигнет точки, где осаждение замедляется или прекращается (самоограничение). Таким образом, приложенное напряжение является основным фактором, контролирующим количество нанесенной пленки. Способность EPD-покрытия покрывать внутренние углубления детали называется "проникающей способностью". Во многих случаях желательно использовать материалы для покрытия с высокой проникающей способностью. Проникающая способность покрытия зависит от ряда переменных, но в целом можно сказать, что чем выше напряжение покрытия, тем дальше данное покрытие сможет "проникать" в углубления. Электрофоретические краски с высокой проникающей способностью обычно используют напряжения приложения более 300 вольт постоянного тока. Температура покрытия также является важной переменной, влияющей на процесс EPD. Температура покрытия влияет на проводимость ванны и проводимость осажденной пленки, которые увеличиваются с повышением температуры. Температура также влияет на вязкость осажденной пленки, что, в свою очередь, влияет на способность осажденной пленки высвобождать образующиеся газовые пузырьки. Температура коалесценции системы покрытия также является важной переменной для разработчика покрытия. Ее можно определить, построив график толщины пленки данной системы в зависимости от температуры покрытия, сохраняя постоянными время покрытия и профиль приложения напряжения. При температурах ниже температуры коалесценции поведение роста пленки и поведение разрушения значительно отличаются от обычной практики из-за пористого осаждения. Время покрытия также является важной переменной при определении толщины пленки, качества осажденной пленки и проникающей способности. В зависимости от типа покрываемого объекта, время покрытия от нескольких секунд до нескольких минут может быть подходящим. Максимальное напряжение, которое можно использовать, зависит от типа системы покрытия и ряда других факторов. Как уже упоминалось, толщина пленки и проникающая способность зависят от приложенного напряжения. Однако при чрезмерно высоких напряжениях может возникнуть явление, называемое "разрушением". Напряжение, при котором происходит это явление, называется "напряжением разрушения". Результатом разрушения является пленка, которая обычно очень толстая и пористая. Обычно это неприемлемо с точки зрения внешнего вида или функциональности. Причины и механизмы разрушения не полностью понятны, однако известно следующее:

Коммерчески доступные анодные составы для EPD-покрытия обычно демонстрируют разрушение при напряжениях, значительно более низких, чем их коммерчески доступные катодные аналоги. Для данного состава EPD, чем выше проводимость ванны, тем ниже напряжение разрушения. Для данного состава EPD напряжения разрушения обычно снижаются с увеличением температуры (при температурах выше температуры коалесценции). Добавление в состав ванны органических растворителей и пластификаторов, которые снижают вязкость осажденной пленки, часто приводит к увеличению толщины пленки при заданном напряжении, но, как правило, также снижает проникающую способность и напряжение разрушения. Тип и подготовка подложки (материала, используемого для изготовления покрываемого объекта) также могут оказывать значительное влияние на явление разрушения.

Неводная электрофоретическая осада

В некоторых приложениях, таких как осаждение керамических материалов, напряжения выше 3–4 В нельзя использовать в водной ЭПД, если требуется избежать электролиза воды. Однако, для достижения большей толщины покрытия или повышения скорости осаждения, может быть желательно применение более высоких напряжений. В таких случаях вместо воды в качестве жидкой среды используются органические растворители. Обычно используются полярные органические растворители, такие как спирты и кетоны. Этанол, ацетон и метилэтилкетон – примеры растворителей, которые зарекомендовали себя как подходящие для электрофоретического осаждения.