PL241203B1

PL241203B1 - Sposób wytwarzania powłoki interferencyjnej

Info

Publication number: PL241203B1
Application number: PL434839A
Authority: PL
Inventors: Dawid Wodka
Original assignee: Canpack Spolka Akcyjna
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2022-08-22
Also published as: EP4189147A1; US20230357946A1; CN115803483A; CA3183777A1; CO2023001764A2; WO2022023836A1; PL434839A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania powłoki interferencyjnej na powierzchni wyrobu ze stopu albo stopów aluminium obejmujący anodowanie i barwienie elektrochemiczne z użyciem prądu przemiennego polega na tym, że elektrolit stosowany podczas barwienia elektrochemicznego zawiera siarczan (VI) miedzi (II) w ilości od 1 do 100 g/l, kwas borowy w ilości od 1 do 40 g/l i kwas winowy w ilości 0,1 g do 20 g/l.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania powłoki interferencyjnej na powierzchni wyrobu ze stopu albo stopów aluminium obejmujący anodowanie i barwienie elektrochemiczne z użyciem prądu przemiennego.

Stopy aluminium ze względu na korzystny stosunek wytrzymałości do ciężaru właściwego oraz łatwość kształtowania zyskały popularność w wielu branżach produkcyjnych. Obecnie stopy aluminiowe są szeroko wykorzystywane w branży samochodowej, budowlanej czy też do produkcji opakowań żywnościowych. Warunki w jakich wyroby pracują stawiają konieczność dodatkowego zabezpieczenia powierzchni metalu przed niekorzystnymi czynnikami zewnętrznymi. W przypadku niektórych branż efekt wizualny stanowi kluczowy powód w podjęciu decyzji o zakupie danego wyrobu przez klienta. Rosnąca świadomość konieczności zrównoważonego rozwoju stawia kolejne wyzwania przed inżynierami pracującymi nad rozwojem nowych powłok. Obecnie rynek wymaga spełnienia wszystkich trzech wyżej wymienionych aspektów, powłoka musi spełniać określone wymagania techniczne, być przyjazna środowisku oraz oferować niespotykane efekty wizualne

Zabezpieczenie powierzchni aluminium może zostać zrealizowane poprzez proces anodowania. Sam proces jest dobrze znany i opisany w dostępnej literaturze.

Dokument US 1869058 z roku 1931 roku opisuje anodowania proces przy niskim napięciu prądu w kwasie siarkowym. Na przestrzeni lat pojawiło się wiele prac prezentujących różne podejścia do rozwoju i udoskonalania techniki w celu spełnienia najnowszych wymogów środowiskowych i konsumenta.

Proces barwienia bez poprzedzającego etapu anodowania został opisany w dokumencie US4115212. Dokument ujawnia proces elektrochemicznego barwienia elementów wykonany ze stopów aluminium przy użyciu prądu przemiennego w wodnym roztworze zawierającym kwas siarkowy i kwas borowy albo tylko kwas sulfaminowy oraz sole metali. Proces kończy się dodatkowym zabezpieczeniem powierzchni poprzez naniesienie bezbarwnego lakieru. Warstwa jednak nie posiada efektu interferencji.

Dokument US4066816 opisuje proces anodowania połączony z barwieniem elektrochemicznym, którego efektem jest powłoka interferencyjna. Dokument opisuje dwuetapowe anodowanie w kwasie siarkowym oraz w kwasie fosforowym, co powoduje konieczność przepłukania elementów w celu uniknięcia przeniesienia kąpieli pomiędzy etapami. Drugie anodowanie ma na celu powiększenie porów w warstwie tlenkowej.

W publikacji naukowej Synthesis and properties of iridescent Zn-containing anodic aluminium oxide films (Thin Solid Films 586 (2015) 8-12) elektrochemiczne nanoszenie atomów cynku z roztworu 80 g/L ZnSO4 7H2O oraz 20 g/L H3BO3 zostało poprzedzone anodowaniem w kwasie fosforowym przez co najmniej 10 minut. W pracy Interference Coloring of Dual-Anodized Films on Aluminum Containing Electrolytically Deposited Thin Metal Layers (Plating and Surface Finishing; 84, 5; 116-119; 1997) efekt interferencji został uzyskany w wyniku naniesienia atomów cyny i niklu w porach tlenku aluminium.

Dokument WO2019011778 opisuje metodę wytwarzania powłoki opalizującej na wyrobach walcowanych. Anodowana cienka, porowata warstwa tlenku aluminium o grubości od 15 do 25 nm poddawana jest barwieniu z wykorzystaniem barwników azowych, antrachinonowych lub indygo. Proces ten zakończony jest powłoką otrzymaną metodą zol-żel. Tak otrzymana warstwa cechuje się lekkim efektem opalizującym.

Sposób wytwarzania powłoki interferencyjnej na powierzchni wyrobu ze stopu albo stopów aluminium obejmujący anodowanie i barwienie elektrochemiczne z użyciem prądu przemiennego według wynalazku charakteryzuje się tym, że elektrolit stosowany podczas barwienia elektrochemiczneg o zawiera z siarczan (VI) miedzi (II) w ilości od 1 do 100 g/l, kwas borowy w ilości od 1 do 40 g/l i kwas winowy w ilości 0,1 g do 20 g/l.

Barwienie prowadzi się w warunkach ciągłego mieszania elektrolitu.

Czas barwienia wynosi ponad 10 s.

Barwienie prowadzi się w temperaturze 5-40°C.

Barwienie prowadzi się z wykorzystaniem prądu przemiennego o napięciu w zakresie 0,5-50 V.

Anodowanie odbywa się w roztworze kwasu siarkowego (VI) o stężeniu 50-500 g/l z dodatkiem jonów aluminium w ilości 0-100 g/l.

Anodowanie prowadzi się przy gęstości prądu 0,1-5 A/dm².

Anodowanie prowadzi się w czasie 10-3600 sekund.

Wyrób po barwieniu uszczelnia się.

PL 241 203 B1

Uszczelnianie prowadzi się metodą hydrotermalną na gorąco albo na zimno albo metodą osadzania z fazy gazowej.

Uszczelnianie prowadzi się metodą osadzania z fazy gazowej wykorzystując technikę osadzania warstw atomowych.

W celu zapewnienia dobrej i powtarzalnej jakości powłok należy odtłuścić i wytrawić powierzchnię wyrobu aluminiowej przed rozpoczęciem anodowania. Proces ten może odbywać się w kąpielach opartych na rozpuszczalnikach organicznych, kąpielach wodnych kwaśnych oraz zasadowych. Po wykonaniu mycia i trawienia obrabianego elementu, należy element wypłukać w wodzie dejonizowanej. Po odcieknięciu nadmiaru wody wyrób aluminiowy może zostać poddany procesowi wytwarzania powłoki interferencyjnej. Opisany powyżej sposób przygotowania powierzchni wyrobu może być zastąpiony innym znanym sposobem. W stanie techniki dostępne są inne alternatywne metody mogące zapewnić odpowiednią jakość powierzchni.

Wyrób po anodowaniu powinno się przepłukać, korzystnie w wodzie dejonizowanej, a następnie przenieść do kąpieli barwiącej.

Niekwestionowanymi zaletami sposobu otrzymywania powłoki interferencyjnej według wynalazku jest odpowiedni dobór składników elektrolitu. Wykorzystanie siarczanu (VI) miedzi (II) jest zdecydowanie bezpieczniejsze w stosunku do wcześniej wykorzystywanych elektrolitów np. siarczanu (VI) kobaltu, czy siarczanu (VI) niklu, które są podejrzewane lub wykazują właściwości kancerogenne. Skład elektrolitu pozwala na otrzymanie szerokiego zakresu wariantów kolorystycznych w jednej kąpieli, ułatwiając tym samym proces technologiczny, skracając również czas wytworzenia powłoki co stanowi istotny aspekt ekonomiczny i jest korzystne dla środowiska naturalnego, gdyż obniża zużycie energii.

Sposób według wynalazku może być w szczególności przydatny do otrzymywania nowego efektu graficznego na powierzchni puszek napojowych lub wieczek do nich.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia schemat blokowy procesu wytwarzania powłok interferencyjnych, a fig. 2 - przekrój wyrobu aluminiowego obrazujący strukturę powłoki na której zachodzi interferencja światła.

P r z y k ł a d 1

Po odtłuszczeniu i wytrawieniu powierzchni wyrób aluminiowy trafia do anodowania w wodnym roztworze kwasu siarkowego (VI) o stężeniu 150 g/l z dodatkiem jonów aluminium poziomie 1,1 g/l w temperaturze 18°C, w warunkach stałoprądowych przy gęstości prądu 1,1 A/dm². Jako katoda może zostać użyta blacha aluminiowa o powierzchni równej lub większej powierzchni wyrobu aluminiowego. Czas anodowania wyniósł 200 sekund. Po zakończeniu procesu anodowania element należy wypłukać w wodzie dejonizowanej, a po odcieknięciu jej nadmiaru można rozpocząć kolejny etap. Barwienie elektrochemiczne odbywa się przy użyciu prądu przemiennego o napięciu 8 V w elektrolicie zawierającym 15 g/l siarczanu (VI) miedzi (II), 20 g/l kwasu borowego oraz 1 g/l kwasu winowego. Przez cały proc es temperatura elektrolitu wynosi 18°C. Przeciwelektroda z stali nierdzewnej ma powierzchnią roboczą równą lub większą od powierzchni wyrobu aluminiowego. Elektrolit jest nieustannie mieszany, a czas barwienia wynosi 120 sekund. Po zakończeniu procesu wyrób aluminiowy jest płukany w wodzie dejonizowanej a następnie suszony.

Schemat blokowy procesu wytwarzania powłok interferencyjnych przedstawiono na rysunku fig. 1, gdzie poszczególne liczby oznaczają:

- proces mycia i trawienia elementu aluminiowego;

, 4, 6, 9 - proces płukania wodą dejonizowaną;

- anodowanie elementu aluminiowego;

- barwienie prądem przemiennym (AC);

, 10 - suszenie gotowego elementu;

- uszczelnianie powłoki tlenkowej na elemencie aluminiowym.

Przerywaną linią zaznaczono opcjonalną ścieżkę uszczelnienia powłoki wyrobu aluminiowego.

P r z y k ł a d 2

Wytworzenie powłoki interferencyjnej zgodnie z wytycznymi opisanymi w przykładzie 1, a następnie wykonanie hydrotermalnego uszczelnienia na gorąco. Schemat blokowy procesu wytwarzania powłok interferencyjnych przedstawiono na rysunku fig. 1.

P r z y k ł a d 3

Wytworzenie powłoki interferencyjnej zgodnie z wytycznymi opisanymi w przykładzie 1, a następnie wykonanie uszczelnienia na zimno. Schemat blokowy procesu wytwarzania powłok interferencyjnych przedstawiono na rysunku fig. 1.

PL 241 203 B1

P r z y k ł a d 4

Wytworzenie powłoki interferencyjnej zgodnie z wytycznymi opisanymi w przykładzie 1, a następnie wykonanie uszczelnienia z wykorzystaniem techniki osadzania z fazy gazowej np. techniką osadzania warstw atomowych. Schemat blokowy procesu wytwarzania powłok interferencyjnych przedstawiono na rysunku fig. 1.

P r z y k ł a d 5

Po odtłuszczeniu i wytrawieniu powierzchni wyrób aluminiowy trafia do anodowania w wodnym roztworze kwasu siarkowego (VI) o stężeniu 145 g/l z dodatkiem jonów aluminium poziomie 1 g/l w temperaturze 11°C, w warunkach stałoprądowych przy gęstości prądu 1,2 A/dm². Jako katoda może zostać użyta blacha aluminiowa o powierzchni równej lub większej powierzchni wyrobu aluminiowego. Czas anodowania wyniósł 250 sekund. Po zakończeniu procesu anodowania element należy wypłukać w wodzie dejonizowanej, a po odcieknięciu jej nadmiaru można rozpocząć kolejny etap. Barwienie elektrochemiczne odbywa się przy użyciu prądu przemiennego o napięciu 12 V w elektrolicie zawierającym 13 g/l siarczanu (VI) miedzi (II), 22 g/l kwasu borowego oraz 1,6 g/l kwasu winowego. Przez cały proces temperatura elektrolitu wynosi 22°C. Przeciwelektroda z stali nierdzewnej ma powierzchnią roboczą równą lub większą od powierzchni wyrobu aluminiowego. Elektrolit jest nieustannie mieszany, a czas barwienia wynosi 160 sekund. Po zakończeniu procesu wyrób aluminiowy jest płukany w wodzie dejonizowanej a następnie suszony. Schemat blokowy procesu wytwarzania powłok interferencyjnych przedstawiono na rysunku fig. 1.

P r z y k ł a d 6

Po odtłuszczeniu i wytrawieniu powierzchni wyrób aluminiowy trafia do anodowania w wodnym roztworze kwasu siarkowego (VI) o stężeniu 150 g/l z dodatkiem jonów aluminium poziomie 1,1 g/l w temperaturze 18°C, w warunkach stałoprądowych przy gęstości prądu 1,1 A/dm². Jako katoda może zostać użyta blacha aluminiowa o powierzchni równej lub większej powierzchni wyrobu aluminiowego. Czas anodowania wyniósł 200 sekund. Po zakończeniu procesu anodowania element należy wypłukać w wodzie dejonizowanej, a po odcieknięciu jej nadmiaru można rozpocząć kolejny etap. Barwienie elektrochemiczne odbywa się przy użyciu prądu przemiennego o napięciu 8 V w elektrolicie zawierającym 15 g/l siarczanu (VI) miedzi (II), 20 g/l kwasu borowego oraz 1 g/l kwasu winowego. Przez cały proces temperatura elektrolitu wynosi 18°C. Przeciwelektroda z stali nierdzewnej ma powierzchnią roboczą równą lub większą od powierzchni wyrobu aluminiowego. Elektrolit jest nieustannie mieszany, a czas barwienia wynosi 120 sekund. Po zakończeniu procesu wyrób aluminiowy jest płukany w wodzie dejonizowanej a następnie suszony. Schemat blokowy procesu wytwarzania powłok interferencyjnych przedstawiono na rysunku fig. 1.

P r z y k ł a d 7

Po odtłuszczeniu i wytrawieniu powierzchni wyrób aluminiowy trafia do anodowania w wodnym roztworze kwasu fosforowego o stężeniu 120 g/l w temperaturze 18°C z dodatkiem jonów aluminium poziomie 1 g/l, w warunkach stałoprądowych przy gęstości prądu 1,1 A/dm². Jako katoda może zostać użyta blacha aluminiowa o powierzchni równej lub większej powierzchni wyrobu aluminiowego. Czas anodowania wyniósł 200 sekund. Po zakończeniu procesu anodowania element należy wypłukać w wodzie dejonizowanej, a po odcieknięciu jej nadmiaru można rozpocząć kolejny etap. Barwienie elektrochemiczne odbywa się przy użyciu prądu przemiennego o napięciu 8 V w elektrolicie zawierającym 15 g/l siarczanu (VI) miedzi (II), 20 g/l kwasu borowego oraz 1 g/l kwasu winowego. Przez cały proces temperatura elektrolitu wynosi 18°C. Przeciwelektroda z stali nierdzewnej ma powierzchnią roboczą równą lub większą od powierzchni wyrobu aluminiowego. Elektrolit jest nieustannie mieszany, a czas barwienia wynosi 120 sekund. Po zakończeniu procesu wyrób aluminiowy jest płukany w wodzie dejonizowanej a następnie suszony. Schemat blokowy procesu wytwarzania powłok interferencyjnych przedstawiono na rysunku fig. 1.

P r z y k ł a d 8

Po odtłuszczeniu i wytrawieniu powierzchni wyrób aluminiowy trafia do anodowania w wodnym roztworze kwasu siarkowego (VI) o stężeniu 150 g/l z dodatkiem jonów aluminium poziomie 1,0 g/l w temperaturze 20°C, w warunkach stałoprądowych przy gęstości prądu 1,1 A/dm². Jako katoda może zostać użyta blacha aluminiowa o powierzchni równej lub większej powierzchni wyrobu aluminiowego. Czas anodowania wyniósł 200 sekund. Po zakończeniu procesu anodowania element należy wypłukać w wodzie dejonizowanej, a po odcieknięciu jej nadmiaru można rozpocząć kolejny etap. Barwienie elektrochemiczne odbywa się przy użyciu prądu przemiennego o napięciu 8 V w elektrolicie zawierającym 15 g/l siarczanu (VI) miedzi (II), 20 g/l kwasu borowego oraz 1 g/l kwasu winowego. Przez cały proces

PL 241 203 B1 temperatura elektrolitu wynosi 22°C. Przeciwelektroda z stali nierdzewnej ma powierzchnię roboczą równą lub większą od powierzchni wyrobu aluminiowego. Elektrolit jest nieustannie mieszany, a czas barwienia wynosi 120 sekund. Po zakończeniu procesu wyrób aluminiowy jest płukany w wodzie dejonizowanej a następnie suszony. Schemat blokowy procesu wytwarzania powłok interferencyjnych przedstawiono na rysunku fig. 1.

P r z y k ł a d 9

Po odtłuszczeniu i wytrawieniu powierzchni wyrób aluminiowy trafia do anodowania w wodnym roztworze kwasu siarkowego (VI) o stężeniu 120 g/l z dodatkiem jonów aluminium poziomie 1,0 g/l w temperaturze 21°C, w warunkach stałoprądowych przy gęstości prądu 1,1 A/dm². Jako katoda może zostać użyta blacha aluminiowa o powierzchni równej lub większej powierzchni wyrobu aluminiowego. Czas anodowania wyniósł 250 sekund. Po zakończeniu procesu anodowania element należy wypłukać w wodzie dejonizowanej, a po odcieknięciu jej nadmiaru można rozpocząć kolejny etap. Barwienie elektrochemiczne odbywa się przy użyciu prądu przemiennego o napięciu 8 V w elektrolicie zawierającym 15 g/l siarczanu (VI) miedzi (II), 20 g/l kwasu borowego oraz 1 g/l kwasu winowego. Przez cały proces temperatura elektrolitu wynosi 25°C. Przeciwelektroda z stali nierdzewnej ma powierzchnię roboczą równą lub większą od powierzchni wyrobu aluminiowego. Elektrolit jest nieustannie mieszany, a czas barwienia wynosi 100 sekund. Po zakończeniu procesu wyrób aluminiowy jest płukany w wodzie dejonizowanej a następnie suszony. Schemat blokowy procesu wytwarzania powłok interferencyjnych przedstawiono na rysunku fig. 1.

P r z y k ł a d 10

Wyrób aluminiowy wytworzony sposobem według wynalazku posiada powłokę interferencyjną. Fig. 2 przedstawia przekrój takiego wyrobu obrazujący strukturę powłoki, na której zachodzi interferencja światła, gdzie poszczególne oznaczenia liczbowe oznaczają:

- obszar wytrąconej miedzi;

- por w strukturze warstwy tlenkowej na aluminium;

- warstwa tlenkowa na aluminium powstała w wyniku procesu anodowania;

- ścianka wyrobu aluminiowego;

A - promień światła odbitego od warstwy tlenkowej;

B - promień światła odbitego od powierzchni wytrącenia miedzi;

C - promień światła odbitego od dna struktury porowatej; d - grubość warstwy tlenkowej na aluminium.

Claims

1. Sposób wytwarzania powłoki interferencyjnej na powierzchni wyrobu ze stopu albo stopów aluminium obejmujący anodowanie i barwienie elektrochemiczne z użyciem prądu przemiennego, znamienny tym, że elektrolit stosowany podczas barwienia elektrochemicznego zawiera siarczan (VI) miedzi (II) w ilości od 1 do 100 g/l, kwas borowy w ilości od 1 do 40 g/l i kwas winowy w ilości 0,1 g do 20 g/l.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że barwienie prowadzi się w warunkach ciągłego mieszania elektrolitu.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że czas barwienia wynosi ponad 10 s.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że barwienie prowadzi się w temperaturze 5-40°C.

5. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrz., znamienny tym, że barwienie prowadzi się z wykorzystaniem prądu przemiennego o napięciu w zakresie 0,5-50 V.

6. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrz., znamienny tym, że anodowanie odbywa się w roztworze kwasu siarkowego (VI) o stężeniu 50-500 g/l z dodatkiem jonów aluminium w ilości 0-100 g/l.

7. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrz., znamienny tym, że anodowanie prowadzi się przy gęstości prądu 0,1-5 A/dm².

8. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrz., znamienny tym, że anodowanie prowadzi się w czasie 10-3600 sekund.

9. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrz., znamienny tym, że wyrób po barwieniu uszczelnia się.

PL 241 203 Β1

10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że uszczelnianie prowadzi się metodą hydrotermalną na gorąco albo na zimno albo metodą osadzania z fazy gazowej.

11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że uszczelnianie prowadzi się metodą osadzania z fazy gazowej wykorzystując technikę osadzania warstw atomowych.