Elektro (Kataforez) Kaplamalar

Elektro kaplama, bir metal parçayı boya ile kaplamak için elektrik kullanan bir boya işlemidir. Kullanılan en yaygın metaller çelik, çinko, pirinç, alüminyum veya diğer iletken malzemelerdir. Temizlendikten sonra tüm parça elektrokimyasal kataforez boya tankına daldırılır. Boya banyosu %20 boya katıları (kısmen kalan kısım) ve %80 oranında deiyoniz

Elektro Kaplama (Kataforez) nedir ?

Elektro kaplama, bir metal parçayı boya ile kaplamak için elektrik kullanan bir boya işlemidir. Kullanılan en yaygın metaller çelik, çinko, pirinç, alüminyum veya diğer iletken malzemelerdir. Temizlendikten sonra tüm parça elektrokimyasal kataforez boya tankına daldırılır. Boya banyosu %20 boya katıları (kısmen kalan kısım) ve %80 oranında deiyonize su içermektedir.

Elektrik potansiyelinin (gerilimin) uygulanması üzerine boya katıları, kataforez banyodan elektrik akımı ile bir defada bir molekül parçası yüzeyine taşınır. Parçanın dış yüzeyleri kaplandığında, bir elektrik direnci oluşur. Elektrik her zaman en az dirençli yol izlediğinden, elektrik akımı otomatik olarak daha önce kaplanmamış parçaların alanlarına akar. Bu işlem, parçanın tüm yüzeyleri aynı kalınlıktaki boya katları ile kaplanıncaya kadar devam eder. Tüm parça doğru film kalınlığı ile kaplandığında, elektrik akışı yavaşlar. Elektrik akımı durduğunda, parçadaki her yüzey eşit katı bir boya katı ile kaplanır.

Kataforez kaplamada boya katıları elektriksel olarak uyguladıktan sonra, pürüzlü bir film oluşturacak tüm püskürtme ve damlalar, durulamadan sonra çıkartılmalıdır. Deiyonize suyun boya katı maddelerinden ayrıldığı ultrafiltre (UF) kapalı döngü sonrası durulama sisteminin temelini oluşturur. Durulama suyu sürekli olarak arıtılır ve tekrar kullanılır. Elektrikle biriktirilmemiş fazla boya, boya deposuna geri döndürülerek tekrar uygulanabilir.

Kataforez işleminde uygulanan parçalarda püskürtme ve damlalar kaldırıldıktan sonra, dehidrasyona ve fırınlara aktarır. Dehidrasyon fırını, elektrikle uygulanan boya filminden tüm suyu çıkarmak için kullanılır. Tüm su çıktıktan sonra parça pişirme fırınına girer. Kür fırınında boya filmi moleküler bir dönüşüme uğrar. Elektrikle uygulanan boya katıları birbirleriyle çapraz bağlar ve akrilik modifiye epoksi tabakası pürüzsüz, hatta düzleştirilir. Bu epoksi film son derece yoğun, ince, pürüzsüz ve çok çeşitli kimyasal saldırılara karşı dayanıklıdır.

Kataforez kaplama prosesi

Kataforez, tamamen otomatik olan ve parçayı sürekli bir negatif elektrik voltajına ve banyoyu pozitif bir elektrik voltajına şarj etmeye dayanan daldırma kaplama prosesidir. Boya parçacıklarının çekilmesi ve düzgün bir boya filmi elde edilmesi ile olağanüstü bir sonuç ve korozyon koruması sağlar.

Kataforez kaplama, daldırma ile uygulanan katodik bir işlem olup, ürünlerinize korozyona karşı çok yüksek dayanıklılık kazandırır. Bu öncü teknoloji, tüm dünyada otomobil üreticileri, beyaz eşya üreticileri, tarım makinalarının üreticileri ve diğer endüstriyel araçların üreticileri tarafından kullanılmaktadır.

elektro-kataforez-kaplamalar-gorsel-2

Kataforez kaplama sistemleri, modern bir otomotiv boyahanesi ve beyaz eşya fabrikaları için evrensel hale gelmiştir. Boya emülsiyonundan yüklenen parçacıklar, elektrik güçleri altında anot (AED) veya katot (CED) ‘a hareket eder. Banyodan geçen doğru akım boyadaki boya tabanının pigment ve reçine tabanını vücut yüzeylerine doğru yapar. Kaplama tüm girintili alana ulaşır. Ultrafiltrasyon (UF) ekipmanları, film oluşturmayan boyaların geri kazanılması ve ED boya içeriklerinin ayrıştırılması için kullanılır. Fırınlandıktan sonra biriken film sert, dayanıklı polimerik film haline gelir.

Metal parçalar için elektro kaplama işleminde tipik adımlar:

elektro-kataforez-kaplamalar-gorsel-3
  1. Temizleme (tipik olarak alkali bir temizleyici, ancak alt tabakaya bağımlı)
  2. Durulama
  3. Asit aşındırma
  4. Durulama
  5. Islatma maddesi daldırma
  6. Elektro kaplama
  7. Elektro kaplama katını durulama ve kurtarma
  8. Deiyonize su (DI) ile durulama
  9. Konveksiyon veya kızıl ötesi fırınla kürleme (veya her ikisi de)

Elektro kaplama uygulamasında  bir yalıtım filmi oluşturmak için elektriksel olarak iletken substratın yüzeyi üzerinde boya partikülleri biriktirilir. Filmin film kalınlığının artması yalıtıcı bir etkiye sahip olacağından , boya yüzeyinin iletkenliği zamanla azalır. Bu noktada, biriken film çok az suya ve çözücüye sahiptir, böylece su ile durulama sonrası, biriktirilmiş film üzerinde olumsuz bir etkiye sahip değildir. Kaplanmış substrat, daha sonra, polimerik filmi çapraz bağlamanın yanı sıra suyu elimine etmek ve uçucu kalmasını sağlamak için pişirilir.

elektro-kataforez-kaplamalar-gorsel-4

Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, katodik elektro kaplamada, pozitif yüklü boya, redüksiyonun meydana geldiği negatif yüklü katoda çekilmekte ve hidrojen gazının serbest kalmasına neden olmaktadır. Anotta oksijeninin salınmasıyla birlikte  birlikte oksidasyon oluşur. Birikmiş boya filmi, nispeten çözünmeyen bir boya filmiyle birleştirilir ve bir veya daha fazla suyla durulandıktan sonra, biriken boya filmi katodik boya filminin çapraz bağlanmasını sağlamak için bir fırına girer.

elektro-kataforez-kaplamalar-gorsel-5

Kathodik elektro kaplama örneği
              Katot elektrotunda biriktirme;
R-NH3+ + OH -> R-NH2 + H2O
OH– iyonları, pH’yi yükseltir ve araba
gövdesindeki elektro kaplamayı çökeltir (indirger).

 Anot elektrodunda;
H+ + çözücü anyon -> asit

H2O, Hformunda oksitlenir.

Birçok katyonik epoksi elektro- kaplama reçinesi , formik, asetik veya laktik asit gibi düşük molekül ağırlıklı bir asitle nötrleştirilen amin gruplarından oluşan bir Bisfenol A bazlı epoksi reçineden oluşur. Kaplama banyosu 7’nin biraz altında bir pH’a sahip olduğu için, banyo komponentleri pas oluşumunu önlemek için paslanmaz çelik veya diğer korozyona dayanıklı malzemelerden oluşur.

En yaygın çapraz bağlayıcı, bloke edilmiş bir izosiyanattır , bu nedenle kaplama pişirildikten sonra, bloke edilmiş izosiyanat aktive edilir ve mevcut hidroksil ve amin grupları ile reaksiyona girer . Tipik bir elektro-kaplama banyosunun diğer bileşenleri arasında pigment, dolgu pigmenti, su, çözücü ve plastikleştiriciler ve esnekleştiriciler , akış değiştiriciler ve katalizörler gibi düşük seviyelerde modifiye edici reçineler bulunur .

elektro-kataforez-kaplamalar-gorsel-6

Filmin kalınlığı maksimum seviyesine yaklaştıkça filmin daha yalıtıcı hale gelmesiyle, elektro-kaplama boya film yapımı kendiliğinden sınırlanmaktadır. Daha yüksek voltaj ve daha uzun daldırma süreleri, mümkün olan maksimum film yapısına ulaşılana kadar daha yüksek film yapılarına izin verecektir, ki bu normal olarak yaklaşık 1.0 mil ve 1.2 mildir.

Voltaj normalde 225 ila 400 volt arasındadır. Voltaj çok yüksekse, dış yüzeylere uygulanan kaplamanın film rüptürü olacaktır. Buna yırtılma gerilimi denir. Gereğinden fazla yüksek bir voltajda, akım filmden geçerek film altında gaz oluşumuna yol açacaktır (anodik için katodik ve oksijen için hidrojen).

Film yapısını etkileyen diğer faktörler arasında banyo sıcaklığı ve iletkenlik bulunur. Daldırma süreleri ise normalde 2-3 dakikadır.

  • Islatma maddesi daldırma

Bazı elektro kaplama imalatçıları, elektro kaplama tankından hemen önce bir ıslatma maddesinin depoya daldırılmasını önermektedir. Bu genellikle kabarcıkların elektro kaplama tankına girerken parçalara yapışmasını önlemek içindir. Parça yüzeyine tutturulmuş herhangi bir baloncuk elektro kaplama birikimini önler ve bitmiş parçada boya kusuruna neden olur.

  • Elektro kaplamayı durulama ve kurtarma

Elektro kaplama işleminin bir avantajı, parçalar tarafından elektro kaplama durulama tankına taşınan elektro kaplama katısının kurtarılmasıdır. Elektro kaplama durulama, elektro kaplama emülsiyonunu taşıyıcı solüsyondan ayıran ve elektro kaplama tankına geri dönen bir ultrafiltrasyon ünitesi ile sürekli olarak filtrelenir. Elektro kaplamanın çoğu bu şekilde geri kazanılmaktadır.

  • Elektro kaplamanın kürlenmesi

Elektro kaplama esasen bir parçayı kapladıktan sonra sıvı boya olduğundan, kullanılan boya kimyasının türüne göre bir kürleme döngüsü gerektirecektir. Örnek olarak, bir akrilik-üretan tipi elektro kaplama, 20 dakika boyunca 320 F’lik bir kürleme sıcaklığı gerektirecektir (Electroclear 2800 için belirtilen metal sıcaklığı, PPG ürünü). Boyalarda olduğu gibi, elektro kaplamayı iyileştirmek için kullanılan enerji, parça boyutuna ve parça geometrisine bağlı olacaktır. Basit geometriler kızıl ötesi ısıtmanın kullanımı ile tamamen iyileştirilebilir, çünkü kızıl ötesi çizgi görünür ve tüm yüzeyi ısıtmak gerekmeden metal yüzeyi ısıtır. Karmaşık geometriler için, parçanın tüm bölgelerinde elektro kaplama katının tam olarak kürlenmesi için bir konveksiyon fırınına ihtiyaç duyulmaktadır. Elektro kaplama kimyası kimyasal çapraz bağlama işlemi olabileceğinden, tam kürleme optimum kaplama özelliklerini elde etmek için hem zaman hem de sıcaklık gerektirir.

Ultrafilitrasyon (UF), deiyonize (DI) durulama suyundan boya katılarını geri kazanmak için kullanılabilir, böylece atık miktarını azaltır ve atık su arıtma tesislerindeki yükü azaltır. Ultrafiltrasyon, su ve diğer çözeltilerden emülsifiye yağları, metal hidroksitleri, kolloidleri, emülsiyonları, dağılmış maddeleri, askıda katı maddeleri ve diğer büyük moleküler ağırlıklı maddeleri uzaklaştıran basınçla çalışan bir işlemdir. UF membranları, moleküler ağırlık kesimiyle karakterize edilir.

Birçok elektro kaplayıcının zorluğu, DI su tüketimini azaltmak, boya katılarının geri kazanımını arttırmak ve elektro boya uygulamalarında su ve atık su arıtımını azaltmaktır.

Hava Boşaltımı

Elektro kaplama boya formülleri, az da olsa uçucu organik bileşik (VOC) ve tehlikeli hava kirletici (HAP) içeriğine sahiptirler. Solvent yüklemesi büyük ölçüde azaltılmış olmasına rağmen, kürleme işleminin bir sonucu olarak bir VOC emisyonu kaynağı olmaya devam edecektir. Fırınlar, alt patlama limitinin (LEL) altındaki fırın atmosferini korumak ve fabrikada duman birikmesini önlemek için sürekli olarak tüketilmelidir.

Ortaya çıkan egzoz, atmosfere salınmadan önce tedavi gerektirebilecek, kürlenmiş boyadan salınan VOC’leri, dumanı ve kokuyu içerir. Uygun azaltma sisteminin seçimi; üretim tesisinin güvenli bir şekilde işletilmesi, hava boşaltım standartlarının karşılanması ve çevredeki kokuların en aza indirilmesi için kritik öneme sahiptir.

Her durumda, elektro kaplama boyaları solvent bazlı spreyden çok daha düşük VOC seviyelerine sahiptir. Ayrıca  kirletici maddeler yasal olarak kanalizasyon tesislerine birkaç dakikada deşarj edilebildiği gibi, şirketlerin atmosfere bir miktar VOC atmasına izin verilir.

Elektro Kaplamaların Faydaları

  • Üstün korozyon direnci
  • Değişmeyen, çift kaplama
  • Çevre dostu
    • Elektro kaplamalar çevre dostudur. Birçok üretici, elektro kaplama kullanır çünkü elektro kaplama prosesi çok az HAPS (tehlikeli hava kirletici), VOC (uçucu organik bileşikler) üretir ve RoHS, OSHA ve EPA uyumludur.
  • Verimli
    • Neredeyse kullanılmayan tüm boyalar geri kazanılır. Artık boya birikmesini ortadan kaldırmak için çoğu hatta 2, ancak bazılarında 3 son durulama vardır. Son durulamalar filtrelenmekten daha fazladır ve durulama aşamalarında toplanan herhangi bir boya tekrar uygulama banyosuna sokulur. Çoğu elektro kaplama sistemi otomatiktir, bir ürüne uygulanan boya miktarı hassas bir şekilde kontrol edilebilir ve toz veya overspray boyadan farklı olarak minimum atık verir.
  • Hat yoğunluğu
    • Her bir hat farklıdır, fakat doğru mühendislikle, aynı anda asılabilen birçok parça veya ürünü kaplamak mümkündür. Bu, bir defada kaplanacak toplam kare görüntüleri temel alır. Tankın büyüklüğüne bağlı olarak, tankın gerekli olan maksimum yüzey alanı miktarını karşılaması için doğru sayıda anot monte edilmelidir. Parçalara dokunmadığı sürece, tüm tank parçalarla doldurulabilir. Askıya asmak, genel hat verimliliği için çok önemlidir.
  • Uyumluluk
    • Çoğu üst kaplama ile çok iyi bir ara kat yapışma özelliği sağlama yeteneği, bu işlemin hemen hemen tüm demirli uygulamalar için bir astar olarak kullanılmasına izin verir.
  • Elektro kaplama ürünleri daha uzun süre dayanır
    • Üreticiler, iç ortamlardaki  çamaşırhanenizde kullanılan kimyasallara  veya dış ortamlarda kullanılan su ve güneş ışığı gibi etmenlere dayanabilecek dayanıklı ve kalıcı bir son kat elde etmek için elektro kaplama yapmaktadır. Elektro kaplama dünya çapında kullanılan yüksek kaliteli, düşük maliyetli finişler elde etmek için kullanılan bir teknolojidir. Performans avantajları, düşük son işlem maliyetleri ile birlikte, yeni kullanımlar ve teknolojiler geliştikçe, gelecekte uzun süre devam edecek büyüyen bir teknoloji haline getirmiştir.

Dezavantajları

  • Bir elektro kaplama hattının inşası ve bakımı çok pahalıdır.
    • Banyoda askıya alınmış boya varken sürekli tedirgin olunmalıdır  çünkü  güç kesintisi olursa, pompa başarısız olur ve boyanın çökmesi kaçınılmaz olur. Boya malzemesinin yenilenmesi ve sistemin temizlenmesi, 10 binlere  mal olabilir.
  • Sık renk değişikliği yapmak pratik değildir.
    • Bu, bir veya iki parçaya özel bir renk yapmak için doğru yöntem değildir. Sistem, bir boya ürününün sürekli çalışması için kurulur. Birkaç filtre ve ayar değişmelidir ve bunu yapmanın süreci saatler değil günlerle ölçülür. Banyoları dolduracak kadar fazla malzeme olduğundan, değişen malzeme çok maliyetlidir.
  • UV koruması.
    • Epoksi elektro kaplamalar güneş ışığına çok duyarlıdır. UV ışığı kaplamayı kırıp bozulmasına neden olur. Bir üst elektro kaplama boyasıyla bunun üstesinden gelinebilir.

STM Coatech, SSPC PCI (Uluslararası Kaplama Enspektörlüğü)  Türkiye, Romanya, Ukrayna, Gürcistan, Rusya, Azerbaycan, Turkmenistan, Kazakistan, Irak, Katar, Kuveyt, Umman, Sudan ve Cezayir resmi lisansörüdür.

Referanslar:
1. Products Finishing, Electrocoating, Erişim Tarihi: 24 Eylül 2018, https://www.pfonline.com/articles/electrocoating
2. Rochester Institute of Technology, Electrophoretic Painting Process (E-Coat), Erişim Tarihi: 24 Eylül 2018, https://www.rit.edu/affiliate/nysp2i/sites/rit.edu.affiliate.nysp2i/files/pdfs/e-coating_process_final.pdf
3. Prospector, Cathodic Electrocoat: Priming the Way to Unsurpassed Product Finishing Performance, Erişim Tarihi: 24 Eylül 2018, https://knowledge.ulprospector.com/5729/pc-cathodic-electrocoating/
4. Hartford Finishing Inc., Electro Coating, Erişim Tarihi: 25 Eylül 2018, http://www.hartfordfinishing.com/e-coating/
5. Precious Electrochem, Electrophoretic, Erişim Tarihi: 25 Eylül 2018, http://www.preciouselectrochem.com/Data/TDSELECTROPHORETIC/TDSELECTROPHORETIC.pdf