Elektrophoretische Abscheidung

Elektrophoretische Abscheidung ( EPD ) ist ein Sammelbegriff für eine Vielzahl industrieller Verfahren , darunter Elektrotauchlackierung , kathodische und anodische Elektrotauchlackierung sowie elektrophoretische Beschichtung oder Lackierung . Charakteristisch für dieses Verfahren ist die Wanderung kolloidaler Partikel in einem flüssigen Medium unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ( Elektrophorese ) und deren Abscheidung auf einer Elektrode . Alle kolloidalen Partikel, die stabile Suspensionen bilden und eine Ladung tragen können, eignen sich für die elektrophoretische Abscheidung. Dazu gehören Materialien wie Polymere , Pigmente , Farbstoffe , Keramiken und Metalle .

Das Verfahren eignet sich zum Aufbringen von Materialien auf beliebige elektrisch leitfähige Oberflächen. Die Art der aufzubringenden Materialien ist der wichtigste Faktor für die Wahl der Prozessbedingungen und der einzusetzenden Geräte.

Aufgrund der weitverbreiteten Anwendung elektrophoretischer Beschichtungsverfahren in zahlreichen Branchen ist die wässrige EPD das gängigste kommerzielle EPD-Verfahren. Es sind jedoch auch nicht-wässrige elektrophoretische Abscheidungsverfahren bekannt. Derzeit werden Anwendungen der nicht-wässrigen EPD für die Herstellung elektronischer Bauteile und die Produktion keramischer Beschichtungen erforscht. Nicht-wässrige Verfahren bieten den Vorteil, dass die Elektrolyse von Wasser und die damit einhergehende Sauerstoffentwicklung vermieden werden .

Dieses Verfahren wird industriell zur Beschichtung von Metallprodukten eingesetzt. Es findet breite Anwendung bei der Beschichtung von Automobilkarosserien und -teilen, Traktoren und Baumaschinen , elektrischen Schaltanlagen, Haushaltsgeräten, Metallmöbeln, Getränkebehältern, Befestigungselementen und vielen anderen Industrieprodukten.

EPD-Verfahren werden häufig zur Herstellung von geträgerten Titandioxid (TiO₂ ₎ -Photokatalysatoren für die Wasserreinigung eingesetzt. Dabei werden Vorläuferpulver verwendet, die mittels EPD-Methoden auf verschiedenen Trägermaterialien immobilisiert werden können. Die so hergestellten dicken Schichten ermöglichen im Vergleich zu Sol-Gel -Dünnschichten eine kostengünstigere und schnellere Synthese und bieten zudem eine größere Oberfläche des Photokatalysators.

Bei der Herstellung von Festoxidbrennstoffzellen werden EPD-Verfahren häufig zur Herstellung poröser ZrO ₂ -Anoden aus pulverförmigen Vorläufern auf leitfähigen Substraten eingesetzt.

EPD-Verfahren weisen eine Reihe von Vorteilen auf, die zu ihrer weitverbreiteten Anwendung geführt haben ^{[ 1 ].}

1. Bei diesem Verfahren werden Beschichtungen aufgebracht, die im Allgemeinen eine sehr gleichmäßige Schichtdicke ohne Porosität aufweisen.
2. Komplexe, gefertigte Objekte lassen sich problemlos beschichten, sowohl in Hohlräumen als auch auf den Außenflächen.
3. Relativ hohe Beschichtungsgeschwindigkeit.
4. Relativ hohe Reinheit.
5. Anwendbarkeit auf ein breites Spektrum von Materialien (Metalle, Keramiken, Polymere, )
6. Einfache Kontrolle der Beschichtungszusammensetzung.
7. Der Prozess ist in der Regel automatisiert und erfordert weniger menschliche Arbeitskraft als andere Beschichtungsverfahren.
8. Durch die hocheffiziente Nutzung der Beschichtungsmaterialien ergeben sich im Vergleich zu anderen Verfahren geringere Kosten.
9. Das üblicherweise verwendete wässrige Verfahren birgt ein geringeres Brandrisiko als die lösemittelbasierten Beschichtungen, die es ersetzt hat.
10. Moderne elektrophoretische Lackprodukte sind deutlich umweltfreundlicher als viele andere Lackiertechnologien.

In mehreren Forschungslaboren wurden dicke, komplexe Keramikteile hergestellt. Darüber hinaus wurde EPD zur Herstellung kundenspezifischer Mikrostrukturen , wie z. B. funktionaler Gradienten und Laminate, durch Suspensionskontrolle während des Prozesses eingesetzt. ^{[ 2 ]}

Das erste Patent für die elektrophoretische Beschichtung wurde 1917 an Davey und General Electric vergeben . Seit den 1920er Jahren wird das Verfahren zur Abscheidung von Kautschuklatex eingesetzt . In den 1930er Jahren wurden die ersten Patente erteilt, die basenneutralisierte, wasserdispergierbare Harze speziell für die elektrophoretische Abscheidung (EPD) beschrieben.

Die elektrophoretische Beschichtung nahm Ende der 1950er-Jahre ihre heutige Form an, als Dr. George E. F. Brewer und sein Team bei Ford mit der Entwicklung des Verfahrens zur Beschichtung von Automobilen begannen. Die erste kommerzielle anodische Automobilbeschichtungsanlage nahm 1963 ihren Betrieb auf.

Das erste Patent für ein kathodisches EPD-Produkt wurde 1965 erteilt und an BASF übertragen . PPG brachte 1970 als erstes Unternehmen kathodisches EPD kommerziell auf den Markt. Der erste Einsatz von kathodischem EPD in der Automobilindustrie erfolgte 1975. Heute entfallen rund 70 % des weltweit verwendeten EPD-Volumens auf kathodisches EPD, was vor allem auf die weitverbreitete Nutzung dieser Technologie in der Automobilindustrie zurückzuführen ist. Es handelt sich wahrscheinlich um das beste jemals entwickelte System, das zu einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer von Karosserien in der Automobilindustrie geführt hat.

Es gibt Tausende von Patenten, die sich auf verschiedene EPD-Zusammensetzungen, EPD-Verfahren und mit EPD beschichtete Gegenstände beziehen. Obwohl Patente von verschiedenen staatlichen Patentämtern erteilt wurden, lassen sich praktisch alle bedeutenden Entwicklungen durch die Durchsicht der vom US-amerikanischen Patent- und Markenamt (USPTO) erteilten Patente nachvollziehen .

Der industrielle Gesamtprozess der elektrophoretischen Abscheidung besteht aus mehreren Teilprozessen:

1. Vorbereitung – diese besteht üblicherweise aus einem Reinigungsprozess und kann die Aufbringung einer Konversionsbeschichtung , typischerweise einer anorganischen Phosphatbeschichtung, beinhalten.
2. Der Beschichtungsprozess selbst besteht üblicherweise darin, das Werkstück in ein Gefäß mit dem Beschichtungsbad oder der Beschichtungslösung einzutauchen und mithilfe von Elektroden Gleichstrom durch das EPD-Bad zu leiten. Typischerweise werden bei der Elektrotauchlackierung oder elektrophoretischen Lackierung Spannungen von 25 bis 400 Volt Gleichstrom verwendet. Das zu beschichtende Objekt dient als eine der Elektroden, und ein Satz Gegenelektroden schließt den Stromkreis.
3. Nach der Beschichtung wird das Objekt üblicherweise gespült, um das nicht abgeschiedene Bad zu entfernen. Für den Spülvorgang kann ein Ultrafilter eingesetzt werden, um einen Teil des Bades aus dem Beschichtungsbehälter zu entwässern und als Spülmittel zu verwenden. Bei Verwendung eines Ultrafilters können alle abgespülten Materialien in den Beschichtungsbehälter zurückgeführt werden. Dies ermöglicht eine hohe Ausnutzung der Beschichtungsmaterialien und reduziert gleichzeitig die Abfallmenge, die in die Umwelt gelangt.
4. Nach dem Spülen wird üblicherweise ein Einbrenn- oder Aushärtungsprozess durchgeführt. Dadurch wird das Polymer vernetzt , und die Beschichtung, die aufgrund der Gasentwicklung während des Abscheidungsprozesses porös ist, kann abfließen und wird glatt und durchgehend.

Beim EPD-Verfahren wird Gleichstrom an eine Lösung von Polymeren mit ionisierbaren Gruppen oder an eine kolloidale Suspension solcher Polymere angelegt, die gegebenenfalls auch Feststoffe wie Pigmente und Füllstoffe enthalten kann. Die in das Polymer eingebauten ionisierbaren Gruppen entstehen durch die Reaktion einer Säure mit einer Base zu einem Salz . Die dem Polymer verliehene Ladung – positiv oder negativ – hängt von der chemischen Natur der ionisierbaren Gruppe ab. Sind die ionisierbaren Gruppen des Polymers Säuren, trägt das Polymer nach der Salzbildung mit einer Base eine negative Ladung. Sind die ionisierbaren Gruppen des Polymers Basen, trägt das Polymer nach der Salzbildung mit einer Säure eine positive Ladung.

Es gibt zwei Arten von EPD-Verfahren, das anodische und das kathodische. Beim anodischen Verfahren wird negativ geladenes Material auf der positiv geladenen Elektrode, der Anode, abgeschieden . Beim kathodischen Verfahren wird positiv geladenes Material auf der negativ geladenen Elektrode, der Kathode , abgeschieden . ^{[ 3 ]}

Wird ein elektrisches Feld angelegt, wandern alle geladenen Teilchen durch Elektrophorese zur Elektrode mit der entgegengesetzten Ladung. Es gibt verschiedene Mechanismen, durch die sich Material auf der Elektrode ablagern kann:

1. Ladungszerstörung und die daraus resultierende Verringerung der Löslichkeit.
2. Konzentrationskoagulation.
3. Aussalzen .

Der primäre elektrochemische Prozess, der bei der wässrigen Elektrodeposition stattfindet, ist die Elektrolyse von Wasser. Dies lässt sich anhand der folgenden zwei Halbreaktionen veranschaulichen, die an den beiden Elektroden ablaufen:

Anode : 2H ₂ O → O ₂ (Gas) + 4H(+) + 4e(-)

Kathode : 4H ₂ O + 4e(-) → 4OH(-) + 2H ₂ (Gas)

Bei der anodischen Abscheidung enthält das abzuscheidende Material Salze einer Säure als Ladungsträger. Diese negativ geladenen Anionen reagieren mit den positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen), die bei der Wasserelektrolyse an der Anode entstehen, und bilden so die ursprüngliche Säure zurück. Die vollständig protonierte Säure ist ungeladen (Ladungsentzug), weniger wasserlöslich und kann sich an der Anode abscheiden.

Eine analoge Situation tritt bei der kathodischen Abscheidung auf, mit dem Unterschied, dass das abzuscheidende Material Salze einer Base als Ladungsträgergruppe enthält. Wurde das Basensalz durch Protonierung der Base gebildet, reagiert die protonierte Base mit den durch Wasserelektrolyse entstehenden Hydroxidionen. Dabei entstehen die neutral geladene Base (erneut Ladungsverlust) und Wasser. Das ungeladene Polymer ist in Wasser schlechter löslich als im geladenen Zustand und fällt an der Kathode aus.

Oniumsalze, die im kathodischen Prozess verwendet werden, sind keine protonierten Basen und scheiden sich nicht durch Ladungszerstörung ab. Diese Materialien können durch Konzentrationskoagulation und Aussalzen auf der Kathode abgeschieden werden. Beim Auftreffen auf das zu beschichtende Objekt werden die kolloidalen Partikel zusammengepresst, und das Wasser in den Zwischenräumen wird verdrängt. Durch die Kompression kollabieren die einzelnen Mizellen und bilden immer größere Mizellen. Die kolloidale Stabilität ist umgekehrt proportional zur Größe der Mizellen. Mit zunehmender Größe der Mizellen nimmt deren Stabilität ab, bis sie schließlich auf dem zu beschichtenden Objekt ausfallen. Die Konzentration immer größerer Ladungsgruppen auf kleinerem Raum erhöht die Ionenstärke des Mediums, was die Ausfällung der Materialien zusätzlich begünstigt. Beide Prozesse laufen gleichzeitig ab und tragen zur Materialabscheidung bei.

Während der wässrigen Abscheidung entsteht an beiden Elektroden Gas. An der Kathode bildet sich Wasserstoffgas , an der Anode Sauerstoffgas . Bei gleicher Ladungsübertragung wird, bezogen auf die Moleküle, genau doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff erzeugt.

Dies hat erhebliche Auswirkungen auf den Beschichtungsprozess. Am deutlichsten zeigt sich dies im Aussehen des abgeschiedenen Films vor dem Einbrennen. Beim kathodischen Prozess wird deutlich mehr Gas im Film eingeschlossen als beim anodischen. Da das Gas einen höheren elektrischen Widerstand als der abgeschiedene Film oder das Bad selbst aufweist, beeinflusst die Gasmenge den Strom bei einer gegebenen angelegten Spannung erheblich . Aus diesem Grund können kathodische Prozesse oft mit deutlich höheren Spannungen als die entsprechenden anodischen Prozesse durchgeführt werden.

Die abgeschiedene Beschichtung weist einen deutlich höheren Widerstand auf als das zu beschichtende Objekt. Mit zunehmender Schichtdicke steigt der Widerstand. Dieser Anstieg ist proportional zur Schichtdicke. Daher sinkt bei gegebener Spannung der Stromfluss mit zunehmender Schichtdicke, bis die Abscheidung schließlich zum Stillstand kommt (selbstlimitierend). Die angelegte Spannung bestimmt somit primär die abgeschiedene Schichtmenge.

Die Fähigkeit einer EPD-Beschichtung, auch Vertiefungen in einem Bauteil zu beschichten, wird als „Eindringtiefe“ bezeichnet. In vielen Anwendungen ist die Verwendung von Beschichtungsmaterialien mit hoher Eindringtiefe erwünscht. Die Eindringtiefe einer Beschichtung hängt von verschiedenen Faktoren ab, aber im Allgemeinen gilt: Je höher die Beschichtungsspannung, desto tiefer dringt die Beschichtung in Vertiefungen ein. Elektrophoretische Lacke mit hoher Eindringtiefe werden typischerweise mit Anwendungsspannungen von über 300 Volt Gleichstrom aufgebracht.

Die Beschichtungstemperatur ist ebenfalls eine wichtige Variable, die den EPD-Prozess beeinflusst. Sie wirkt sich auf die Badleitfähigkeit und die Leitfähigkeit des abgeschiedenen Films aus, die mit steigender Temperatur zunimmt. Die Temperatur beeinflusst auch die Viskosität des abgeschiedenen Films, was wiederum dessen Fähigkeit beeinflusst, die entstehenden Gasblasen abzugeben.

Die Koaleszenztemperatur des Beschichtungssystems ist ebenfalls eine wichtige Variable für den Beschichtungsentwickler. Sie lässt sich bestimmen, indem man den Schichtaufbau eines gegebenen Systems in Abhängigkeit von der Beschichtungstemperatur aufträgt, wobei Beschichtungszeit und Spannungsprofil konstant gehalten werden. Bei Temperaturen unterhalb der Koaleszenztemperatur weicht das Schichtwachstums- und -ablösungsverhalten aufgrund poröser Abscheidung deutlich vom üblichen Vorgehen ab.

Die Beschichtungszeit ist ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Bestimmung der Schichtdicke, der Qualität des abgeschiedenen Films und der Streuung. Je nach Art des zu beschichtenden Objekts können Beschichtungszeiten von wenigen Sekunden bis zu mehreren Minuten angemessen sein.

Die maximal nutzbare Spannung hängt vom Beschichtungssystem und weiteren Faktoren ab. Wie bereits erwähnt, sind Schichtdicke und Streuvermögen von der Anwendungsspannung abhängig. Bei zu hohen Spannungen kann es jedoch zu einem sogenannten „Durchbruch“ kommen. Die Spannung, bei der dieser Durchbruch auftritt, wird als „Durchbruchspannung“ bezeichnet. Das Ergebnis eines Durchbruchs ist in der Regel eine sehr dicke und poröse Schicht. Ein solcher Film ist normalerweise weder kosmetisch noch funktionell akzeptabel. Die Ursachen und Mechanismen des Durchbruchs sind noch nicht vollständig erforscht, jedoch ist Folgendes bekannt:

1. Im Handel erhältliche anodische EPD-Beschichtungsverfahren weisen typischerweise ein Durchbruchsverhalten bei deutlich niedrigeren Spannungen auf als ihre im Handel erhältlichen kathodischen Pendants.
2. Bei einer gegebenen EPD-Chemie gilt: Je höher die Badleitfähigkeit, desto niedriger die Durchschlagspannung.
3. Bei einer gegebenen EPD-Chemie sinken die Durchbruchspannungen normalerweise mit steigender Temperatur (bei Temperaturen oberhalb der Koaleszenztemperatur).
4. Die Zugabe von organischen Lösungsmitteln und Weichmachern zu einer gegebenen Badzusammensetzung, welche die Viskosität des abgeschiedenen Films verringern, führt oft zu höheren Filmdicken bei einer gegebenen Spannung, verringert aber im Allgemeinen auch die Durchschlagsfestigkeit und die Durchschlagsfestigkeit.
5. Die Art und die Vorbereitung des Substrats (Material, aus dem das zu beschichtende Objekt hergestellt wird) können ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf das Bruchphänomen haben.

Es gibt zwei Hauptkategorien von EPD-Verfahren: anodische und kathodische. Beide werden weiterhin kommerziell eingesetzt, wobei das anodische Verfahren länger industriell genutzt wird und daher als das ältere der beiden Verfahren gilt. Beide Verfahren weisen Vor- und Nachteile auf, und verschiedene Experten können die jeweiligen Vor- und Nachteile unterschiedlich bewerten.

Die wichtigsten Vorteile, die üblicherweise für das anodische Verfahren angeführt werden, sind:

1. Geringere Kosten im Vergleich zum kathodischen Verfahren.
2. Einfachere und weniger komplexe Steuerungsanforderungen.
3. Weniger Probleme mit der Hemmung der Aushärtung nachfolgender Decklackschichten.
4. Geringere Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen in der Substratqualität.
5. Das Substrat wird keinen stark alkalischen Bedingungen ausgesetzt, die Phosphat- und andere Konversionsbeschichtungen auflösen könnten.
6. Bestimmte Metalle, wie beispielsweise Zink, können durch das an der Kathode entstehende Wasserstoffgas verspröden. Beim anodischen Prozess wird dieser Effekt vermieden, da an der Anode Sauerstoff erzeugt wird.

Die wichtigsten Vorteile, die üblicherweise für kathodische Verfahren angeführt werden, sind:

1. Ein höherer Korrosionsschutz ist möglich. (Während viele der Ansicht sind, dass kathodische Technologien einen besseren Korrosionsschutz bieten, argumentieren andere Experten, dass dies wahrscheinlich eher mit dem Beschichtungspolymer und der Vernetzungschemie zusammenhängt als mit der Elektrode, auf der der Film abgeschieden wird.)
2. Eine höhere Wurfweite kann in das Produkt integriert werden. (Dies mag zwar für die derzeit kommerziell erhältlichen Technologien zutreffen, jedoch sind anodische Systeme mit hoher Wurfweite bekannt und wurden in der Vergangenheit bereits kommerziell eingesetzt.)
3. Die Oxidation findet ausschließlich an der Anode statt, wodurch Verfärbungen und andere Probleme, die durch die Oxidation des Elektrodensubstrats selbst entstehen könnten, im kathodischen Prozess vermieden werden.

Ein wesentlicher und oft übersehener Unterschied besteht darin, dass säurekatalysierte Vernetzungstechnologien besser für das anodische Verfahren geeignet sind. Solche Vernetzer finden breite Anwendung in allen Arten von Beschichtungen. Dazu gehören gängige und relativ kostengünstige Vernetzer wie Melamin - Formaldehyd , Phenol -Formaldehyd, Harnstoff-Formaldehyd und Acrylamid -Formaldehyd.

Melamin-Formaldehyd-Vernetzungsmittel finden insbesondere in der anodischen Elektrotauchlackierung breite Anwendung. Diese Vernetzungsmittel sind relativ kostengünstig und bieten ein breites Spektrum an Aushärtungs- und Leistungseigenschaften, wodurch der Beschichtungsentwickler das Produkt optimal an den gewünschten Anwendungszweck anpassen kann. Beschichtungen, die mit diesem Vernetzungsmitteltyp formuliert werden, weisen eine akzeptable UV-Beständigkeit auf. Viele dieser Materialien sind relativ niedrigviskos und können als reaktiver Weichmacher wirken , wodurch ein Teil des ansonsten notwendigen organischen Lösungsmittels ersetzt werden kann. Die Menge an freiem Formaldehyd sowie an Formaldehyd, das während des Einbrennprozesses freigesetzt werden kann, ist bedenklich, da beide als gesundheitsschädliche Luftschadstoffe gelten.

Der in kathodischen Systemen abgeschiedene Film ist stark alkalisch, weshalb säurekatalysierte Vernetzungsverfahren für kathodische Produkte im Allgemeinen nicht bevorzugt werden, obwohl es einige Ausnahmen gibt. Die heute am häufigsten verwendeten Vernetzungsverfahren für kathodische Produkte basieren auf Urethan- und Harnstoffverbindungen.

The aromatic polyurethane and urea type crosslinker is one of the significant reasons why many cathodic electrocoats show high levels of protection against corrosion. Of course it is not the only reason, but if one compares electrocoating compositions with aromatic urethane crosslinkers to analogous systems containing aliphatic urethane crosslinkers, consistently systems with aromatic urethane crosslinkers perform significantly better. However, coatings containing aromatic urethane crosslinkers generally do not perform well in terms of UV light resistance. If the resulting coating contains aromatic urea crosslinks, the UV resistance will be considerably worse than if only urethane crosslinks can occur. A disadvantage of aromatic urethanes is that they can also cause yellowing of the coating itself as well as cause yellowing in subsequent topcoat layers. A significant undesired side reaction which occurs during the baking process produces aromatic polyamines. Urethane crosslinkers based on toluene diisocyanate (TDI) can be expected to produce toluene diamine as a side reaction, whereas those based on methylene diphenyl diisocyanate produce diaminodiphenylmethane and higher order aromatic polyamines. The undesired aromatic polyamines can inhibit the cure of subsequent acid catalysed topcoat layers, and can cause delamination of the subsequent topcoat layers after exposure to sunlight. Although the industry has never acknowledged this problem, many of these undesired aromatic polyamines are known or suspected carcinogens.

Besides the two major categories of anodic and cathodic, EPD products can also be described by the base polymer chemistry which is utilized. There are several polymer types that have been used commercially. Many of the earlier anodic types were based on maleinized oils of various types, tall oil and linseed oil being two of the more common. Today, epoxy and the acrylic types predominate. The description and the generally touted advantages are as follows:

1. Epoxy: Although aliphatic epoxy materials have been used, the majority of EPD epoxy types are based on aromatic epoxy polymers, most commonly based on polymerization of diglycidal ethers of bis phenol A. The polymer backbone may be modified with other types of chemistries to achieve the desired performance characteristics. Generally, this type of chemistry is used in primer applications where the coating will receive a topcoat, particularly if the coated object needs to withstand sunlight. This chemistry generally does not have good resistance to UV light. However, this chemistry is often used where high corrosion resistance is required.
2. Acryl : Diese Polymere basieren auf radikalisch initiierten Polymeren, die Monomere auf Basis von Acrylsäure und Methacrylsäure sowie deren zahlreichen Estern enthalten. Diese Art der Chemie wird im Allgemeinen dann eingesetzt, wenn UV-Beständigkeit erwünscht ist. Acrylpolymere bieten zudem den Vorteil einer größeren Farbpalette, da sie im Vergleich zu Epoxiden weniger zum Vergilben neigen.

Die Geschwindigkeit der elektrophoretischen Abscheidung (EPD) hängt von mehreren, zusammenwirkenden kinetischen Prozessen ab. Einer der wichtigsten kinetischen Prozesse bei der EPD ist die Elektrophorese, die Bewegung geladener Partikel unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Da die lokale Partikelkonzentration in der Nähe der Elektroden abnimmt, beeinflusst jedoch auch die Partikeldiffusion von Bereichen hoher zu Bereichen niedriger Konzentration, bedingt durch die Differenz des chemischen Potenzials, die Abscheidungsgeschwindigkeit. In diesem Abschnitt werden die Bedingungen erläutert, die die Geschwindigkeiten der einzelnen Prozesse bestimmen, und wie diese Variablen in verschiedene Modelle zur Bewertung der EPD einfließen.

Damit beide Prozesse ablaufen können, müssen die Moleküle eine stabile wässrige Suspension bilden. Es gibt vier gängige Prozesse, durch die die Partikel die für eine stabile Dispersion notwendige Oberflächenladung erhalten: 1. Dissoziation oder Ionisierung einer Oberflächengruppe, 2. Reabsorption von Ionen, 3. Adsorption ionisierter Tenside, 4. Isomorphe Substitution. Die Oberflächenchemie des Moleküls und seine lokale Umgebung bestimmen, wie es eine Oberflächenladung erhält. Reicht die Oberflächenladung nicht aus, um die Van-der-Waals-Anziehungskräfte zwischen den Partikeln auszugleichen, aggregieren diese. Eine geladene Oberfläche ist jedoch nicht der einzige Parameter, der die kolloidale Stabilität beeinflusst. Partikelgröße, Zeta-Potential sowie Leitfähigkeit, Viskosität und Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels bestimmen ebenfalls die Stabilität der Dispersion. ^{[ 4 ]} Solange die Dispersion stabil ist, wird die anfängliche Abscheidungsrate primär durch die elektrische Feldstärke bestimmt. Der Lösungswiderstand kann die angelegte Spannung dissipieren, sodass die tatsächliche Oberflächenladung an jeder Elektrode geringer als beabsichtigt sein kann. Die geladenen Partikel lagern sich an ein Substrat an der entgegengesetzt geladenen Elektrode an. Vereinfacht ausgedrückt beschreibt das Hamaker-Gesetz ^{[ 3 ]} bei niedrigen Spannungen und kurzen Abscheidungszeiten einen linearen Zusammenhang zwischen der Feldstärke, der abgeschiedenen Schichtdicke und der Zeit.

${\displaystyle m=\mu \times C_{s}\times S\times E\times t}$

Diese Gleichung gibt die elektrophoretisch abgeschiedene Masse m in Gramm als Funktion der elektrophoretischen Mobilität μ (in cm² ^s⁻¹ ) , der Feststoffbeladung Cₛ (in g cm⁻³ ⁾ , der bedeckten Oberfläche S (cm² ^{) , der} elektrischen Feldstärke E (V cm⁻¹ ⁾ und der Zeit t (s) _an . Sie eignet sich zur Bewertung der Effizienz angewandter EPD-Prozesse im Vergleich zu theoretischen Werten.

Die einfache lineare Näherung des Hamaker-Gesetzes verliert bei höheren Spannungen und längeren Abscheidungszeiten an Gültigkeit. Bei höheren Spannungen können chemische Reaktionen, wie z. B. Reduktionen, die durch das angelegte Feld ausgelöst werden, die Kinetik verfälschen. Daher sollten Lösungsmittel mit hohen Redoxpotentialen verwendet werden, um Elektrolyse und Gasentwicklung zu vermeiden. ^{[ 4 ]} Sind die abgeschiedenen Partikel isolierend, nimmt die effektive elektrische Feldstärke mit zunehmender Schichtdicke ab. Zudem verarmt sich der Bereich um die elektroaktive Zone nahe den Elektroden an Partikeln. Die Partikeldiffusion aus dem Inneren in die elektroaktive Zone kann die Wachstumsrate begrenzen. Die Diffusion von Partikeln von hoher zu niedriger Konzentration lässt sich näherungsweise durch das Ficksche Gesetz beschreiben. Ihre Geschwindigkeit hängt von der Partikelkonzentrationsdifferenz sowie der Lösungsmittelviskosität, der Partikelmasse und der kolloidalen Stabilität ab. Mit zunehmender Schichtdicke und abnehmender Feldstärke sättigt sich das Wachstum schließlich. Die Dickenänderung beim Einsetzen der Sättigung wird durch die folgende Gleichung beschrieben. ^{[ 5 ]}

${\displaystyle {dw(t) \over dt}=w_{o}f\exp(-kt)}$ Wo ${\displaystyle k={A \over V}{\epsilon \xi \over 4\pi \eta }(E-\Delta E)}$

w ist das Gewicht der auf der Elektrode abgelagerten Feststoffpartikel, k die kinetische Konstante, t die Abscheidungszeit, A die Elektrodenfläche, V das Suspensionsvolumen, ε das Ausgangsgewicht der Feststoffpartikel in der Suspension, ξ die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit, ξ das Zeta-Potential des Partikels im Lösungsmittel, ν die Viskosität des Lösungsmittels, E die angelegte Gleichspannung und E der Spannungsabfall über der abgeschiedenen Schicht. ^{[ 5 ]}${\displaystyle w_{o}}$${\displaystyle \Delta }$

Vor Erreichen der Sättigung besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Schichtdicke und der Zeit. Mit Einsetzen der Sättigung nimmt die Ablagerungsrate ab; dieses Verhalten wird als parabolisch modelliert. Die kritische Übergangszeit zwischen linearem und parabolischem Verhalten wird durch die folgende Gleichung angenähert. ^{[ 5 ]}

${\displaystyle t^{\operatorname {1} \over \operatorname {2} }e^{\operatorname {-k} t}={S_{2} \over 2S_{1}}}$

t ist die kritische Übergangszeit, ist die Steigung des parabolischen Bereichs und ist die Steigung der Wachstumsrate der Ablagerungsschicht im linearen Bereich. ${\displaystyle S_{2}}$${\displaystyle S_{1}}$

Bei der Bestimmung der Anwendbarkeit der EPD auf ein System ist es notwendig, die kolloidale Stabilität sicherzustellen und die Kombination aus angelegter Spannung und Reaktionszeit zu ermitteln, die die gewünschte Schichtdicke ergibt.

In bestimmten Anwendungen, wie beispielsweise der Abscheidung keramischer Werkstoffe, dürfen bei der wässrigen elektrophoretischen Abscheidung (EPD) keine Spannungen über 3–4 V angelegt werden, um die Elektrolyse des Wassers zu vermeiden. Höhere Spannungen können jedoch wünschenswert sein, um größere Schichtdicken zu erzielen oder die Abscheidungsrate zu erhöhen. In solchen Fällen werden organische Lösungsmittel anstelle von Wasser als flüssiges Medium verwendet. Die verwendeten organischen Lösungsmittel sind in der Regel polare Lösungsmittel wie Alkohole und Ketone. Ethanol , Aceton und Methylethylketon sind Beispiele für Lösungsmittel, die sich als geeignete Kandidaten für die elektrophoretische Abscheidung erwiesen haben.

• https://web.archive.org/web/20060907065139/http://www.mtm.kuleuven.ac.be/Research/C2/EPD.htm
• „Elektrotauchlackierung“; The Electrocoat Association; Cincinnati, OH; 2002 ISBN 0-9712422-0-8
• „Design und Implementierung von Oberflächenbearbeitungssystemen“; Society of Manufacturing Engineers; Dearborn, MI; 1993; ISBN 0-87263-434-5
• „Elektrochemische Abscheidung von Beschichtungen“; American Chemical Society; Washington DC; 1973; ISBN 0-8412-0161-7
• „Elektromalerei“; RL Yeates; Robert Draper LTD; Teddington; 1966
• „Farben und Oberflächenbeschichtungen“; herausgegeben von R. Lambourne; Ellis Horwood Limited; Chichester, West Sussex, England; 1987; ISBN 0-85312-692-5und ISBN 0-470-20809-0
• www.electrocoat.org
• www.uspto.gov
• Institut für Pulvertechnologie, Universität des Saarlandes, Deutschland