CN1473210A - 增强电沉积的装置及方法 - Google Patents

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��ά��H�����ս�˹
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Abstract

本发明的实施方案涉及用于电沉积涂料系统的膜组件及用于构造此膜组件的方法。膜组件可包括膜片材、导向体以及框架。在本发明的实施方案中，膜组件可通过沿螺旋形接缝处超声波焊接膜并将该膜片材置于由挤出网状管形成的导向体和框架之间而形成管型材。本发明的可选实施方案可包括不同的接缝形状以及制造和连接方法。

Description

增强电沉积的装置及方法
技术领域
本发明涉及用于电沉积涂料系统的膜组件及构造此膜组件的方法。
背景技术
电沉积系统可包括浸渍在涂料、溶剂以及中和剂的溶液中的电极。当该涂料沉积在电极表面上时，必须补充溶液中涂料的供给。否则，溶液中的中和剂浓度可增加并在电沉积涂料内产生“针孔”缺陷。在Cheng H.Lee的美国专利申请09/183,547、现US 6,264,809中描述了用于解决此问题的电沉积系统(“Lee系统”)。
在Lee系统的实施方案中，管式电极被装入管式膜组件中。该管式膜组件可由外框架和内导向体(inner guide)组成，其间包含可透过膜。其内壁和外壁可由非可透过性刚性材料制成并且可包括可通过涂料的孔。涂料可经由框架外壁内的窗口通过，渗透入膜并随后经由框架内壁的窗口通过。涂料通过管式膜组件后可溶解入浸渍电解质的溶液里。
发明内容
本发明涉及一种形成膜组件的方法，该方法包括：
使具有第一侧边和第二侧边的膜片材成形，以便该第一侧边和该第二侧边在螺旋形接缝处重叠。
在所述接缝处连接所述第一侧边和所述第二侧边以形成连接膜，以及
将所述连接膜置于内导向体和外框架之间。
本发明还涉及一种形成膜组件的方法，该方法包括：
使具有第一侧边和第二侧边的膜片材成形，以便该第一侧边和该第二侧边在螺旋形接缝处重叠。
在所述接缝处连接所述第一侧边和所述第二侧边以形成连接膜，以及
将所述连接膜置于内导向体和外框架之间。
本发明还涉及一种具有型材的膜组件，该膜组件包括：
具有第一侧边和第二侧边的所述型材膜，在沿着接缝的至少一个超声波焊接部位将该第一侧边与第二侧边连接在一起；
内导向体；以及
外框架
本发明还涉及一种具有型材的膜组件，该膜组件包括：
具有第一侧边和第二侧边的所述型材膜，在螺旋形状的接缝处将该第一侧边与第二侧边连接在一起；
内导向体；以及
外框架
本发明还涉及一种电沉积系统，其包括：
具有型材的膜组件，该膜组件包括：
具有第一侧边和第二侧边的所述型材膜，在沿着接缝的至少一个超声波焊接部位将该第一侧边与第二侧边连接在一起；
内导向体；以及
外框架；
电极；以及
包括涂料、溶剂和增溶剂的水溶液。
本发明还涉及一种电沉积系统，其包括：
具有型材的膜组件，该膜组件包括：
具有第一侧边和第二侧边的所述型材膜，在螺旋型材接缝处将该第一侧边与第二侧边连接在一起；
内导向体；以及
外框架；
电极；以及
包括涂料、溶剂和增溶剂的水溶液。
附图说明
图1所示为根据本发明实施方案的电沉积涂料系统。
图2所示为根据本发明实施方案的管式膜组件。
图2A所示为图2的管式膜组件的壁沿线A-A的截面图。
图3A所示为形成根据本发明实施方案的期望的膜组件型材之前的膜试片。
图3B所示为形成根据本发明实施方案的期望的膜组件型材的膜片材。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及用于电沉积涂料系统的膜组件和构造此膜组件的方法。该膜组件可包括膜片材、导向体和框架。在本发明的实施方案中，膜组件可形成管状。
图1说明了本发明的膜组件的典型应用。膜组件1包围阳极2。该阳极2可由不锈钢制成且可为圆柱形。电沉积有材料如涂料的物体用作阴极3。在该系统的可选实施方案中，可颠倒阴极3和阳极2，即电沉积有材料的物体用作阳极2，而膜组件1可包围阴极3。当要涂覆阴极时，涂料通常为阴离子。相反，当要涂覆阳极时，涂料通常为阳离子。在余下的讨论中，将假定该系统使用阴离子涂料且所沉积的元件是阴极。然而，本发明既涉及阳极系统也涉及阴极系统。
阳极2电连接至直流电源4如电池整流器的正极端。阴极3电连接至直流电源4的负极端。膜组件1、阳极2和阴极3至少部分沉浸于含已溶解的沉积材料6的水溶液5内。水溶液5可容纳于电沉积槽10中。水溶液5通常含沉积材料7、溶剂(如水)和增溶剂8。增溶剂8增加了已溶解的沉积材料6的电离作用。在阴极3为待涂覆元件的系统中，增溶剂8可为酸如乙酸。在阳极待涂覆的可选系统中，增溶剂可为碱如三乙胺。在从阴极3处的水溶液5中取出沉积材料7的同时，可持续地在溶液中加入补充沉积材料。
随着电沉积过程的持续，已溶解的沉积材料6由溶液中出来(如沉积材料7所示，其为未溶解的)。增溶剂8留在溶液中。增溶剂8在水溶液5中的浓度变化可影响阴极3上的电沉积涂料量，在阴极涂料的表面上产生“针孔”型缺陷。因此，希望控制水溶液5中的增溶剂8的浓度。
膜组件9可为系统的一部分，用于控制水溶液5中的增溶剂8的浓度。该膜组件可包括阳极电解液供给管11和阳极电解液溢流管12。阳极电解液供给管11向膜组件9的内区供给新的增溶剂溶液。由阳极电解液供给管11供给的增溶剂溶液的增溶剂8的浓度可等于水溶液5中所期望的浓度。此外，膜组件9的壁可透过增溶剂8。在此实施方案中，如果在水溶液5中增溶剂8的浓度超过期望的浓度，增溶剂可经由膜组件9的壁流入膜组件内部的增溶剂溶液中。用过的增溶剂溶液由膜组件99的内部经阳极电解液溢流管12除去。可处理用过的增溶剂溶液并将其经阳极电解液供给管11返回使用。
在此系统中，膜组件9也可具有螺纹底盖(见图2)且阳极电解液供给管11可供给新的增溶剂至该底盖的贮存槽。以此方式向膜组件9引入增溶剂溶液的作用是该增溶剂溶液可在涡流中经由膜组件9的内部向上移动。此涡流可产生由阳极2的表面除去氧和其他杂质的洗涤作用，以防止或降低腐蚀作用。
图2说明了本发明的膜组件的实施方案。在此图示的实施方案中，膜组件的形状为管状。该组件由膜组件壁101、阳极电解液溢流管102、阳极电解液供给管103、顶盖104和底盖105组成。顶盖可具有孔，经此孔可插入电极(阳极或阴极)。底盖105、顶盖104或此二者均可开槽以接受膜组件壁101。膜组件壁101可由图2A所示的三个层-外框架106、膜107和内导向体108组成。框架106和导向体108可包括多个孔109a、109b，经由这些孔可通过增溶剂8。膜107可选择性透过以容许增溶剂由膜组件外进入膜组件内，以便降低水溶液5中增溶剂的浓度，或者增溶剂由膜组件内进入膜组件外的水溶液5中，以便提高水溶液5中增溶剂的浓度。
膜107优选由不与涂料、溶剂或增溶剂反应的材料制成。适合的膜材料的例子是由Membranes International，Inc.(Glen Rock，NewJersey)制造的ULTREX AMI-7001阴离子膜。所选材料当置于涂料、溶剂和中和剂的溶液中时会膨胀。如果当膜107置于溶液中后显著膨胀，在膜组件构建并随后置于溶液中时产生问题。当膜107膨胀时，部分膜107可经由导向体108或框架106内的孔109a与109b挤出。这可减低膜表面与涂料间的接触面积，使涂料经由膜107的透过放慢。此外，涂料固体或杂质可累积在膜107和导向体108或框架106挤出部位之间的小区域内，进一步降低了电沉积效率。
在本发明的一个实施方案中，这个问题可通过使膜107预膨胀而解决。膜107可通过在30-50重量％的甘油溶液或多羟基化合物的水溶液中润湿膜材料的平片材而预膨胀。该润湿过程包括在溶液中浸湿膜材料的平片材至少约10分钟。然后预膨胀的膜107轧制或形成为膜组件的期望的型材。例如，预膨胀的膜107可轧制成特定内径或外径的管状型材。可选地，预膨胀膜107可在其形成为期望的膜组件型材之后膨胀。
图3A和3B更详细地说明了具有期望的膜组件形状的膜构造。在优选的实施方案中，膜组件型材为管状并且膜是通过沿螺旋形接缝连接它的侧边而形成此型材。图3A所示为尚未形成所期望的管状膜组件型材的膜201。图3B所示为已经形成所期望的具有螺旋形接缝的管状膜组件型材的膜。为使膜201形成所期望的膜组件型材，将膜201的侧边202a和202b放在一起，以使膜201接近每个侧边202a和202b的部分重叠。
膜201的形状至少部分取决于所期望的接缝形状。在图3A中膜201为长斜方形，以产生螺旋形接缝203。在期望垂直接缝的实施方案中，膜201可为矩形。当使用连续片材时，可以一角度切割矩形片材的前沿以产生新的前沿204并在相应角度向连续片材的进给方向送入连续片材，由此可由标准矩形连续片材产生长斜方型材。
膜的尺寸由所期望的膜组件型材的尺寸决定。例如，前沿204和后沿205之间的垂直距离可等于形成所期望的膜组件型材时的膜的所期望的高度。虽然图3A所示既有前沿204，又有后沿205，但应理解在形成为所期望的膜组件型材之前膜201可以是无前沿204、后沿205或二者的连续片材。膜201可切割，以在膜201形成所期望的膜组件型材之后具有前沿204和/或后沿205。侧边202a和202b上相应点之间的水平距离可基本上等于形成所期望的膜组件型材时所期望的膜圆周与重叠区域206的水平宽度之和。在膜组件具有管式形状的实施方案中，在膜形成为管状型材后其内径优选介于2英寸和3.5英寸之间。
可选择重叠区域206的面积，以便膜组件型材的内径为一特定值且可视用于将重叠膜材料连接在一起的方法的类型而定。连接膜组件侧边的方法可包括热焊接、超声波焊接、定位焊接和粘接。在使用粘接的实施方案中，将粘合剂置于重叠侧边202a和202b之间并且在外侧边202b顶部之上。在使用热焊接处，可放置焊接材料以产生角焊。选择特殊连接方法所考虑的事项包括制造膜201所用材料的热特性和化学特性、使用膜组件9的化学环境、最后应用中膜组件9可承受的机械应力和/或应变、成本、加工的容易程度等。例如超声波焊接可特别适合于热敏材料和/或膜组件将被浸入与粘合剂不相容的水溶液5中的应用场合。
在使用超声波焊接的实施方案中，将侧边202a和202b置于一起以产生重叠区域206。该重叠区域可具有约1/2英寸的宽度。重叠区域206的一部分可置于夹具(fixture)和电极臂(horn)之间，以便该电极臂和该夹具都可与膜201最接近侧边202a或202b的表面接触。可用将交流电能转换为高频动能的转换器使该电极臂高频振动。在转换器和电极臂之间可放置增强器以增大振动的振幅。转换器产生的振动频率的等级可为15-40kHZ。高频振动可在介于侧边202a和202b之间的界面处产生摩擦，该摩擦可使在侧边202a和202b之间形成连接部位(在图3B中以“x”表示)。通过基本垂直于电极臂的长度的方向(即接缝移动的方向)经由电极臂和夹具间的区域加入重叠区域206而形成连续接缝203。
在本发明的实施方案中，膜201的侧边202a和202b可重叠以形成螺旋接缝203(如图3所示)。在此实施方案中，可选择螺旋形状的尺寸，以便连续环207a和207b之间的垂直距离约为6英寸。可选地，膜201的侧边202a和202b可重叠以形成连续垂直接缝或其他形状的接缝。膜可通过将预浇注的膜材料的连续片材置于圆筒形心轴周围而形成为管状型材。该心轴的外径基本等于最终管状的膜所期望的内径。可选地，预浇筑的连续片材成形的内部形状为其内径约等于所期望的膜组件型材的外径。然后，焊接的膜201可置于外框架106之内以及内导向体108之外。外框架106和内导向体108都可由聚丙烯挤出网状管材制取。可选择内导向体108的外径和外框架106的内径以使干扰轻微，以便零件压配合在一起。可选地，可选择内导向体108和外框架106的直径以致于无干扰，并且膜201、内导向体108和外框架106可通过顶端盖104及底端盖105保持在彼此相关的位置。
以上描述为本发明的具体实施方案，很明显，对于本领域的技术人员来说，可对其进行许多改进而不偏离本发明的精神。所附权利要求试图涵盖落入本发明的精神和范围的此类改变。因此，在此公开的实施方案应在各方面都被认为是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而非说明书来阐明。与权利要求相当的含义和范围内的所有变化都包含于其中。

Claims (46)

1.一种形成膜组件的方法，该方法包括：
使具有第一侧边和第二侧边的膜片材成形，以便该第一侧边和该第二侧边在螺旋形接缝处重叠。
在所述接缝处连接所述第一侧边和所述第二侧边以形成连接膜，以及
将所述连接膜置于内导向体和外框架之间。
2.如权利要求1的方法，其中所述连接膜为管型材。
3.如权利要求2的方法，其中所述内导向体和外框架均为管型材。
4.如权利要求2的方法，其中所述管型材的内径为约2-3.5英寸。
5.如权利要求1的方法，其中所述第一侧边与第二侧边重叠约1/2英寸。
6.如权利要求1的方法，其中所述成形包括将所述膜片材包在心轴周围。
7.如权利要求1的方法，其中所述连接包括超声波焊接。
8.如权利要求7的方法，其中，
所述接缝具有移动方向，以及，
所述超声波焊接进一步包括基本垂直于所述接缝移动方向放置超声波焊接电极臂并且沿着所述超声波焊接电极臂和夹具之间的所述移动方向送入所述接缝。
9.如权利要求1的方法，其进一步包括从连续膜片材切割所述膜片材。
10.如权利要求9的方法，其中所述切割是在所述成形之后进行。
11.如权利要求1的方法，其中所述膜片材由热塑性材料制得。
12.如权利要求1的方法，其中所述膜片材为预膨胀的。
13.如权利要求1的方法，其中所述成形包括从膜材料的连续片材切割所述膜片材。
14.如权利要求13的方法，其中所述膜片材被切割成斜长方型材。
15.如权利要求1的方法，其进一步包括预膨胀所述膜。
16.一种形成膜组件的方法，该方法包括：
使具有第一侧边和第二侧边的膜片材成形，以便该第一侧边和该第二侧边在螺旋形接缝处重叠。
在所述接缝处连接所述第一侧边和所述第二侧边以形成连接膜，以及
将所述连接膜置于内导向体和外框架之间。
17.如权利要求16的方法，其中所述接缝为螺旋形。
18.如权利要求16的方法，其中所述接缝为垂直形。
19.如权利要求16的方法，其进一步包括预膨胀的所述膜。
20.一种具有型材的膜组件，该膜组件包括：
具有第一侧边和第二侧边的所述型材膜，在沿着接缝的至少一个超声波焊接部位将该第一侧边与第二侧边连接在一起；
内导向体；以及
外框架
21.如权利要求20的膜组件，其进一步包括顶部端盖。
22.如权利要求20的膜组件，其进一步包括底部端盖。
23.如权利要求20的膜组件，其进一步包括阳极电解液供给管。
24.如权利要求20的膜组件，其进一步包括阳极电解液溢流管。
25.如权利要求20的膜组件，其进一步包括电极。
26.如权利要求25的膜组件，其进一步包括具有孔的顶部端盖，所述电极经由该孔通过。
27.如权利要求20的膜组件，其中所述内导向体的本体具有至少一个孔。
28.如权利要求20的膜组件，其中所述内导向体由挤出网状管材制得。
29.如权利要求20的膜组件，其中所述外框架的本体具有至少一个孔。
30.如权利要求20的膜组件，其中所述外框架由挤出网状管材制得。
31.如权利要求20的膜组件，其中所述接缝为螺旋形。
32.如权利要求20的膜组件，其中所述膜为预膨胀的。
33.一种具有型材的膜组件，该膜组件包括：
具有第一侧边和第二侧边的所述型材膜，在螺旋形状的接缝处将该第一侧边与第二侧边连接在一起；
内导向体；以及
外框架
34.如权利要求33的膜组件，其进一步包括顶部端盖。
35.如权利要求33的膜组件，其进一步包括底部端盖。
36.如权利要求33的膜组件，其进一步包括阳极电解液供给管。
37.如权利要求33的膜组件，其进一步包括阳极电解液溢流管。
38.如权利要求33的膜组件，其进一步包括电极。
39.如权利要求38的膜组件，其进一步包括具有孔的顶部端盖，所述电极经由该孔通过。
40.如权利要求33的膜组件，其中所述内导向体的本体具有至少一个孔。
41.如权利要求33的膜组件，其中所述内导向体由挤出网状管材制得。
42.如权利要求33的膜组件，其中所述外框架的本体具有至少一个孔。
43.如权利要求33的膜组件，其中所述外框架由挤出网状管材制得。
44.如权利要求33的膜组件，其中所述接缝为螺旋形。
45.一种电沉积系统，其包括：
具有型材的膜组件，该膜组件包括：
具有第一侧边和第二侧边的所述型材膜，在沿着接缝的至少一个超声波焊接部位将该第一侧边与第二侧边连接在一起；
内导向体；以及
外框架；
电极；以及
包括涂料、溶剂和增溶剂的水溶液。
46.一种电沉积系统，其包括：
具有型材的膜组件，该膜组件包括：
具有第一侧边和第二侧边的所述型材膜，在螺旋型材接缝处将该第一侧边与第二侧边连接在一起；
内导向体；以及
外框架；
电极；以及
包括涂料、溶剂和增溶剂的水溶液。
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