DE10009935A1 - Verfahren zum anodischen Oxidieren metallischer Innenfläche eines kapillarähnlichen Hohlraums - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die metallischen Innenflächen eines kapillarähnlichen Hohlraumes anodisch zu oxidieren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Hohlraum von einem Elektrolyten durchströmt wird, die Innenflächen mit der Anode einer Spannungsquelle verbunden werden und in den Elektrolyten außerhalb des Hohlraums eine Elektrode eingetaucht wird, die mit der Kathode der Spannungsquelle verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anodischen Oxidieren der Innenflächen von kapillarähnlichen Hohlräumen gemäß dem Pa­ tentanspruch.

Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, metallische Innenflä­ chen von kapillarähnlichen Hohlräumen anodisch zu oxidieren. Durch die anodische Oxidation werden metallische Oberflächen, insbesondere solche aus Aluminium, aber auch aus Magnesium, Ti­ tan, Zirkon etc., auf elektrochemischem Weg mit einer Oxid­ schicht versehen. Die anodische Oxidation ist ein übliches tech­ nisches Verfahren, mit dem Aluminiumoberflächen mit einer Schutzschicht versehen werden. Für die Behandlung der Innenflä­ chen von kapillarähnlichen Hohlräumen wurde die anodische Oxida­ tion bisher jedoch nicht eingesetzt, da sie hierfür nicht geeig­ net erschien.

In dem Lehrbuch von W. Hübner und C.-Th. Speiser: "Die Praxis der anodischen Oxidation des Aluminiums", 4. Auflage 1988, Alu­ minium-Verlag Düsseldorf, wird im Abschnitt 3.2: Konstruktive Gegebenheiten des Werkstücks (Seite 19) der folgende Hinweis ge­ geben: "Besonders unangenehm und daher möglichst zu vermeiden sind kapillare Hohlräume, enge Spalten, Falze, hohle Wülste (. . .). Sie alle halten die Badflüssigkeit kapillar zurück, ver­ hindern die Oxidation bis zum Grund sowie auch sauberes Spülen und werden dadurch später zu Korrosionsherden. In Abschnitt 5.2.3: Kontaktvorrichtungen zur Innenoxidation von Hohlkörpern (S. 86) heißt es: "Bei der anodischen Oxidation von Hohlkörpern reicht die an sich gute Streu- und Tiefenwirkung des Stromes nicht mehr zur Ausbildung einer gleich guten Oxidschicht sowohl im Innern des Hohlkörpers wie auf seiner Außenseite aus, sobald dessen Tiefe größer ist als sein Durchmesser oder falls er eine enge Öffnung aufweist. Solche Behälter werden deshalb nach Bild 5.67 mit einer Innenelektrode versehen, wobei diese gleichzeitig zur Luftzufuhr dient." Bei kapillarähnlichen Hohlräumen ist je­ doch eine Innenelektrode nicht einsetzbar.

Vorrichtungen mit kapillarähnlichen Hohlräumen sind beispiels­ weise Mikroreaktoren und Mikrowärmetauscher, wie sie etwa aus den Druckschriften DE 44 16 343 A1, DE 195 40 292 C1 und DE 197 03 779 A1 bekannt sind. Diese Mikroreaktoren und Mikrowärmetau­ scher sind aus mit Nuten versehenen, gestapelten Metallfolien zusammengesetzt.

In dem Beitrag von G. Wießmeier, K. Schubert und D. Hönike: "Monolithic Microreactors Possessing Regular Mesopore Systems for the Successful Performance of Heterogeneous Catalysed Re­ actions" in den Proceedings of the First International Confe­ rence on Microreaction Technology, Frankfurt, February 13-25, 1997 wird über ein Verfahren berichtet, Mikroreaktoren anodisch zu oxidieren und anschließend mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung zu versehen. Bei diesem Verfahren wird nicht der vollständige Mikroreaktor oxidiert; vielmehr werden die mit den Nuten versehenen Metallfolien, die den Mikroreaktor bilden, vor dem Zusammenbau einzeln anodisch oxidiert. Die Metallfolien werden in ein Bad eines Elektrolyten getaucht und mit der Anode einer Spannungsquelle verbunden. In das Bad taucht außerdem eine Elektrode ein, die mit der Kathode der Spannungsquelle verbunden ist. Zur Kühlung der Badflüssigkeit wird ein Teil des Bades über eine Elektrolytpumpe und einen Wärmetauscher umgewälzt. Bei diesem Verfahren werden somit die offenen Nuten einzelner Me­ tallfolien einem im wesentlichen stationären Elektrolyten ausge­ setzt. Ein Problem bei diesem Verfahren besteht darin, daß die Oxidschicht auf den Metallfolien die Verbindung zu einem dichten Mikroreaktor behindert. Durch eine partielle Entfernung der Oxidschicht besteht jedoch die Gefahr, daß die Oxidschicht auch an anderen Stellen beschädigt wird. In dem Lehrbuch von W. Hüb­ ner und C.-Th. Speiser wird in dem bereits zitierten Abschnitt 3.2 erwähnt, daß die Anodisierung immer am fertig bearbeiteten Stück erfolgen sollte, denn jede Nacharbeit würde die Oxid­ schicht zerstören.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzuge­ ben, mit dessen Hilfe metallische Innenflächen eines kapilla­ rähnlichen Hohlraumes unmittelbar anodisch oxidiert werden kön­ nen, ohne daß der Hohlraum nachträglich durch Zusammensetzen von Einzelteilen gebildet wird.

Die Aufgabe wird durch das im Patentanspruch beschriebene Ver­ fahren gelöst.

Unter "kapillarähnlicher Hohlraum" soll im folgenden ein Hohl­ raum verstanden werden, dessen Form dem Innenraum eines beidsei­ tig offenen, geraden oder gekrümmten Rohres mit einem beliebigen Querschnitt entspricht, wobei die Länge des Hohlraums mindestens das Zehnfache des Querschnitts beträgt. Hohlräume dieser Art sind beispielsweise die Kanäle der Mikroreaktoren und Mikro­ wärmetauscher, die in den eingangs zitierten Druckschriften be­ schrieben werden, deren Querschnitt oder Durchmesser im Bereich zwischen 50 und 500 µm liegt und in die keine Elektrode einge­ setzt werden kann, ohne daß es bei der praktischen Durchführung des Verfahrens zu einem Kurzschluß kommt.

Erfindungsgemäß wird der kapillarähnliche Hohlraum von einem Elektrolyten durchströmt, wobei die Innenfläche des Hohlraums mit der Anode einer Spannungsquelle verbunden wird. Werden Mi­ kroreaktoren der beschriebenen Art anodisch oxidiert, werden die Kanäle der Mikroreaktoren mit Hilfe einer Elektrolytpumpe, die ausgangsseitig mit einem Mikroreaktor verbunden ist, durchströmt. Die Kathode kann in die Elektrolytleitung zwischen Pumpe und Hohlraum oder in eine Elektrolytleitung, die sich in Strömungs­ richtung an den Hohlraum anschließt, integriert werden. An sich ist eine einzige Kathode ausreichend. Vorzugsweise werden zwei symmetrisch zu dem kapillarähnlichen Hohlraum angeordnete Katho­ den eingesetzt, um ein homogeneres Feld zu erhalten. Der Abstand der Kathode(n) zu dem kapillarähnlichen Hohlraum sollte zwischen 1 und 80 mm betragen. Bei geringeren Abständen besteht die Ge­ fahr eines Kurzschlusses, während bei größeren Abständen die Oxidation sehr langsam verläuft.

Als Elektrolyten werden die üblicherweise für die anodische Oxi­ dation eingesetzten Elektrolyten eingesetzt. Ebenso werden die Spannung und die Dauer der anodischen Oxidation in an sich be­ kannter Weise gewählt.

Die Erfindung ist nicht auf die Oxidation von Aluminium oder Aluminiumlegierungen beschränkt. In analoger Weise lassen sich andere metallische Oberflächen oxidieren. Die Oberflächen können sowohl aus einem Metall als auch aus einer Metallegierung bestehen. Ein Einsatzgebiet solcher Metalloxid-Oberflächen stellt insbesondere die heterogene Katalyse dar. Einige Metall­ oxide sind für chemische Reaktionen unmittelbar katalytisch wirksam. Die durch die anodische Oxidation geschaffene Metall­ oxid-Oberfläche kann jedoch auch entsprechend den zitierten proceedings weiter bearbeitet werden, um eine gewünschte, kata­ lytisch wirksame Oberfläche mit einer vorgegebenen Porosität herzustellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels und zwei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch den Versuchsaufbau, mit dem das Bei­ spiel durchgeführt wurde.

Fig. 2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme (REM) der Frontseite des gemäß dem Beispiel anodisch oxidierten Gegen­ stands.

Beispiel Anodische Oxidation eines Mikrostrukturreaktors

Fig. 1 zeigt die verwendete Versuchsanordnung.

Die Kanäle eines diffusionsgeschweißten Kreuzstrom-Mikrostruk­ turreaktors aus der Metallegierung AlMg₃, welcher 780 Kanäle pro Passage mit den Abmessungen 200 × 100 µm und einer Länge von 20 mm aufweist, wurde anodisch oxidiert. Als Elektrolyt wurde 1,5 Gew.-% Oxalsäure in Wasser verwendet. Die Versuchsdurchführung erfolgte mit dem potentiostatischen Gleichstromverfahren.

Der anodisch zu oxidierende Mikrostrukturreaktor 1 wurde in die Halterung 2 eingeklemmt. Die Halterung hatte zwei Öffnungen, welche als Ein- und Austrittsöffnungen für den Elektrolyten diente. Die Zuführung des Elektrolyten erfolgte über eine Rohr­ leitung aus einem Ausgleichsbehälter 8 über eine Membranpumpe 4, wobei sich im Einlauf- und Auslaufbereich der Halterung 2 zwei Aluminium-Elektroden 3 befanden. Diese wurden als Kathode und der Mikrostrukturreaktor als Anode an die Gleichstromversorgung 5 angeschlossen. Um eine konstante Temperatur während des Eloxiervorgangs zu gewährleisten, wurde der Elektrolyt im Aus­ gleichsbehälter 8 mittels eines Thermostaten 9 auf konstanter Temperatur gehalten.

Es wurden die folgenden Verfahrensparameter eingestellt:
Gleichspannung 50 V
Elektrolyttemperatur 12°C
Abstand der Kathoden vom Mikrostrukturreaktor 10 mm
Eloxierzeit 6 h

Anschließend wurde eine Schichtdickenbestimmung mit Hilfe von REM-Aufnahmen durchgeführt. Von dem anodisch oxidierten Mi­ krostrukturreaktor wurden über die gesamte Kanallänge mehrere Schliffe angefertigt und die durch die anodische Oxidation er­ zielten Schichtdicken anhand der erhaltenen Bilder vermessen.

Fig. 2 zeigt die REM-Aufnahme einer Frontseite des Mikrostruk­ turreaktors, an der das Oxid durch mechanische Bearbeitung ent­ fernt wurde.

Es zeigte sich, daß die Aluminiumoxid-Schichtdicke in allen Ka­ nälen über die gesamte Kanallänge zwischen 20 und 21 µm betrug.

Claims (1)

1. Verfahren zum anodischen Oxidieren metallischer Innenflächen ei­ nes kapillarähnlichen Hohlraums, bei dem

• a) der Hohlraum von einem Elektrolyten durchströmt wird,
• b) die Innenflächen mit der Anode einer Spannungsquelle verbun­ den werden und
• c) in den Elektrolyten außerhalb des Hohlraums eine Elektrode eingetaucht wird, die mit der Kathode der Spannungsquelle verbunden ist.