DE69210184T2

DE69210184T2 - Verfahren und Vorrichtung zu der Überwachung einer elektrolytischen Behandlung eines Substrates

Info

Publication number: DE69210184T2
Application number: DE69210184T
Authority: DE
Inventors: Seiji Kawasumi; Akio Uesugi
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1991-11-05
Filing date: 1992-11-04
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2012-11-05
Also published as: EP0545092A2; EP0545092A3; DE69210184D1; EP0545092B1; JP2707381B2; US5328573A; JPH05125599A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer elektrolytischen Aufrauhbehandlung eines Materials gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 4.
Eine solche Einrichtung und ein Verfahren sind beispielsweise aus der JP-A-3 082 799 bekannt.
Es ist bekannt, eine Platte aus Aluminium (einschließlich Aluminiumlegierung) als Träger für eine Druckplatte zu verwenden beispielsweise als Träger für eine Offset-Druckplatte. In solchen Fällen ist eine geeignete Haftung und eine geeignete Menge Wasser zwischen der Oberfläche der Aluminiumplatte und einer fotoempfindlichen Schicht erforderlich. Um dies zu erreichen, muß die Oberfläche der Aluminiumplatte gleichmäßig und leicht aufgerauht sein. Wenn die Aluminiumplatte nicht leicht aufgerauht ist, wird sowohl die Druckfähigkeit als auch die Haltbarkeit der Druckplatte in starkem Maße beeinträchtigt. Folglich ist es wichtig, eine ausreichende Aufrauhung der Platte während ihrer Herstellung zu erreichen.
Im allgemeinen beinhaltet das Aufrauhen eines Aluminiumträgers einer Druckplatte die Verwendung eines elektrolytischen Wechsel-Ätzverfahrens, welches wiederum die Verwendung eines Wechselstroms (d.h. eine Sinuswellenform, eine Rechteckwellenform, eine spezielle wechselnde Wellenform etc.) umfaßt. Die Aufrauhbehandlung der Aluminiumplatte wird unter Verwendung einer Graphitelektrode oder ähnlichem durchgeführt, die sich neben der Aluminiumplatte befindet, um einen Wechselstrom anzulegen. Die Platte wird gewöhnlicherweise nur einmal aufgerauht. Als Ergebnis davon ist die Tiefe der Löcher, die durch das Aufrauhverfahren über die gesamte Oberfläche der Platte entstehen, klein und die Haltbarkeit der aufgerauhten Druckplatte für die Druckanwendungen wird gering. Daher wurde eine Vielzahl von Verfahren vorgeschlagen, um eine gleichmäßig und dicht aufgerauhte Aluminiumplatte mit tiefen Löchern, verglichen mit ihren Durchmessern, zu erhalten. Ein erstes Verfahren ist in der japanischen Offenlegungsschrift 53-67507 offenbart worden, wonach ein Aufrauhverfahren einen Strom einer bestimmten Wellenform für eine elektrolytische Quelle verwendet. Die japanische Offenlegungsschrift 54-65607 offenbart ein anderes Verfahren, welches das Verhältnis einer elektrischen Größe während einer positiven Periode und während einer negativen Periode während der Zeitdauer der wechselnden elektrolytischen Aufrauhung steuert. Ein weiteres Verfahren um die von der elektrolytischen Quelle bereitgestellte Wellenform zu steuern, offenbart die japanische Offenlegungsschrift 55-25381. Schließlich ist ein weiteres Verfahren aus der japanischen Offenlegungsschrift 56-29699 bekannt, welches sich auf das Steuern der Kombination von Stromstärke bezieht.
Die japanische geprüfte Patentschrift 61-60797 offenbart eine gleichmäßig aufgerauhte Oberfläche als ein Ergebnis des Anlegens eines Wechselstroms an die Aluminiumplatte, wobei wenigstens eine der positiven Perioden und negativen Perioden eine Ruheperiode von 0 Volt umfaßt&sub1; so daß die elektrische Größe der positiven Periode größer sein kann als diejenige der negativen Periode.
Wenn jedoch die Aluminiumplatte aus einer Legierung besteht, welche viele Materialien (beispielsweise JIS3003 Material) enthält, welche eine unregelmäßige Anzahl kleiner Mengen Bestandteile neben den Aluminiumatomen besitzt, wird wahrscheinlich die aufgerauhte Form übergehen und die Druckfähigkeit verändern.
Als ein Verfahren zum Lösen der obengenannten und anderen Problemen, insbesondere unter Verwendung einer wechselnden Wellenform, offenbart die JP-A-3082799 ein Verfahren (unter der Annahme, daß tf die positive Periode und tr die negative Periode darstellt) zum Anlegen eines Wechselstroms zwischen einen Aluminiumträger und eine Elektrode. Der Wechselstrom umfaßt Perioden, in denen der Strom Spitzenamplituden sowohl in den positiven und negativen Perioden tf und tr erreicht und ist auf den Bereich von 0,1 bis 20 % der jeweiligen Periode eingestellt, wodurch die Periode verkürzt wird, welche erforderlich ist, um die Spitzenamplituden zu erreichen. Dieses Verfahren ermöglicht dann eine Massenproduktion und erreicht eine gleichmäßige Aufrauhbehandlung, wenn eine Stromversorgung verwendet wird, die eine induktive Komponente umfaßt, die größer als die induktive Komponente einer Last ist und weiter eine Schaltung verwendet wird, um einen Wechselstrom durch eine Stromsteuerwechselschaltung zu erzeugen.
Jedoch erfordert eine Wellenform, die in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Verfahren gesteuert wird, eine große elektrische Leistung, wenn die Stromrichtung in der Last sich ändert. Die Ausgangswellenform besitzt eine trapezähnliche Form, deren obere Linie die Tendenz hat, nach rechts und oben anzusteigen. Als Ergebnis davon werden Löcher in verteilten Bereichen in dieser Periode gebildet.
Wenngleich das Verfahren, welches in der erwähnten Publikation offenbart ist, die Erfordernisse der gleichmäßiger Löcher erfüllt, kann eine noch bessere Druckfähigkeit und noch gleichmäßigere Löcher gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der elektrolytischen Behandlung zum Aufrauhen einer Metallplatte bereitzustellen, bei dem eine Metallplatte noch gleichmäßiger aufgerauht werden kann und wobei das Verfahren keine großen elektrischen Leistungen verbraucht.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden von einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 4 gelöst.
Fig. 1 illustriert eine Stromversorgungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 illustriert einen Tank zur elektrolytischen Behandlung einschließlich der Stromversorgungsschaltung der Fig. 1 zum Ausführen eines Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 3 und 4 illustrieren elektrische Stromverläufe gemäß den entsprechenden elektrolytischen Aufrauhbehandlungen.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr detailliert unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Stromversorgungsschaltung mit einer Gleichstromversorgungsquelle 22. Ein erster Abgriff der Gleichstromversorgungsquelle 22 ist mit einem Ende einer Gleichrichterspule 7 verbunden, die eine vorbestimmte Induktanz (L1) aufweist. Das andere Ende der Gleichrichterspule 7 ist mit einem Paar invertierender Elemente 2a und 2d gekoppelt. Jedes der invertierenden Elemente 2a und 2d sind entsprechend mit einem zweiten Paar invertierender Elemente 2c und 2b gekoppelt. Die invertierenden Elemente 2a, 2b, 2c und 2d werden als ein gateabschaltbarer Thyristor (GTO) verwendet, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht als diese invertierenden Elemente beschränkt, da viele andere Elemente verwendet werden können, um diese Funktion auszuführen.
Bezugnehmend auf Fig. 1 sind die invertierenden Elemente so angeordnet, daß sie eine Brückenschaltung bilden, worin ein erstes Paar invertierender Elemente 2a, 2d an einer Position A gekoppelt sind, welche einen ersten Ausgangsanschluß der Stromversorgungsschaltung bildet. Ein zweites Paar der invertierenden Elemente 2c, 2b sind an einer Position B gekoppelt, um den zweiten Ausgangsanschluß de Stromversorgungsschaltung zu bilden. Die Ausgangsanschlüsse A und B sind mit einer Brückenschaltung bestehend aus den Dioden 4a, 4b, 4c und 4d über einen Kondensator 1 und einen Kondensator 10 verbunden, um eine elektrische Ladung seriell bereitzustellen. Der Kondensator 1 ist ebenfalls mit einer Rückkopplungsschaltung 5 gekoppelt, der mit einer Wellenformerfassungsschaltung 6 einer Last 3 gekoppelt ist.
Die Ausgangsanschlüsse A und B sind ebenfalls mit der Last 3 verbunden, welche einen Transformator umfaßt, dessen Primärwicklung eine Induktanz L&sub2; besitzt. Die Induktanz L&sub2; wird aus einer Induktanz L&sub2; der Last 3 über den Transformator 9 umgewandelt, wodurch die Zeitdauer des Erreichens des Spitzenstromwerts an einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode verkurzt wird. Die Induktanz L&sub1; der Gleichrichtspule 7 ist wenigstens 10 mal so groß, wie der Wert der Induktanz der Last L&sub2;.
Im Betrieb wird ein Wechselstrom an den Ausgangsanschlüssen A und B der Brückenschaltung erzeugt durch Ein- und Ausschalten der Paare der invertierender Elemente über das Gatesignal, welches von den Dioden 4a bis 4d erzeugt wird.
Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur elektrolytischen Behandlung eines betreffenden Materials beispielsweise einer Aluminiumbahn 11. Die Aluminiumbahn 11 wird über eine erste Führungsrolle 13 entlang einer Trägertrommel 12 zu einer zweiten Führungsrolle 13 geführt. Die Trägertrommel 12 hält einen vorbestimmten Abstand zwischen der Bahn 11 und den Elektroden 16 aufrecht. Wenn die Bahn um die Trägertrommel 12 herumgeführt wird, wird sie in eine elektrolytische Lösung 14 eingetaucht, welche in erster Linie Salpetersäure oder Salzsäure enthält.
Die elektrolytische Lösung befindet sich in einem Behälter 20, der einen Vorratstank 19 aufweist zum Aufbewahren der elektrolytischen Lösung und weiterhin eine Pumpe 17 besitzt zum Zuführen der Lösung über einen Zuführeinlaß 21. Die Lösung wird über Uberströmabflüsse 15 zurückbefördert. Der Behälter umfaßt weiterhin Hauptelektroden 16, die aus Graphit gebildet sind. Weiterhin wird eine nicht gezeigte Hilfs-Gegenelektrode verwendet, um die Verschlechterung der Hauptelektroden 16 zu verhindern. Die Gegenelektrode ist mit einem Ausgangsanschluß der Stromversorgungsschaltung parallel zu den Hauptelektroden 16 angeschlossen. Die Hilfs-Gegenelektrode ist aus Platin, Blei oder ähnlichem Material, vorzugsweise Ferrit hergestellt.
Der elektrolytische Behälter 20 kann auch Einrichtungen aufweisen zum Messen und/oder Steuern von physikalischen Charakteristika der Einrichtung und der elektrolytischen Lösung, beispielsweise Temperatursteuerelemente und Filter zum Herausnehmen unerwünschter Partikel.
Die Stromversorgungsschaltung der Fig. 1 ist mit den Elektroden 16 gekoppelt und legt einen Wechselstrom an sie an. Wie oben beschrieben, umfaßt die Versorgungsschaltung 18 eine Gleichrichterspule 7 mit einer Induktanz, die größer ist als die Induktanz der Last 3 (d.h. Hauptgegenelektroden 16 des elektrolytischen Behälters 20 und Busleitung) und eine Stromwechselsteuerschaltung zum Anlegen des Wechselstroms von der Wechselstromseite. Die bevorzugte Frequenz des Wechselstroms zum Aufrauhen eines Aluminiumträgers der Druckplatte ist größer als 15 Hz, wenngleich die Frequenz eingestellt werden kann, um die erforderliche Qualität zu erhalten.
Eine elektrolytische Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Lösung, welche vorwiegend Salpetersäure oder Salzsäure enthält. Eine bevorzugte Konzentration der Salpetersäure ist in einem Bereich von 5 bis 50 g/l und eine bevorzugte Konzentration der Aluminiumionen in der elektrolytischen Lösung ist ein Bereich von 2 bis 20 g/l. Andererseits ist eine bevorzugte Konzentration der Salzsäure in einem Bereich von 5 bis 100 g/l und eine geeignete Konzentration der Aluminiumionen in einem Bereich von 2 bis 30 g/l. Zusätzlich besitzt der elektrolytische Strom vorzugsweise eine Dichte in einem Bereich von 10 bis 80 A/dm² und die Temperatur der elektrolytischen Lösung beträgt mehr als 30ºC, um eine gleichmäßige Aufrauhung zu erhalten.
Ein elektrolytisches Behandlungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Zunächst wird eine Vorbehandlung wie folgt durchgeführt.
Zuerst wird ein Aluminiumträger von einem alkalischen Mittel geätzt. Ein bevorzugtes alkalisches Mittel umfaßt Ätzsoda, Ätz- Poltasche, Metasilikat Soda, Natriumcarbonat, Natriumaluminat, Natriumglukat oder ähnliches mit einer Konzentration des alkalischen Mittels in einem Bereich von 0,001 bis 20 %.
Zweitens erfordern andere bevorzugte Bedingungen, daß die Temperatur der Ätzlösung sich in einem Bereich von 20 bis 90ºC befindet, die Ätzzeitdauer zwischen 5 Sekunden und 5 Minuten liegt und die Größe der Ätzung zwischen 0,01 und 5 g/m² liegt.
Drittens ist für einen Aluminiumträger, der einen relativ hohen Anteil von Verunreinigungen von Mangan oder ähnlichem aufweist, eine bevorzugte Ätzgröße in einem Bereich von 0,01 bis 1 g/m². Da zusätzlich fremde unlösliche Partikel auf der Oberfläche der Aluminiumplatte verbleiben können, kann eine Behandlung notwendig sein, um solche Partikel zu entfernen.
Nach dem Durchführen der Vorbehandlung, wie oben beschrieben, wird die Aluminiumplatte elektrochemisch in einer elektrolytischen Lösung aufgerauht unter Verwendung des Wechselstroms, der von der Stromversorgungsschaltung 18 erzeugt wird.
Eine elektrolytische Lösung, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann aus einer Lösung bestehen, die überwiegend Salpetersäure enthält mit einer Konzentration in einem Bereich von 3 bis 150 g/l, vorzugsweise 5 bis 50 g/l und einer Konzentration von Aluminiumionen nicht größer als 50 g/l vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 20 g/l. Alternativ dazu kann die elektrolytische Lösung aus einer Lösung bestehen, die vorwiegend Salzsäure mit eiher Konzentration in einem Bereich von 2 bis 250 g/l, insbesondere vorzugsweise 5 bis 100 g/l und einer Konzentration von Aluminiumionen nicht größer als 50 g/l und insbesondere vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 30 g/l enthält. In einigen Fällen ist es möglich, ein Additiv, beispielsweise ein Ammoniumion hinzuzufügen, jedoch ist es in diesem Fall schwierig, die Konzentration der Lösung für die Massenproduktion zu steuern.
Es ist auch bevorzugt, den elektrischen Strom mit einer Stromdichte in einem Bereich von 5 bis 100 A/dm² und vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 80 A/dm² bereitzustellen.
Die oben angegebenen Bereiche sind als Beispiele zu verstehen und beschränken in keinster Weise die vorliegende Erfindung, da es oft notwendig ist, viele verschiedene Bedingungen auszuwählen im Hinblick auf die gewünschte Qualität, die Beschaffenheit des Aluminiumträgers und ähnlichem.

Beispiel 1

Eine Stromversorgungsschaltung 18 der Fig. 1 mit einer Induktanz von L&sub1; = 10 mH wurde in einer elektrolytischen Behandlung verwendet. Der Wert der Induktanz in dem elektrolytischen Behälter betrug 10 µH und das Verhältnis (N) der Transformatorwindungen betrug 5:1. Daher betrug der Wert der Induktanz L&sub2; der Last an der Primärwicklung des Transformators = 10 µH x (5)² oder 0,25 mH. Daher war das Verhältnis von L&sub1; zu L&sub2; gleich 40 (d.h. 10/0,25).
Eine elektrolytische Lösung wurde vorbereitet mit einer Konzentration Salpetersäure von 10 g/l, eine Konzentration der Aluminiumionen in der elektrolytischen Lösung von 7 g/l und einer Temperatur von 55ºC.
Das elektrolytische Aufrauhverfahren wurde mit einer Spannung von 20 V durchgeführt, die an den Kondensator 1 in der Stromversorgungsschaltung 18 angelegt wurde, während des Anlegens des elektrischen Stroms an dem elektrolytischen Behälter 20. Weiterhin wurde während der Behandlung die elektrische Größe der positiven Elektrode mit 300 Coulomb bestimmt und die Frequenz des Wechselstroms betrug 40 Hz. Wenn der Stromverlauf gerade vor dem elektrolytischen Behälter von einem Oszilloskop betrachtet wurde, wurde festgestellt, daß der obere Bereich der Wellenform auf seinem Pegel blieb und eine trapezförmige Form besaß, wie in Fig. 3 dargestellt. Nach dem Aufrauhen wurde ein Elektronenmikroskop verwendet, um die Oberfläche zu betrachten, wo gleichmäßige Löcher in die Platte eingeformt waren.

Vergleichsbeispiel 1

Der gleiche elektrolytische Behälter und die elektrolytische Lösung, die in Beispiel 1 verwendet wurden&sub1; wurden in diesem Vergleichsbeispiel 1 verwendet. Die elektrolytische Aufrauhbehandlung wurde mit einer Induktanz L&sub1; gleich 1 mH der Gleichrichterspule 7 in der Stromversorgungsschaltung 18 ausgeführt. Alle anderen Bedingungen des Vergleichsbeispiels 1 waren die gleichen, wie im Beispiel 1. Folglich betrug das Verhältnis der Induktanzen L&sub1;/L&sub2; gleich 4 (d.h. 1/0,25).
Bei Betrachten des Stromverlaufs mittels eines Oszilloskops sieht man, daß ein oberer Bereich der Wellenform anstieg und Schwingungen besaßt, wie in Fig. 4 gezeigt. Nach dem Aufrauhen wurde die Oberfläche der aufgerauhten Platte wiederum betrachtet und es wurden Löcher in der Platte gefunden, die nicht gleichförmig waren und eine Tiefe zwischen 10 bis 20 µm besaßen.
Gemäß dem elektrolytischen Behandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird der flache obere Bereich des Stromverlaufs auf dem gleichen Niveau gehalten und das elektrolytische Aufrauhverfahren wird mit optimalen Bedingungen für die Löcher durchgeführt. Zusätzlich sind die Kosten für die elektrische Stromversorgung gering&sub1; was für eine Massenproduktion erforderlich ist.

Claims

1. Einrichtung zum Unterziehen eines Materials (11), vorzugsweise einer Aluminiumbahn oder einer Bahn aus Aluminiumlegierung einer elektrolytischen Aufrauhbehandlung, umfassend:

einen Tank (20) zum Speichern einer elektrolytischen Lösung (14);

eine Last (3) mit einem Transformator (9), dessen Primärwicklung eine erste Induktanz (L2) aufweist, und mit ersten und zweiten Elektroden (16), die in dem Tank (20) angeordnet sind, wobei jede der ersten und zweiten Elektroden wenigstens eine Fläche in Kontakt mit der elektrolytischen Lösung (14) besitzen;

eine Einrichtung (12, 13) zum Befördern des Materials durch die elektrolytische Lösung (14) und die neben den ersten und zweiten Elektroden (16) angeordnet ist;

eine Stromversorgungsschaltung (18), die erste und zweite Ausgangsanschlüsse (A, B) aufweist, die entsprechend mit den ersten und zweiten Elektroden (16) gekoppelt sind, wobei die Stromversorgungsschaltung eine Einrichtung (2a bis 2d) aufweist zum Erzeugen eines Wechselstromes, eine Einrichtung zum Anlegen des Wechselstromes über eine Gleichrichterspule (7) an die ersten und zweiten Ausgangsanschlüsse;

dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterspule eine Induktanz (L1) aufweist, die wenigstens um das Zehnfache größer ist als die erste Induktanz (L2) des Transformators.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, worin die Stromversorgungsschaltung (18) eine Gleichstromversorgungsquelle aufweist, ein erstes Paar von invertierenden Elementen (2a, 2b), die mit dem ersten Ausgangsanschluß (A) gekoppelt sind; ein zweites Paar von invertierenden Elementen (2c, 2d), die mit dem zweiten Ausgangsanschluß (B) gekoppelt sind; und eine Einrichtung zum Einund Ausschalten der ersten und zweiten Paare von invertierenden Elementen in abwechselnder Weise, um so einen Wechselstrom auszugeben.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, worin die invertierenden Elemente (2a bis 2d) gatterabschaltbare Thyristoren sind.

4. Verfahren zum elektrochemischen Auf rauhen einer Oberfläche einer Metallplatte, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, umfassend die folgenden Schritte:

Bereitstellen der Metallplatte (11);

Kontaktieren der Platte mit einer elektrolytischen Lösung (14);

Anlegen eines Wechselstromes, der von einer Stromversorgungsschaltung (18) erzeugt wird, die eine Gleichrichterspule (7) aufweist, an die Platte über daneben angeordnete Elektroden (16), die mit dem Wechselstrom von einem Transformator (9) und der Lösung versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterspule (7) eine Induktanz (L1) aufweist, welche wenigstens zehnfach größer ist als die Induktanz (L2) der Primärwicklung des Transformators (9).

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die elektrolytische Lösung Salpetersäure mit einer Konzentration in einem Bereich von 3 bis 150 g/l und eine Konzentration von Aluminiumionen nicht größer als 50 g/l aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die elektrolytische Lösung (14) Salpetersäure mit einer Konzentration in einem Bereich von 5 bis 50 g/l und eine Konzentration von Aluminiumionen in einem Bereich von 2 bis 20 g/l aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, worin die elektrolytische Lösung (14) Salzsäure mit eine Konzentration in einem Bereich von 2 bis 250 g/l und einer Konzentration von Aluminiumionen nicht größer als 50 g/l aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die elektrolytische Lösung Salzsäure mit einer Konzentration in einem Bereich von 5 bis 100 g/l und eine Konzentration von Aluminiumionen in einem Bereich von 2 bis 30 g/l aufweist.