ES2243931T3 - Superficies de aluminio para fines luminotecnicos. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN RECEPTOR PARA RAZONES TECNICAS DE LUZ, CONTENIENDO UNA SUPERFICIE REFLECTORA A BASE DE ALUMINIO Y UNA CAPA DE BLOQUEO TRANSPARENTE, ASI COMO LIBRE DE POROS PROTECTORA A BASE DE OXIDO DE ALUMINIO GENERADO DE FORMA ANODICA CON UN CONSTANTE DE DIELECTRICIDAD ECO EN 20 HASTA 10,5, DONDE LA CAPA DE BLOQUEO MUESTRA UNA DENSIDAD DE CAPA D, QUE CORRESPONDE A LAS SIGUIENTES CONDICIONES A) PARA INTERFERENCIA CONSTRUCTIVA: D.N = K.{LA}/2 MAS MENOS NM O B) PARA LA OBTENCION DE UNA SUPERFICIE REFLECTORA DE TONOS DE COLORACION: [K.{LA}/2 + 20 NM] < D.N < [(K+1).{LA}/2 - 20 NM] O C) PARA LA UTILIZACION COMO MATERIAL DE SALIDA EN LA ELABORACION DE REFLECTORES CON MULTICAPAS DE REFLEXION ALTA LI/HI: D.N = L.{LA}/4 MAS MENOS NM, DONDE N ES EL INDICE DE REFRACCION DE LA CAPA DE BLOQUEO, {LA} ES LA LONGITUD DE ONDA MEDIA DE LA LUZ RADIADA QUE INCIDE SOBRE LA SUPERFICIE REFLECTORA, K ES UNA CIFRA NATURAL Y L ES UNA CIFRA NATURAL NO EXACTA. LA DENSIDAD DE CAPA DE LA CAPA DE BLOQUEO SE ENCUENTRA ENTRE 60 Y 490 NM Y VARIA A TRAVES DE LA SUPERFICIE COMPLETA DE ALUMINIO A BASE DE ALUMINIO APROXIMADAMENTE MAS MENOS 5 %.

Description

Superficies de aluminio para fines luminotécnicos.

El presente invento se refiere a un procedimiento para la producción de un reflector según el preámbulo de la reivindicación 1.

Se conocen reflectores con superficies abrillantadas de aluminio purísimo o de aleaciones de AlMg para la obtención de una reflexión de luz dirigida o difusa. Para conseguir un brillo duradero, las superficies abrillantadas se protegen habitualmente con un recubrimiento orgánico o inorgánico o con una capa de óxido. En este caso las capas de óxido se pueden preparar por oxidación química o aniónica. Los recubrimientos orgánicos pueden estar preparados por barnizado, por recubrimiento con polvos o por deposición a la llama o por forrado con una lámina de material sintético. Los recubrimientos inorgánicos pueden ser capas por PVD (physical vapour deposition (deposición física por vapor)), por CVD (chemical vapour deposition (deposición química por vapor)), por esmaltado o por plasma.

Para la producción de superficies de reflector está ampliamente extendida la aplicación por PVD, sobre vidrio, de capas muy finas de Al de alta pureza, las cuales se protegen en general por medio de una capa protectora de, por ejemplo, Al_{2}O_{3} por PVD, SiO_{2} por PVD o de una capa de barniz. A causa del bajo espesor de capa, las capas de Al por PVD en general no se pueden anodizar.

En el Journal of the Optical Society of America, Vol. 39, nº 7, julio 1949, páginas 532-540, G. Hass describe la preparación de capas aislantes de óxido de aluminio por anodización de aluminio vaporizado sobre vidrio, presentando estas capas aislantes un espesor de capa controlable de forma precisa.

En Academic Press, New York, 1961, capítulo 17: Aluminium II. Non-porous films, páginas 211-221, L. Young describe la estructura celular de óxido de aluminio poroso y no poroso, su contenido en agua y compara un gran número de capas de óxido de otros autores. Las comparaciones y las consideraciones realizadas apuntan a la utilización de láminas de Al oxidado para condensadores.

En el Journal of the Optical Society of America, Vol. 44, nº 10, octubre 1954, páginas 810-813, G. Hass describe la producción de capas que aumentan la reflexión, en las que la capa que aumenta la reflexión se compone de Al_{2}O_{3}/TiO_{2} y la producción de la capa de Al_{2}O_{3} tiene lugar por anodización de aluminio vaporizado sobre vidrio.

La deposición de capas de Al_{2}O_{3} por PVD o de capas de SiO_{2} por PVD es cara y la deposición de capas de barniz, laboriosa, debido a la homogeneidad de espesor de capa necesaria para conseguir buenas propiedades de reflexión. Además, las capas de barniz presentan en general bajas propiedades mecánicas, como por ejemplo la resistencia a los arañazos y, con frecuencia, una baja estabilidad frente a la radiación UV.

Otra capa de cierre utilizada con frecuencia hasta ahora para superficies de reflector se prepara por oxidación anódica con corriente continua en un electrolito de ácido sulfúrico. Aunque la capa de cierre resultante presenta un espesor de capa regular, habitualmente muestra, sin embargo, una alta porosidad debida al procedimiento. Comúnmente, la oxidación anódica en electrolitos de ácido sulfúrico se designa como procedimiento GS (Gleichstrom-Schwefelsäureverfahren (procedimiento con corriente continua y ácido sulfúrico). En este caso -para conseguir suficientes propiedades de reflexión- las superficies de aluminio previstas como superficies de reflexión se abrillantan habitualmente por vía química o electrolítica y, a continuación, se protegen por medio de, por ejemplo, el procedimiento GS con una capa de cierre transparente. En el procedimiento GS las concentraciones de ácido sulfúrico se encuentran típicamente en el 20% en peso, las temperaturas del electrolito en 15 a 30ºC, la tensión continua aplicada, en 12 a 30 V, alcanzando la densidad de corriente hasta 1 a 3 A/dm^{2}. Los espesores de capa conseguidos en este caso miden típicamente 1 a 10 \mum. Las capas obtenidas son desde incoloras a amarillentas.

La capa de óxido producida por el procedimiento GS consta generalmente de dos capas: una capa de base o de cierre, muy fina, libre de poros y una capa de cubrición porosa. Los poros se forman por la nueva disolución química parcial de la capa de óxido en las superficies expuestas al electrolito. El espesor total de la piel de óxido alcanza su límite superior cuando se equilibran crecimiento y nueva disolución, lo cual depende de la composición del electrolito, de la densidad de corriente y de la temperatura del electrolito.

Para obtener una protección suficiente frente a la corrosión hay que compactar las capas porosas que se forman en el procedimiento GS. Esto se lleva a cabo habitualmente con agua hirviendo (>96ºC) o con vapor de agua (>98ºC). En esta poscompactación hidrotérmica (sealing (sellado)) el óxido de aluminio se hincha por absorción de agua, de modo que los poros se cierran. En este proceso, una parte del óxido de aluminio se transforma en monohidrato de
aluminio.

Sin embargo, en la compactación posterior en agua hirviendo o en vapor de agua se forman con frecuencia deposiciones sellantes de buena adherencia (llamadas natas) no deseadas, las cuales por influencias atmosféricas forman deposiciones molestas, que van desde no tener brillo hasta ser irisantes y que dan lugar a colores de interferencia. Por ello, las deposiciones sellantes deben ser eliminadas con agentes abrasivos. Una posibilidad para impedir tales depósiciones sellantes consiste en utilizar baños especiales de compactación posterior.

Las capas de óxido anódicas formadas en ácido sulfúrico sólo son incoloras y de transparencia cristalina sobre aluminio purísimo y sobre aleaciones de AlMg o AlMgSi a base de aluminio purísimo (Al \geq 99,85% en peso). Sobre la mayor parte de las aleaciones para construcción se forman capas más o menos turbias como consecuencia de las segregaciones heterogéneas presentes en la estructura. Además, en el caso de un tratamiento térmico desfavorable, en la mayor parte de las aleaciones tiene lugar una desmezcladura en la estructura, lo que conduce a coloraciones grises, como por ejemplo manchas de estancamiento de calor.

En el caso de capas porosas de cierre de la superficie producidas por medio del procedimiento GS sobre superficies de aluminio, las cuales para reflectores presentan típicamente un espesor de capa de 1 a 10 \mum, especialmente en el caso de materiales menos puros, como por ejemplo Al 99,85, Al 99,8, Al 99,5, pueden quedar incorporados en la capa de óxido componentes de la aleación tales como, por ejemplo, fases intermetálicas ricas en Fe o Si, las cuales dan lugar después a una no deseada absorción de luz y/o a dispersión de la luz, es decir, la luz se refleja en numerosos ángulos espaciales. En consecuencia, los valores luminotécnicos existentes después del abrillantado electrolítico tales como, por ejemplo, la reflexión total o la reflexión dirigida, se ven afectados perjudicialmente por la anodización GS.

Por el alto grosor de capa, condicionado por el procedimiento, de las capas de óxido anódicas producidas con el procedimiento GS, disminuye el grado de reflexión de la superficie por absorción y dispersión de la luz. Por último, la capa de óxido anódica, en la zona habitual de espesor de capa de 1 a 3 \mum, presenta con frecuencia efectos de interferencia perturbadores, la denominada irisación.

Un procedimiento del tipo mencionado al comienzo se da a conocer en el documento EP-A-0 495 755, en la página 2, líneas 4-17.

Misión del presente invento es evitar las desventajas mencionadas y proponer un procedimiento para la producción de reflectores para fines luminotécnicos, que contengan al menos una superficie o al menos parte de una superficie, que haga posible una reflexión de la luz incidente lo más exenta posible de pérdidas.

Conforme al invento esto se consigue por un procedimiento con las características de la reivindicación 1.

El índice de refracción n, debido a la dispersión, depende de la longitud de onda, es decir, en el texto presente n se refiere siempre a la longitud de onda correspondiente de la luz que incide sobre la superficie de reflexión.

Las superficies de aluminio necesarias para el procedimiento conforme al invento se pueden referir a superficies de piezas en general, bandas, chapas o láminas de aluminio, así como a capas de cubrición de aluminio de cuerpos de materiales compuestos, en especial capas de cubrición de aluminio de placas compuestas, o a materiales arbitrarios, por ejemplo capas de aluminio -depositadas electrolíticamente-. En una ejecución preferida, el objeto que contiene la superficie de aluminio corresponde a una pieza de aluminio que se fabricó, por ejemplo, por un proceso de laminación, extrusión, forja o prensado.

Con el material aluminio se abarcan en el presente texto el aluminio en todos los grados de pureza, así como todas las aleaciones de aluminio. El concepto aluminio abarca en especial todas las aleaciones de aluminio para laminación, aleaciones forjables, de moldeo, de forja y de estampación. Las superficies de aluminio pueden estar constituidas por aleaciones de aluminio de alta pureza, de una pureza de 99,99% en peso de Al, y superior, por ejemplo de material chapeado, o presentar una pureza de 99,5 a 99,99% en peso de Al. Preferentemente, las superficies de aluminio de los reflectores conformes al invento presentan una pureza menor que 99,99% en peso de Al, en especial una pureza de 99,5 a 99,98% en peso de Al. Sin embargo, de modo especialmente preferido, las superficies de Al presentan una superficie de 99,8 a 99,98% en peso de Al.

Sobre superficies de aluminio de una pureza de 99,5 a 99,98% en peso, las capas de cierre no muestran ningunas variaciones luminotécnicas esenciales de las propiedades de superficie de las superficies originales de aluminio, es decir, el estado de superficie de las superficies de aluminio después de la deposición de la capa de cierre se conserva ampliamente tal como era, por ejemplo, después del abrillantado. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que la pureza del metal de la capa de superficie puede ejercer muy bien una influencia, por ejemplo sobre el resultado del abrillantado de una superficie de aluminio, puesto que -en relación con el abrillantado de superficies de aluminio- se aplica, como es sabido: cuanto más impuro sea el aluminio tanto peor será el resultado del abrillantado y, con ello, de sus propiedades reflectoras.

Las superficies de aluminio pueden tener formas arbitrarias y eventualmente pueden estar estructuradas. En el caso de superficies de aluminio laminadas éstas pueden estar tratadas, por ejemplo, con cilindros de alto abrillantado o con cilindros con diseño. Una utilización preferida de superficies de aluminio estructuradas se encuentra, por ejemplo, para reflectores en la iluminación de luz solar, aplicándose en especial superficies estructuradas con dimensiones de estructura de 0,1 a 1 mm.

La capa de cierre muestra un espesor de capa constante sobre toda la superficie de aluminio, que no varía más de \pm 5%. Esto permite, a partir de ahora, el empleo en luminotecnia de reflectores para la reflexión de ondas electromagnéticas con las menores pérdidas posibles, puesto que sólo el espesor de la capa de cierre homogéneo y reproducible permite utilizar los reflectores, por ejemplo para la reflexión con interferencia constructiva o para conseguir tonalidades de color exactamente definidas.

En primer lugar, para poder conseguir una interferencia constructiva y, en segundo lugar, para que la absorción de luz en la capa de cierre sea la menor posible, es esencial en el invento la exigencia de una capa de cierre transparente para las ondas electromagnéticas a reflejar. Otra característica esencial del procedimiento conforme al invento se refiere a la ausencia de poros en la capa de cierre. Para que sea lo menor posible la absorción de la luz que atraviesa la capa de cierre, así como una difícilmente controlable dispersión difusa que probablemente aparece por la presencia de poros, la capa de cierre tiene que estar exenta de poros. Bajo el concepto exenta de poros no se entiende aquí una ausencia absoluta de poros. Antes bien, la capa de cierre está esencialmente exenta de poros. En este caso, es importante que la capa de óxido de aluminio generada anódicamente no presente esencialmente ninguna porosidad debida al procedimiento. Como porosidad debida al procedimiento se entiende, por ejemplo, la utilización de un electrolito que disuelva el óxido de aluminio. En el presente invento la capa de cierre exenta de poros muestra especialmente una porosidad inferior al 1%.

La constante dieléctrica \varepsilon de la capa de cierre depende entre otras variables de los parámetros del procedimiento empleados durante la oxidación anódica para preparar la capa de cierre. Conforme al invento la constante dieléctrica \varepsilon de la capa de cierre a una temperatura de 20ºC se encuentra entre 6 y 10,5 y preferentemente entre 8 y 10.

El espesor de capa de la capa de cierre se elige preferentemente de modo que la superficie del reflector permita una interferencia constructiva de la luz reflejada. La condición para la interferencia constructiva se puede describir con d.n = k.\lambda/2, en donde d.n designa el espesor de capa óptico, n el índice de refracción, \lambda la longitud de onda media de la luz que incide sobre la superficie del reflector y k un número natural. Aquí hay que tener en cuenta, que la condición descrita con d.n = k.\lambda/2 para la interferencia constructiva sólo tiene validez exactamente para la luz que incide verticalmente sobre la superficie del reflector.

En cuanto al espesor de capa de la capa de cierre, se encontró que las propiedades de reflexión discurren en esencia periódicamente, siendo insuficientes para fines luminotécnicos las propiedades de reflexión con espesores de capa crecientes, en especial para capas con espesores de capa ópticos d.n mayores que 3.\lambda/2. Por ello, son preferidos espesores de capa que permitan una interferencia constructiva de la luz reflejada, y k es un número natural, siendo k preferentemente 1, 2 o 3 y, de forma especialmente preferida, 1 o 2. Debido a las propiedades de reflexión, el espesor de capa de la capa de cierre se encuentra preferentemente en la zona de espesores de capa comprendido entre 60 y 490 nm (nanometros) y, de modo especialmente preferido, entre 75 y 320 nm.

Los reflectores que contienen superficies de aluminio con capas de cierre, en los cuales el espesor de capa de la capa de cierre cumple la condición para una interferencia constructiva y se encuentra en la zona de espesor de capa de d.n = k.\lambda/2 \pm 20 nm, presentan esencialmente las mismas buenas propiedades de reflexión.

El índice de refracción n de la capa de cierre se encuentra adecuadamente entre 1,55 y 1,65. La longitud de onda \lambda corresponde de forma muy preferida a la longitud de onda media mejor perceptible para el ojo humano a la luz visible, la cual se encuentra aproximadamente en 550 nm.

En una forma de ejecución preferida, la capa de cierre está constituida de tal manera que presenta un espesor de capa d que corresponde a la condición para una interferencia constructiva d.n = k.\lambda/2 \pm 20 nm y que absorbe menos del 3% de la energía luminosa incidente.

Se encontró que capas de cierre formadas sobre superficies de aluminio abrillantadas, con un espesor de capa constante y homogéneo sobre toda la superficie del reflector, adquieren una tonalidad de color homogénea, cuando el espesor de capa d se selecciona conforme a la condición

[k \cdot \lambda/2 + 20 nm] < d \cdot n < [(k + 1) \cdot \lambda/2 - 20 nm]

Al contrario que la mayor parte de las capas que contienen colorantes estas tonalidades de color son sólidas a la luz. Además, utilizando un filtro de polarización es posible un refuerzo o un desvanecimiento de los aspectos de color.

En otra forma de ejecución la capa de cierre presenta un espesor de capa d según la condición d.n = l.\lambda/4 \pm 20 nm, en donde l designa un número natural impar. Los reflectores de esta clase son adecuados como material de partida para la producción de reflectores con capas LI/LH-multilayer, que aumentan la reflexión, es decir capas múltiples LI/HI. En este caso, LI/HI-Multilayer, es decir low/high-Index-Multilayer, significan capas múltiples constituidas al menos por dos capas con distinto índice de refracción. La combinación de dos capas dieléctricas con distinto índice de refracción que se encuentran sobre una superficie metálica, de las cuales la capa con el índice de refracción más bajo viene a quedar sobre la superficie metálica, permite una mejora de las propiedades de reflexión, en comparación con una única capa homogénea. Para una composición dada de la capa se puede conseguir la reflexión máxima cuando los espesores de capa de cada una de las capas vale \lambda/4 o un múltiplo impar de ello. En cuanto a la composición de los materiales de capa, se consiguen las mejores propiedades de reflexión cuando la diferencia de los índices de refracción de cada capa es la mayor posible.

Por el menor espesor de capa de la capa de cierre, en comparación con una capa de óxido por anodización GS, la primera de ellas presenta sólo unas pocas partículas extrañas responsables de la dispersión de la luz, o sea centros de dispersión, en la capa de protección. Además, en el caso de los reflectores producidos conforme al invento la absorción de la luz incidente, que depende linealmente del espesor de capa, es baja, por lo que resulta un aumento de la reflexión en comparación con conocidos reflectores con capas de óxido producidas, por ejemplo, con el procedimiento GS, especialmente cuando el espesor de capa de las capas de cierre se elige de forma que aparezca una interferencia constructiva. En comparación con los reflectores con capas de óxido por anodización GS, en las capas de cierre de los reflectores producidos conforme al invento las partículas extrañas alojadas en la capa de cierre tales como, por ejemplo, partículas de Fe, Si, AlFeSi, no repercuten fuertemente sobre la absorción, que influye en el total de la reflexión de la luz irradiada, ni sobre la dispersión de la luz, que influye en el brillo. Además, debido al escaso espesor de capa de la capa de cierre, la dispersión de la luz en los cantos doblados, especialmente la que resulta de grietas en la capa de óxido, es habitualmente despreciablemente baja.

Mientras que en el caso de las capas GS, debido a la variación del espesor de capa que se presentan en los grandes espesores de capa, se produce habitualmente una absorción selectiva de la luz y, por ello, se originan problemas de irisación, por el pequeño y muy constante espesor de capa sobre la superficie del reflector de la capa de cierre no se produce ninguna irisación (colores del arco iris). Además -debido al espesor de capa de la capa de cierre- las distancias de los planos de reflexión que llevan a la aparición de irisaciones son demasiado pequeñas. Por otra parte, en el caso de las capas GS las distancias de los planos de reflexión se encuentran en la zona de las ondas de la luz incidente, por lo cual se puede producir irisación.

Los reflectores con capas de óxido por anodización GS, debido a la fuerte absorción de la capa de óxido en la zona infrarroja, muestran en parte propiedades de reflexión discretas, por lo que éstos no se pueden emplear como reflectores IR. Frente a esto, los reflectores conformes al invento no muestran ninguna absorción esencial para las ondas IR con una longitud de onda de hasta aproximadamente 10 \mum.

Los reflectores producidos con el procedimiento conforme al invento, muestran también frente a los reflectores conocidos del estado actual de la técnica, en relación con alguna eventual elaboración posterior, la ventaja esencial de que, por ejemplo, al doblarlos no se forma ninguna grieta visible, los denominados cantos relucientes.

La tabla 1 siguiente muestra la comparación de propiedades de reflexión típicas, en especial las proporciones correspondientes de reflexión dirigida y dispersa, de una superficie brillante de aluminio sin capa de cierre y superficies brillantes de aluminio de distinta pureza, las cuales están provistas de una capa de cierre de 150 nm de espesor. La superficie brillante de aluminio sin capa de cierre presenta una pureza de 99,90% en peso de Al. Las superficies brillantes de aluminio de los reflectores provistos de una capa de cierre presentan una pureza de 99,50, 99,90 y, respectivamente, 99,98% en peso de Al. Los valores de reflexión indicados en la tabla 1 se midieron según DIN 5036 y representan, en cada caso, una magnitud luminotécnica, es decir los valores de reflexión medidos están sopesados con la sensibilidad luminosa del ojo. Como se reconoce en los valores indicados, la reflexión disminuye sólo mínimamente por la capa de cierre.

TABLA 1

	Reflexión total	Reflexión dirigida	Reflexión dispersa
99,9 de Al, abrillantada	92,6%	88,3%	4,3%
99,5% de Al, abrillantada, con capa de cierre	88,3%	76,3%	12,0%
99,9% de Al, abrillantada, con capa de cierre	92,0%	87,4%	4,6%
99,98% de Al, abrillantada, con capa de cierre	92,0%	90,5%	1,5%

El procedimiento conforme al invento permite la producción de capas de cierre finas, homogéneas y, respecto a la radiación electromagnética, transparentes al menos en la zona visible, con un espesor de capa homogéneo. Cuando la luz se propaga en un medio, por ejemplo aire, y entra en otro medio, por ejemplo óxido de aluminio, en el cual la velocidad de propagación de la luz es distinta (de otro índice de refracción), una parte de la luz que incide sobre la superficie es rechazada. Para obtener un reflector con propiedades de reflexión homogéneas sobre toda la superficie se necesitan, por tanto, capas homogéneas con espesores de capa uniformes.

En el caso del procedimiento de electrolisis conforme al invento al menos la superficie de aluminio a oxidar se provee de un estado de superficie predeterminado y definido y, a continuación, se introduce en un líquido conductor de la electricidad, el electrolito, y se conecta como ánodo a una fuente de tensión continua, utilizando habitualmente como electrodo negativo acero inoxidable, grafito, plomo o aluminio. Conforme al invento el electrolito está formado de modo que no disuelva químicamente el óxido de aluminio formado durante el proceso electrolítico, es decir, no tiene lugar ninguna nueva disolución del óxido de aluminio. En el campo de la tensión continua, se forma en el cátodo gas hidrógeno y en el ánodo gas oxígeno. El oxígeno que se forma en la superficie de aluminio genera durante el proceso, por reacción con el aluminio, una capa de óxido de espesor creciente. Puesto que la resistencia de la capa aumenta rápidamente con el espesor creciente de la capa de cierre, el flujo de corriente disminuye con la correspondiente rapidez y el crecimiento de la capa se detiene.

La producción conforme al invento de reflectores condiciona una superficie de aluminio limpia, es decir, la superficie de aluminio a oxidar por vía electrolítica, previamente al procedimiento conforme al invento, se tiene que llevar habitualmente a un tratamiento de superficie, el denominado tratamiento previo.

Generalmente las superficies de aluminio presentan una capa de óxido generado de forma natural, que frecuentemente, en virtud de su historia anterior, está impurificado por sustancias extrañas. Tales sustancias extrañas pueden ser, por ejemplo, restos de productos auxiliares para la laminación, aceites protectores para el transporte, productos de la corrosión o partículas extrañas incluidas por presión y similares. Con objeto de eliminar estas sustancias extrañas, las superficies de aluminio se tratan habitualmente por vía química con agentes para limpieza que ejerzan un cierto ataque decapante. Para ello son adecuados -junto a agentes desengrasantes acuosos de carácter ácido- en especial agentes desengrasantes alcalinos a base de polifosfato y borato. El decapado o ataque por medio de soluciones decapantes fuertemente alcalinas o ácidas, como por ejemplo lejía sódica o una mezcla de ácido nítrico y ácido fluorhídrico, representa una limpieza con una pérdida de material de media a fuerte. En este caso se elimina la capa de óxido natural y, con ella, también todas las impurezas incrustadas en ella. Al utilizar decapantes alcalinos fuertemente agresivos se forman con frecuencia depósitos de decapado, que tienen que ser eliminados por un tratamiento ácido posterior. El desengrasado de la superficie utilizando agentes de limpieza orgánicos o desengrasantes acuosos o alcalinos constituye una limpieza sin perdídas en la superficie.

Según el estado de la superficie será necesario también rebajar la superficie mecánicamente por agentes abrasivos. Un tratamiento previo de la superficie de tal naturaleza se puede llevar a cabo, por ejemplo, por lijado, chorreado, cepillado, o pulido y eventualmente se puede completar por un tratamiento químico posterior.

Las superficies de aluminio en estado metálico brillante muestran una capacidad de reflexión para la luz y de reflexión térmica muy alta. Cuanto más lisa sea la superficie tanto más alta es la reflexión dirigida y tanto más brillante parece la superficie. El mayor brillo se consigue sobre aluminio purísimo y sobre aleaciones especiales tales como, por ejemplo, AlMg o AlMgSi.

Una superficie altamente reflectante se alcanza, por ejemplo, por pulido, fresado, por laminación en la última pasada de laminación con rodillos pulidos en grado de alto brillo o por abrillantado por vía química o electrolítica. El pulido puede tener lugar, por ejemplo, con discos de trapo de paño blando y eventualmente utilizando una pasta para pulido. Al pulir por laminación, en la última pasada de laminación se puede imprimir adicionalmente en la superficie de aluminio una estructura de superficie previamente establecida, por ejemplo por medio de cilindros de acero grabados o atacados o con ayuda de un agente que presente una estructura previamente establecida, colocado entre los cilindros de laminación y el producto a laminar. El pulido químico tiene lugar, por ejemplo, aplicando una mezcla de ácidos de alta concentración a temperatura habitualmente elevada de aproximadamente 100ºC. Para el abrillantado electrolítico se pueden emplear electrolitos ácidos o alcalinos, siendo preferidos habitualmente los electrolitos ácidos.

Para mantener el brillo hay que proteger, respectivamente preservar, las superficies abrillantadas de las influencias químicas y físicas. Los procedimientos conocidos para ello del estado actual de la técnica, tales como la anodización GS o el recubrimiento con laca, presentan las desventajas debidas al procedimiento, ya descritas antes, como espesores de capa altos y de difícil control o una formación no homogénea de la capa.

El procedimiento conforme al invento proporciona capas de protección de la capa de cierre homogéneas, con espesores de capa uniformes, que en la zona visible son esencialmente transparentes, de modo que la reflexión de la luz puede tener lugar en la superficie límite entre capa de cierre/aluminio.

La producción electrolítica de capas de cierre conforme al presente invento, permite el control preciso del espesor de capa de la capa de cierre resultante. El espesor de capa máximo que se logra con el procedimiento conforme al invento en nanometros (nm) corresponde en primera aproximación a la tensión aplicada y medida en voltios (V), es decir, el máximo espesor de capa logrado está en función lineal respecto a la tensión de anodización. El valor exacto del máximo espesor de capa alcanzado en función de la tensión continua aplicada U, se puede determinar por medio de un sencillo experimento previo, y se encuentra entre 1,2 a 1,4 nm/V, en donde el valor exacto del espesor de capa, en función de la tensión aplicada, depende de los electrolitos utilizados, es decir de su composición, así como de su temperatura.

Empleando un electrolito no redisolvente, las capas de cierre están prácticamente exentas de poros, es decir los poros que eventualmente se presenten son el resultado, por ejemplo, de impurezas en el electrolito o de defectos de la estructura en la capa de superficie del aluminio, pero sólo son inapreciables por disolución del óxido de aluminio en el electrolito. Puesto que la resistencia eléctrica de la capa de óxido crece fuertemente durante la formación de la capa de óxido, se necesitan tensiones claramente superiores en comparación con el procedimiento GS.

Como electrolitos no redisolventes se pueden emplear en el procedimiento conforme al invento, por ejemplo, ácidos orgánicos o inorgánicos, por regla general diluidos con agua, con un valor del pH de 2 y superior, preferentemente de 3 y superior, en especial de 4, y superior de 7 e inferior, preferentemente de 6 e inferior, en especial de 5,5 e inferior. Se prefieren electrolitos elaborables en frío, es decir a la temperatura ambiente. Son preferidos especialmente los ácidos inorgánicos o los orgánicos tales como ácido bórico, ácido adípico, ácido cítrico o ácido tartárico o las mezclas de ellos o soluciones de sales de amonio o de sodio de ácidos orgánicos o inorgánicos, en especial de los ácidos nombrados por su nombre y de sus mezclas. En este caso, las soluciones presentan preferentemente una concentración de en total 20 g/l o menos, convenientemente de 2 a 15 g/l de sal de amonio o de sodio disuelta en el electrolito. En este caso, se prefieren muy especialmente soluciones de sales de amonio de los ácidos cítrico o tartárico o sales de sodio del ácido fosfórico.

Un electrolito muy especialmente preferido contiene de 1 a 5% en peso de ácido tartárico, al cual se puede añadir, por ejemplo, una cantidad de hidróxido amónico (NH_{4}OH) correspondiente para ajustar el valor del pH deseado.

Por regla general, los electrolitos son soluciones acuosas.

La tensión de anodización máxima posible está determinada por la resistencia a la tensión del electrolito. Esta depende, por ejemplo, de la composición del electrolito y de la temperatura del electrolito y habitualmente se encuentra en la zona entre 300 y 600 voltios.

Para aumentar, por ejemplo, la resistencia a la tensión del electrolito se puede añadir al electrolito alcohol como un disolvente más. Especialmente adecuados para ello son metanol, etanol, propanol tal como, por ejemplo, alcohol propílico o isopropanol o butanol. La cantidad de alcohol añadida al electrolito no es crítica, de forma que la relación de cantidad de electrolito a disolvente puede ser, por ejemplo, 1:50. Por la adición de alcohol se puede aumentar la resistencia a la tensión del electrolito hasta, por ejemplo, 1200 V. Sin embargo, para el procedimiento conforme al invento son preferidos electrolitos exentos de alcohol.

La temperatura óptima del electrolito para el procedimiento conforme al invento depende del electrolito utilizado; pero en general es de importancia menor para la calidad de la capa de cierre obtenida. Para el procedimiento conforme al invento son preferibles temperaturas de 15 a 40ºC y, en especial, temperaturas entre 18 y 30ºC.

El procedimiento conforme al invento es especialmente adecuado para la producción de una capa de cierre de manera continua o pieza a pieza sobre bandas, chapas, láminas o piezas de aluminio, así como sobre materiales compuestos con al menos una capa de cubrición de aluminio. En este caso, utilizando un aluminio de una pureza igual o superior al 99,5% en peso, no se aprecia ninguna influencia esencial sobre la calidad de la capa de cierre, es decir, el estado de la superficie de aluminio que existe después del proceso de abrillantado se conserva en esencia después del montaje de la capa de cierre.

El procedimiento conforme al invento es especialmente adecuado para la oxidación electrolítica de la superficie de aluminio en un proceso continuo por medio de, por ejemplo, una instalación de paso continuo, por ejemplo, con un procedimiento de anodización en banda.

En comparación con la anodización GS conocida del estado actual de la técnica, el procedimiento conforme al invento muestra las siguientes ventajas esenciales:

-

consumo de electrolito despreciable, puesto que el óxido de aluminio no se vuelve a disolver y habitualmente la concentración en sales es muy baja (aproximadamente de hasta 20 g/l)

-

no precisa sellado (sealing)

-

bajo consumo de corriente.

En el procedimiento GS se produce en el electrolito un enriquecimiento en aluminio por la nueva disolución del óxido de aluminio, por lo cual el consumo de electrolito se incremente de forma correspondiente. Además, la producción del electrolito para la anodización GS requiere una elevada concentración en ácidos, es decir, hasta 200 g/l. Frente a esto, la concentración de sales disueltas en el electrolito para el procedimiento conforme al invento es bien baja, es decir, hasta aproximadamente 20 g/l. De acuerdo con esto, el procedimiento conforme al invento muestra también sólo un pequeño arrastre de componentes del electrolito a la capa de óxido.

En el procedimiento GS, la producción de una capa anódica de óxido de 2 \mum de espesor requiere un consumo de corriente de aproximadamente 35.00 As/m^{2}; frente a ello, el consumo de corriente para la producción de una capa de cierre típica de 150 nm con el procedimiento conforme al invento es tan solo de aproximadamente 2500 As/m^{2}; en donde la unidad "As" significa la unidad SI para la carga eléctrica (1As = 1 coulombio).

Mientras que para la producción de capas anódicas de óxido con el procedimiento GS se tienen que utilizar materiales de aluminio muy puros, para impedir la absorción o la dispersión difusa de la luz -provocada por las partículas extrañas insertas en la gruesa capa de óxido- o la no deseada irisación producida por efectos de interferencia, las capas de óxido producidas con el procedimiento conforme al invento, eligiendo correspondientemente el espesor de capa de la capa de cierre, son libres de irisaciones también cuando se emplea un material de aluminio menos puro.

Los reflectores preparados conforme al invento encuentran aplicación con especial preferencia para lámparas en la luminotécnia y, en especial, en la técnica de luz solar, especialmente como lámparas funcionales como lámparas para puestos de trabajo con monitor, lámparas secundarias, lámparas con rejilla o en elementos de conducción de la luz, como láminas de cambio de dirección de la luz.

Una aplicación preferida de los reflectores preparados conforme al invento se encuentra también en su empleo para lámparas decorativas, en especial con tonalidades de color, o para superficies decorativas de, por ejemplo, elementos de techumbre o de pared.

Los reflectores preparados conforme al invento son preferidos, además, para tonalidades de color dependientes del ángulo de iluminación y/o del ángulo de observación.

Otra aplicación preferida de los reflectores preparados conforme al invento se encuentra en su aplicación como material de partida para la producción de multicapas LI/LH que aumentan la reflexión. Para ello, se requieren espesores de capa de la capa de cierre de k.\lambda/4\pm20 nm. En donde \lambda designa la longitud de onda media de la luz que incide sobre la superficie del reflector y k un número natural impar.

Como capa HI (capa high-index) a depositar sobre la capa de cierre con un índice de refracción de aproximadamente 1,6 son adecuadas, por ejemplo, capas de óxido de titanio (TiO_{2}) con un índice de refracción de aproximadamente 2,5, praseodimio-óxido de titanio (Pr-óxido de Ti), lantano-óxido de titanio (La-óxido de Ti), ZnS o CeO_{2}. Sin embargo, son preferibles las capas HI de TiO_{2}, Pr-óxido de Ti o La-óxido de Ti. La deposición de las capas HI puede tener lugar, por ejemplo, por medio del procedimiento PVD o por descomposición de compuestos orgánicos que contengan los óxidos metálicos deseados (por ejemplo por el procedimiento CVD).

Ejemplo

Como superficie de aluminio se utiliza una superficie de aluminio de laminación brillante de Al de una pureza de 99,9% en peso de Al, que se somete a los siguientes tratamientos previos:

1)

Desengrasado por cocción durante 5 minutos

2)

Lavado

3)

Neutralización en HNO_{3} (concentración HNO_{3}:H_{2}O = 1:1)

4)

Lavado

5)

Lavado en H_{2}O y H_{2}O_{desioniz}.

6)

Baño de inmersión en etanol

7)

Secado con aire caliente

Tras el tratamiento previo la superficie de aluminio, se abrillanta conforme al siguiente proceso:

1)

Baño de inmersión en electrolito frío

2)

Electrolisis en H_{3}PO_{4}/H_{2}SO_{4} (densidad 1.755) durante 60 s a 16 V

3)

Lavado en H_{2}O a 60ºC

4)

Eliminación del depósito de electrolito en NaOH (100 g/l) a % 0ºC durante 3 s

5)

Lavado

6)

Neutralización en HNO_{3} (concentración HNO_{3}:H_{2}O = 1:1)

7)

Lavado en H_{2}O y H_{2}O_{desioniz}.

8)

Baño de inmersión en etanol

9)

Secado con aire caliente

La superficie de aluminio abrillantada se anodiza ahora a la temperatura ambiente en ácido cítrico de una concentración de 1 g/l, alcanzando la tensión de electrolisis aplicada al principio 20 V y aumentándose, después, de forma continua a 20 V/min. Después de aumentar la tensión en 10 V se mide cada vez, según DIN 67530, la reflexión dirigida de la superficie de aluminio provista de una capa de cierre, en un ángulo de 20º respecto a la perpendicular a la superficie, es decir frente a un espejo de Al representando la reflexión del espejo de Al el 100%. La tensión residual medida durante la electrolisis es en la zona total de tensiones de 20 a 370 V inferior a 15 mA/dm^{2}.

La figura 1 muestra la comparación de la reflexión dirigida de una superficie de aluminio abrillantada, de una pureza de 99,9% en peso de Al, con una superficie de aluminio abrillantada de la misma pureza provista de una capa de cierre de 150 nm de espesor. En las ordenadas de la figura 1 figuran los valores de reflexión medidos según DIN 67530 y, en abcisas, las tensiones de electrolisis aplicadas en voltios. La curva a) muestra los valores de la reflexión medidos de la superficie de aluminio abrillantada, mientras que la curva b) muestra los valores de medición de la reflexión de la superficie de aluminio provista de la capa de cierre. Los valores de reflexión medidos se recogen en cada caso en % respecto a un espejo estándar, es decir, una placa de vidrio con Al depositado por vaporización, con capa de cierre de SiO_{2}. En la figura 1 se representan, además, los valores de medición para espesores de capa de la capa de cierre, para los cuales el espesor óptico de capa vale esencialmente \lambda/4(lambda/4) o, respectivamente, esencialmente \lambda/2 (lambda/2).

Claims (9)

1. Procedimiento para la producción de un reflector de aluminio o de una aleación de aluminio para fines lumino-técnicos, que contiene una superficie reflectante de aluminio y una capa protectora, con espesor de capa d preestablecido, de óxido de aluminio formado anódicamente, por cuyo procedimiento se estructura eventualmente la superficie de una pieza, banda, chapa o lámina de aluminio de una pureza de 99,5 a 99,98% en peso de Al, producida un procedimiento de laminación, extrusión, forja o prensado, después se abrillanta mecánica, electrolítica o químicamente y, a continuación, se oxida electrolíticamente en un electrolito,

caracterizado porque

la oxidación electrolítica se lleva a cabo en un electrolito que no vuelve a disolver el óxido de aluminio, a una tensión continua constante de electrolisis U en voltios, que se elige según la condición

d(nm)/1,4 \leq U(V) \leq d(nm)/1,2

y eligiéndose el espesor de capa d entre 60 y 490 nm, por lo que se forma una capa de cierre transparente con una porosidad inferior al 1% y una constante dieléctrica \varepsilon, a 20ºC, de 6 a 10,5, que protege la superficie de aluminio, y no variando espesor de capa d de la capa de cierre en más de \pm 5% sobre toda la superficie de aluminio.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque como electrolito no redisolvente se utilizan soluciones que contienen ácidos orgánicos o inorgánicos, y las soluciones presentan un valor del pH de 2 a 7.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque como electrolito se utiliza un ácido bórico, adípico, cítrico o tartárico diluido con agua, o mezclas de ellos.

4. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el electrolito es una solución de sales de amonio o de sodio de ácidos orgánicos o inorgánicos, o una solución que contiene sales de amonio o de sodio de ácidos orgánicos o inorgánicos y los correspondientes ácidos orgánicos o inorgánicos, y la concentración de sal de amonio o de sodio es de 2 a 15 g/l.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la oxidación electrolítica de la superficie de aluminio se lleva a cabo como proceso continuo en una instalación de paso continuo, preferentemente en un procedimiento anódico de anodización en banda.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, según el cual la capa de cierre presenta un espesor de capa d que cumple la condición

d \cdot n = k \cdot \lambda/2 \pm 20 nm,

la capa de cierre absorbe menos del 3% de la energía luminosa incidente, siendo k un número natural, n el índice de refracción de la capa de cierre y \lambda la longitud de onda media de la luz que incide sobre la superficie del reflec-
tor.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, según el cual la capa de cierre presenta un espesor de capa d que cumple la condición

[k \cdot \lambda/2 + 20 nm] < d \cdot n < [(k+1) \cdot \lambda/2 - 20 nm],

siendo k un número natural, n el índice de refracción de la capa de cierre y \lambda la longitud de onda media de la luz que incide sobre la superficie del reflector.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, según el cual la capa de cierre presenta un espesor de capa d que cumple la condición

d \cdot n = l \cdot \lambda/4 \pm 20 nm,

siendo l un número natural impar, n el índice de refracción de la capa de cierre y \lambda la longitud de onda media de la luz que incide sobre la superficie del reflector.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, según el cual la capa de cierre presenta un espesor de capa d que cumple la condición

[k \cdot \lambda/2 + 20 nm] < d \cdot n < [(k+1) \cdot \lambda/2 - 20 nm],

siendo k un número natural, n el índice de refracción de la capa de cierre y \lambda la longitud de onda media de la luz que incide sobre la superficie del reflector.