JP6167222B2 - 濃硫酸中でのマンガン(iii)イオンの電解生成 - Google Patents
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Description
本願は、現在係属中の米国特許出願第13/356,004号(2012年1月23日出願)の一部継続出願である、現在係属中の米国特許出願第13/677,798号(2012年11月15日出願)の一部継続出願であり、それぞれの主題を参照することにより全体を本願に援用する。
硫酸と、メタンスルホン酸、メタンジスルホン酸及びこれらの組合せからなる群から選択される更なる酸との溶液中に、マンガン(III)イオンを含む電解液と、
前記電解液と接触しているカソードと、
前記電解液と接触しているアノードと、
を含むことを特徴とする電解槽に関する。
少なくとも1種の酸の溶液中にマンガン(III)イオンを含む電解液と、
前記電解液と接触しているカソードと、
前記電解液と接触しているアノードとを含み、
前記アノードが、ガラス状炭素、網状ガラス状炭素、炭素繊維織物、鉛、鉛合金、及びこれらの1以上の組合せからなる群から選択される素材を含むことを特徴とする電解槽に関する。
少なくとも1種の酸の溶液中にマンガン(II)イオン溶液を含む電解液を、電解槽中に提供する工程であって、前記電解槽がアノード及びカソードを含む工程と、
電流を前記電解槽の前記アノード及び前記カソードに印加する工程と、
前記電解液を酸化してマンガン(III)イオンを形成する工程であって、前記マンガン(III)イオンが準安定錯体を形成する工程と、
を含むことを特徴とする方法に関する。
硫酸を含む少なくとも1種の酸と、メタンスルホン酸、メタンジスルホン酸及びこれらの組合せからなる群から選択される更なる酸とを含む溶液中にマンガン(II)イオン溶液を含む電解液を、電解槽中に提供する工程であって、前記電解槽が、アノード及びカソードを含む工程と、
前記アノードと前記カソードとの間に電流を印加する工程と、
前記電解液を酸化してマンガン(III)イオンを形成する工程であって、前記マンガン(III)イオンが準安定錯体を形成する工程と、
を含むことを特徴とする方法に関する。
少なくとも1種の酸の溶液中にマンガン(II)イオン溶液を含む電解液を、電解槽中に提供する工程であって、前記電解槽がアノード及びカソードを含む工程と、
電流を前記電解槽の前記アノード及び前記カソードに印加する工程と、
前記電解液を酸化してマンガン(III)イオンを形成する工程であって、前記マンガン(III)イオンが準安定錯体を形成する工程と、
を含む方法に関する。
1)低電流密度でMn(III)イオンが形成されるため、工程の所要電力が概して非常に低い。
2)非常に低い電流密度でアノードが動作するので、アノード表面積との関係で小さいカソードを使用してMn(III)イオンのカソード還元を防止することができる。これにより、分割された槽が不要となり、エッチング液の再生槽の技術が単純化される。
3)工程が過マンガン酸イオンを生成しないので、溶液中に七酸化マンガンが生成する可能性がない(七酸化マンガンは激しい爆発性であるので、重大な安全上の問題である)。
4)濃硫酸中のMn(III)イオンの高い安定性のため、エッチング液は、使える状態で販売することができる。製造において、エッチング液のMn(III)含有量を維持してMn(II)イオンの蓄積を防止するために、エッチング液が必要とするのは、タンク側の小さな再生槽のみである。
5)他のエッチング工程は、過マンガン酸塩系であるので、過マンガン酸塩とMn(II)イオンとの反応の結果、二酸化マンガンの「スラッジ」が急速に生じ、エッチング液の寿命が非常に短くなる。(時間の経過とともに、いくらか不均化はあるかもしれないが、)これは、Mn(III)系のエッチングでは問題とはならない。
6)本発明のマンガン(III)の電解生成は、何ら有毒ガスを発生しない。幾分かの水素がカソードで生成され得るが、低電流要件のため、これは多くのめっき工程により生成されるものよりも少ないであろう。
硫酸と、メタンスルホン酸、メタンジスルホン酸及びこれらの組合せからなる群から選択される更なる酸との溶液中に、マンガン(III)イオンを含む電解液と、
前記電解液と接触しているカソードと、
前記電解液と接触しているアノードと、
を含む電解槽に関する。
少なくとも1種の酸の溶液中にマンガン(III)イオンを含む電解液と、
前記電解液と接触しているカソードと、
前記電解液と接触しているアノードとを含み、
前記アノードが、ガラス状炭素、網状ガラス状炭素、炭素繊維織物、鉛、鉛合金、及びこれらの1以上の組合せからなる群から選択される素材を含む電解槽に関する。
少なくとも1種の酸の溶液中にマンガン(II)イオン溶液を含む電解液を、電解槽中に提供する工程であって、前記電解槽が、アノード及びカソードを含む工程と、
前記アノードと前記カソードとの間に電流を印加する工程と、
前記電解液を酸化してマンガン(III)イオンを形成する工程であって、前記マンガン(III)イオンが準安定錯体を形成する工程と、
を含む方法に関する。
12.5mol/Lの硫酸中の0.08mol/Lの硫酸マンガン(II)溶液(500mL)を70℃に加熱し、めっき可能な品質のABS片を溶液中に浸漬した。この溶液に浸漬した1時間後であっても、試験パネルの識別可能なエッチングは認められず、すすぎの際、表面は「濡れる」ことなく、水膜を切れ目なく保持できなかった。
1dm2の表面積の白金めっきチタンのアノードと、0.01dm2の表面積の白金めっきチタンのカソードとを、溶液中に浸漬して200mAの電流を5時間印加することにより、比較例1の溶液を電気分解した。
12.5Mの硫酸と0.08Mの硫酸マンガン(II)とを含有する溶液を、白金めっきチタンのアノードを用いて0.2A/dm2の電流密度で電気分解した。アノードで生成されるMn(III)イオンのカソード還元を防止するために、アノードの表面積の1%未満の表面積を有する白金めっきチタンのカソードを使用した。全てのマンガン(II)イオンをマンガン(III)に酸化するために十分なクーロンを通すため、十分な長さの電気分解を行った。得られた溶液は、深いチェリー紫色/チェリー赤色であった。この工程の間、過マンガン酸イオンは何ら生成しなかった。これはまた、可視分光法により確認された。つまり、Mn(III)イオンは、過マンガン酸塩の溶液とは全く異なる吸収スペクトルを生じた。
実施例2で上記したように調製したエッチング液を、マグネチックスターラー/ホットプレート上で65℃〜70℃に加熱し、ABSの試験片を、溶液中に20分間及び30分間浸漬した。これらの試験片の幾つかをSEMで観察し、幾つかを通常通りプラスチックの前処理順序でめっき処理した(Mの還元−中和、前浸漬、活性化、促進、無電解ニッケル、25μm〜30μmまでの銅めっき)。これらの試験片を次いでアニールし、インストロン試験機を用いて剥離強度試験にかけた。
10.5Mの硫酸及び2Mのメタンスルホン酸を含有する溶液を配合した。68℃〜70℃の温度では、12.5Mの硫酸溶液中でマンガン硫酸塩を溶解する場合は、溶解可能なのは0.08Mのみであったのに対して、0.16Mのマンガン硫酸塩を容易に溶解することが可能であった。配合液は、電気分解して0.015Mのマンガン(III)イオン濃度のマンガン(III)を生成し、これは、0.015Mの濃度のマンガン(III)を有する12.5Mの硫酸溶液から得られたものと同等のエッチング速度を与えた。
グラファイトを含み1dm2の公称測定表面積を有する電極を、12.5Mの硫酸中に0.08Mの硫酸マンガンを含む500mLの溶液中に65℃の温度で浸漬した。この槽のカソードは、0.1dm2の公称測定表面積を有する鉛片であった。0.25Aの電流を槽に印加し、0.25A/dm2の公称アノード電流密度、及び2.5A/dm2の公称カソード電流密度を印加した。
酸化タンタル/酸化イリジウム混合コーティング(酸化タンタル50%、酸化イリジウム50%)を有し、1dm2の公称測定表面積を有するチタン基材を含む電極を、12.5Mの硫酸中に0.08Mの硫酸マンガンを含む500mLの溶液中に65℃の温度で浸漬した。この槽のカソードは、0.1dm2の公称測定表面積を有する鉛片であった。0.25Aの電流を槽に印加し、0.25A/dm2の公称アノード電流密度、及び2.5A/dm2の公称カソード電流密度を印加した。
白金で被覆されたチタン基材を含み、1dm2の公称測定表面積を有する電極を、12.5Mの硫酸中に0.08Mの硫酸マンガンを含む500mLの溶液中に65℃の温度で浸漬した。この槽のカソードは、0.1dm2の公称測定表面積を有する鉛片であった。0.25Aの電流を槽に印加し、0.25A/dm2の公称アノード電流密度、及び2.5A/dm2の公称カソード電流密度を印加した。
ガラス状炭素を含み、0.125dm2の公称測定表面積を有する電極を、12.5Mの硫酸中に0.08Mの硫酸マンガンを含む100mLの溶液中に65℃の温度で浸漬した。この槽のカソードは、0.0125dm2の公称測定表面積を有する白金のワイヤであった。0.031Aの電流を槽に印加し、0.25A/dm2の公称アノード電流密度、及び2.5A/dm2の公称カソード電流密度を印加した。
炭素繊維織物片(Zoltek Corporationから入手可能な、1.5%エポキシサイジングされた、Panex 35 50K Tow)を含む電極を、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)で構成されたプラスチックフレームに取り付けた。1dm2の公称測定表面積を有する電極を、12.5Mの硫酸中に0.08Mの硫酸マンガンを含む500mLの溶液中に65℃の温度で浸漬した。この槽のカソードは、0.1dm2の公称測定表面積を有する鉛片であった。0.25Aの電流を槽に印加し、0.25A/dm2の公称アノード電流密度、及び2.5A/dm2の公称カソード電流密度を印加した。
0.4dm2の有効表面積(即ち、電極の裏側は合計していない)を有する鉛からなるアノードを、12.5Mの硫酸中に0.08Mの硫酸マンガンを含む溶液2Lを入れたビーカー中に、68℃〜70℃の温度で浸漬した。槽内の他の電極は、約0.04dm2の表面積を有する鉛のカソードからなっていた。電解液の表面上に適度な攪拌を起こすために、マグネチックスターラーを用いて溶液を攪拌した。0.4A/dm2の電流密度をアノードに印加し、電解時間に対するマンガン(III)の比率を測定した。マンガン(III)の量は、マンガン(III)の不均化を防止するために浴の試料をリン酸で希釈し、指示薬として酸に溶解したジフェニルアミンを使用して硫酸第一鉄アンモニウムの溶液で滴定することにより測定した。
45%のポリカーボネートからなるABS/PC混合物から構成される試験片を、表1に示す時間及び温度で、150mL/Lのプロピレンカーボネートを含有する溶液に浸漬した。これに続いて、パネルをすすぎ、12.5Mの硫酸及び0.08Mのマンガンを含み、0.015Mのマンガンイオンがマンガン(III)に酸化された溶液中でエッチングした。エッチングは、68℃〜70℃の温度で30分間行った。この処理に続いて、パネルをすすぎ、標準的なプラスチックめっきの前処理シーケンス(テクニカルデータシートに従った、MacDermidのD34パラジウム活性化剤、MacDermidの促進剤、及びMacDermidのJ64無電解ニッケル)を用いて活性化し、次いで銅で電気めっきした。パネルの美的外観を検査し、Instronの引張試験機を用いて基板から堆積物を引っ張ることにより、定量的な接着性試験を行った。得られた接着値を、表1に示す。
150mL/Lのプロピレンカーボネート、及び250mL/Lの88%乳酸溶液を含有する前処理液(pre−conditioner)を用いて、比較例5で行った実験を繰り返した。これらの試験の結果を、表2に示す。
Claims (50)
- 硫酸と、メタンスルホン酸、メタンジスルホン酸及びこれらの組合せからなる群から選択される更なる酸とを含む溶液中に、マンガン(III)イオン及びマンガン(II)イオンを含む電解液と、
前記電解液と接触しているカソードと、
前記電解液と接触しているアノードと、
を含み、
前記マンガン(III)イオンが、前記溶液中にてチェリー紫色/チェリー赤色、乃至深い紫色/赤色の色を有する前記マンガン(III)イオンの硫酸塩錯体である準安定錯体を形成していることを特徴とする電解槽。 - 前記溶液が少なくとも8Mの硫酸を含む請求項1に記載の電解槽。
- 前記溶液が少なくとも12Mの硫酸を含む請求項2に記載の電解槽。
- 前記溶液が1M〜6Mの、メタンスルホン酸又はメタンジスルホン酸を含む請求項1に記載の電解槽。
- 前記溶液が9mol/L〜15mol/Lの硫酸、及び1M〜6Mのメタンスルホン酸を含む請求項1に記載の電解槽。
- 前記アノードが、ガラス状炭素、網状ガラス状炭素、炭素繊維織物、鉛、鉛合金、白金めっきチタン、白金、酸化イリジウム/酸化タンタル、ニオブ、ホウ素ドープダイヤモンド、及びこれらの1以上の組合せからなる群から選択される素材を含む請求項1に記載の電解槽。
- 前記アノードが鉛又は鉛合金を含む請求項6に記載の電解槽。
- 前記カソードが、白金、白金めっきチタン、酸化イリジウム/酸化タンタル、ニオブ、及び鉛からなる群から選択される素材を含む請求項1に記載の電解槽。
- 前記カソードが鉛を含む請求項8に記載の電解槽。
- 前記溶液中のMn(II)の濃度を監視する手段を更に含む請求項7に記載の電解槽。
- 前記アノードの面積が前記カソードの面積よりも大きい請求項1に記載の電解槽。
- 硫酸を含む少なくとも1種の酸の溶液中にマンガン(III)イオン及びマンガン(II)イオンを含む電解液と、
前記電解液と接触しているカソードと、
前記電解液と接触しているアノードとを含み、
前記アノードが、ガラス状炭素、網状ガラス状炭素、炭素繊維織物、鉛、鉛合金、白金めっきチタン、白金、酸化イリジウム/酸化タンタル、ニオブ、ホウ素ドープダイヤモンド、及びこれらの1以上の組合せからなる群から選択される素材を含み、
前記マンガン(III)イオンが、前記溶液中にてチェリー紫色/チェリー赤色、乃至深い紫色/赤色の色を有する前記マンガン(III)イオンの硫酸塩錯体である準安定錯体を形成していることを特徴とする電解槽。 - マンガン(II)イオンのマンガン(III)イオンへの電気化学的酸化方法であって、
硫酸を含む少なくとも1種の酸と、メタンスルホン酸、メタンジスルホン酸及びこれらの組合せからなる群から選択される更なる酸との溶液中にマンガン(II)イオン溶液を含む電解液を、電解槽中に提供する工程であって、前記電解槽が、アノード及びカソードを含む工程と、
前記アノードと前記カソードとの間に電流を印加する工程と、
前記電解液を酸化してマンガン(III)イオンを形成する工程であって、前記マンガン(III)イオンが、前記溶液中にてチェリー紫色/チェリー赤色、乃至深い紫色/赤色の色を有する前記マンガン(III)イオンの硫酸塩錯体である準安定錯体を形成する工程と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記少なくとも1種の酸が少なくとも8Mの濃度の硫酸を含む請求項13に記載の方法。
- 前記電解液が、少なくとも8Mの硫酸、及び1M〜6Mのメタンスルホン酸を含む請求項14に記載の方法。
- 前記アノードが鉛又は鉛合金を含む請求項13に記載の方法。
- 前記溶液中のマンガン(III)イオンの蓄積を監視する工程を含む請求項16に記載の方法。
- 最初のマンガン(II)イオン濃度の50%以下がマンガン(III)イオンに酸化される請求項17に記載の方法。
- 最初のマンガン(II)イオン濃度の25%以下がマンガン(III)イオンに酸化される請求項18に記載の方法。
- 酸化還元電極を使用してマンガン(III)イオンの蓄積を監視し、マンガン(III)含有量が所望のレベルに達したときに電気分解が停止される請求項17に記載の方法。
- 前記電解液の滴定によりマンガン(III)イオンの蓄積を監視し、マンガン(III)含有量が所望のレベルに達したときに電気分解が停止される請求項17に記載の方法。
- 前記電解槽における電流を定期的に反転させる工程を含み、これにより前記アノードへの二酸化マンガンの蓄積が防止される請求項13に記載の方法。
- めっき可能なプラスチックを、前記準安定錯体と一定時間接触させ、前記めっき可能なプラスチックをエッチングする工程を更に含む請求項13に記載の方法。
- 前記めっき可能なプラスチックを前記準安定錯体と接触させる前に、前記めっき可能なプラスチックが、前記めっき可能なプラスチックの表面を調整するために前処理組成物と接触させられ、前記前処理組成物が、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、及びこれらの組合せからなる群から選択される溶剤を含む請求項23に記載の方法。
- 前記溶剤がプロピレンカーボネートを含む請求項24に記載の方法。
- 前記前処理液が有機ヒドロキシ酸を更に含む請求項24に記載の方法。
- 前記有機ヒドロキシ酸が、乳酸、グリコール酸、グルコン酸、及びこれらの1以上の組合せからなる群から選択される請求項26に記載の方法。
- 前記溶液中のマンガン(II)イオンの濃度を監視する工程を更に含む請求項17に記載の方法。
- 前記前処理組成物が20℃〜70℃の温度に維持され、前記めっき可能なプラスチックが前記前処理組成物に2分間〜10分間接触させられる請求項26に記載の方法。
- 前記マンガン(II)イオンが、硫酸マンガン、炭酸マンガン、及び水酸化マンガンからなる群から選択される化合物に由来する請求項13に記載の方法。
- 前記溶液がコロイド状の二酸化マンガンを更に含む請求項13に記載の方法。
- 前記電解液中の前記マンガン(II)イオンの濃度が0.005mol/L〜飽和濃度である請求項13に記載の方法。
- 前記カソードが、白金、白金めっきチタン、酸化イリジウム/酸化タンタル、ニオブ、及び鉛からなる群から選択される素材を含む請求項13に記載の方法。
- 前記カソードが鉛を含む請求項33に記載の方法。
- 前記カソードが白金めっきチタン又は白金を含む請求項33に記載の方法。
- 前記アノードの電流密度が0.1A/dm 2 〜0.4A/dm 2 である請求項13に記載の方法。
- 前記電解液の温度が30℃〜80℃に維持される請求項13に記載の方法。
- 前記電解液が過マンガン酸塩を含有しない請求項13に記載の方法。
- 前記めっき可能なプラスチックが、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、又はアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン/ポリカーボネートを含む請求項23に記載の方法。
- プラスチック部品をエッチングする方法であって、
前記プラスチック部品を、マンガン(III)イオン、及び硫酸を含む少なくとも1種の酸を含む溶液と接触させる工程を含み、
前記マンガン(III)イオンが、前記溶液中にてチェリー紫色/チェリー赤色、乃至深い紫色/赤色の色を有する前記マンガン(III)イオンの硫酸塩錯体である準安定錯体を形成していることを特徴とする方法。 - 前記少なくとも1種の酸が、メタンスルホン酸又はメタンジスルホン酸を更に含む請求項40に記載の方法。
- 前記酸の溶液が、少なくとも8Mの硫酸、及び1M〜6Mのメタンスルホン酸を含む請求項41に記載の方法。
- 前記プラスチック部品がアクリロニトリル/ブタジエン/スチレンを含む請求項40に記載の方法。
- マンガン(II)の電解酸化により前記溶液中に前記マンガン(III)イオンが生成される請求項41に記載の方法。
- 前記電解酸化が前記溶液中のアノードで起こり、前記アノードが、ガラス状炭素、網状ガラス状炭素、炭素繊維織物、鉛、又は鉛合金を含む請求項44に記載の方法。
- 前記プラスチック部品を、前記マンガン(III)イオン及び少なくとも1種の酸を含む溶液と接触させる前に、前記プラスチック部品が、前記プラスチック部品の表面を調整するために前処理組成物と接触させられ、前記前処理組成物が、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、及びこれらの組合せからなる群から選択される溶剤を含む請求項40に記載の方法。
- 前記溶剤がプロピレンカーボネートを含む請求項46に記載の方法。
- 前記前処理液が有機ヒドロキシ酸を更に含む請求項46に記載の方法。
- 前記有機ヒドロキシ酸が、乳酸、グリコール酸、グルコン酸、及びこれらの1以上の組合せからなる群から選択される請求項48に記載の方法。
- 前記前処理組成物が、100mL/L〜500mL/Lのプロピレンカーボネート、及び100mL/L〜500mL/Lの有機ヒドロキシ酸を含む請求項48に記載の方法。
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