RU2784898C1 - Модифицированная ячейка Хулла для гальваностатического и потенциостатического режимов электролиза - Google Patents
Модифицированная ячейка Хулла для гальваностатического и потенциостатического режимов электролиза Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784898C1 RU2784898C1 RU2022100945A RU2022100945A RU2784898C1 RU 2784898 C1 RU2784898 C1 RU 2784898C1 RU 2022100945 A RU2022100945 A RU 2022100945A RU 2022100945 A RU2022100945 A RU 2022100945A RU 2784898 C1 RU2784898 C1 RU 2784898C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cell
- electroplating
- cathode
- anode
- electrode
- Prior art date
Links
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title abstract description 13
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 title abstract description 7
- 210000001736 Capillaries Anatomy 0.000 claims abstract description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229940021013 Electrolyte solutions Drugs 0.000 claims abstract description 4
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 abstract description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical group [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N HCl Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 238000005282 brightening Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004310 lactic acid Substances 0.000 description 2
- 235000014655 lactic acid Nutrition 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 description 1
- 241001646071 Prioneris Species 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 description 1
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 description 1
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 description 1
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для исследования электрохимических процессов формирования гальванических покрытий. Модифицированная ячейка Хулла для проведения экспресс-анализов технологических параметров, относящихся к растворам электролитов, включает ячейку объемом 267 мл, 320 мл или 1000 мл, изготовленную из химически стойкого полимерного материала или стекла, в которой катод расположен по отношению к аноду под углом 51°, при этом в конструкции ячейки кроме катода и анода предусмотрен третий электрод - электрод сравнения, капилляр от которого подведен к фронтальной поверхности рабочего электрода через отверстие в нем. Технический результат: возможность использования ячейки как в гальваностатическом, так и в потенциостатическом режимах электролиза, в том числе в импульсном режиме. 1 табл., 2 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам для исследования электрохимических процессов формирования гальванических покрытий металлами и сплавами.
В современной гальванотехнике широко применяются ячейки Хулла для экспресс-анализа технологических параметров, относящихся к растворам электролитов:
• зависимость качества покрытий от плотности тока;
• установление диапазона рабочих плотностей тока;
• сравнительная оценка кроющей и рассеивающей способности электролитов;
• определение количества блескообразующих добавок, необходимых для корректирования электролита;
• входной контроль качества блескообразующих добавок, основных компонентов электролита и анодов;
• оценка степени загрязнения электролита ионами тяжелых металлов и органическими веществами и др [1].
Классическим вариантом ячейки Хулла является ячейка объемом 267, 320 или 1000 мл и углом катода по отношению к аноду 51°. Причем ячейки, имеющие объем 267 и 320 мл отличаются только уровнем раствора [2, 3]. В качестве катода используют плоские пластины размером 100х70х0,5…2 мм, изготовленные из меди, латуни или стали, полированные с рабочей стороны. Подготовка поверхности катодов перед электроосаждением стандартная - обезжиривание (любым доступным способом), активация в 5 - 10 %-ном растворе серной кислоты или 30%-ном растворе хлороводородной кислоты, промывка. В качестве анода используют пластины размером 60х70х1…8 мм из соответствующего процессу анодного материала. Для увеличения поверхности анода тонкую пластину можно гофрировать, а толстой пластине придают пилообразный профиль.
Расположение катода по отношению к аноду под углом 51° обеспечивает логарифмическую зависимость катодной плотности тока по длине катода:
где 
- катодная плотность тока в точке катода на расстоянии 
, 
- сила тока на ячейку, 
и 
- эмпирические коэффициенты [4].
При электроосаждении в такой ячейке при силе тока на ячейку 1 А на катодной пластине реализуются плотности тока от 0,05 - 0,1 А/дм2 (дальний от анода участок) до 8 - 9 А/дм2 (ближний к аноду участок).
Многообразие особенностей исследуемых параметров и режимов электролиза привело к необходимости модернизации конструкции ячейки. В настоящее время промышленно производятся ячейки Хулла, оснащенные системой термостатирования, барботирования различными газами, ультразвуковым воздействием на электроды и раствор, системой механического перемешивания электролита [2, 5]. Еще в [5] описаны погружные и подвешиваемые ячейки для использования в промышленных гальванических ваннах.
Недостатком конструкции этих ячеек является ограниченное и невоспроизводимое перемешивание раствора. Ячейка Хулла обычно работает в условиях свободной конвекции, но в некоторых случаях перемешивание раствора осуществляется за счет пузырьков газа вблизи катода, с помощью магнитной мешалки или с помощью возвратно-поступательной лопасти.
Для обеспечения постоянных гидродинамических условий во время эксперимента предложены ячейки [6-8], включающие вращающийся цилиндрический электрод. Конструкция ячеек обеспечивает первичное распределение тока, которое полностью соответствует распределению тока в классической ячейке Хулла.
Использование вышеописанных конструкций возможно только для гальваностатического режима электролиза. Применение потенциостатического режима требует введения в ячейку электрода сравнения для контроля потенциала рабочего электрода. Введение электрода сравнения или капилляра Луггина-Габера непосредственно в электролит между анодом и катодом приводит к экранированию части поверхности катода и искажению результатов.
Из применяемых в настоящее время конструкций ячейки Хулла наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой конструкции, выбранная авторами в качестве прототипа, является классическая ячейка Хулла объемом 267, 320 или 1000 мл, в которой катод расположен под углом к аноду 51° [5].
Недостатком конструкции прототипа является отсутствие возможности проведения исследований в потенциостатическом режиме электролиза.
При проведении исследований в потенциостатическом режиме электролиза необходимо внести изменения в конструкцию ячейки, чтобы была возможность контролировать значение потенциала рабочего электрода. Модификация конструкции должна обеспечить выполнение следующих условий:
• капилляр электрода сравнения должен быть расположен максимально близко к поверхности рабочего электрода;
• электрод сравнения не должен экранировать поверхность рабочего электрода
Техническим результатом реализации предлагаемой конструкции модифицированной ячейки Хулла, является возможность ее использования как в гальваностатическом, так и потенциостатическом режимах электролиза (в т.ч. импульсном).
Это достигается тем, что модифицированная ячейка Хулла для проведения экспресс-анализов технологических параметров, относящихся к растворам электролитов, включает ячейку объемом 267 мл, 320 мл или 1000 мл, изготовленную из химически стойкого полимерного материала или стекла, в которой катод расположен по отношению к аноду под углом 51°, дополнительно в конструкции ячейки кроме катода и анода предусмотрен третий электрод - электрод сравнения, капилляр от которого подведен к фронтальной поверхности рабочего электрода через отверстие в нем (фиг. 1).
На фиг. 1 расположение электродов в ячейке (а) и внешний вид модифицированной ячейки Хулла:
1 - модифицированная ячейка Хулла, 2 - вспомогательный электрод, 3 - отверстие для капилляра, 4 - рабочий электрод, 5 - электролитический ключ, 6 - насыщенный раствор хлорида калия, 7 - электрод сравнения
Не выявлены решения, имеющие признаки заявляемого изобретения.
Конструкция ячейки апробирована при проведении исследований процесса электроосаждения покрытий никелем из кислых электролитов с добавкой молочной кислоты [9] как в гальваностатическом, так и в потенциостатическом режимах электролиза.
На фиг. 2 приведены фотографии стальных образцов с покрытиями никелем, сформированными при различных режимах электролиза. Анализ полученных результатов позволяет определить диапазон плотнотей тока для каждого исследованного режима, при котором наблюдается формирование покрытий никелем хорошего качества (табл. 1).
| Таблица 1 - Диапазоны допустимых плотностей тока для процесса никелирования из кислого сульфатного электролита с добавкой молочной кислоты при различных режимах электролиза | |
| Режим электролиза | Диапазон допустимых плотностей тока, А/дм2 |
| Стационарный | 0,25÷1,0 |
| Гальваностатический импульсный | 0,25÷2,0 |
| Потенциостатический импульсный | 0,1÷3,0 |
На фиг. 2 приведена шкала плотности тока под рисунками в А/дм2.
Фотографии стальных катодов с покрытиями никелем, сформированных при различных режимах электролиза: а) стационарный гальваностатический режим, б) импульсы тока прямоугольной формы (гальваностатический импульсный режим), в) импульсы потенциала прямоугольной формы (потенциостатический импульсный режим)
Литература
1. Ячейка Хулла. Из опыта работы заводских инженеров-технологов. // Гальванические технологии URL: http://galvanotech.ru/o_kompanii/stati/yachejka_hulla._iz_opyta_raboty_zavodskih_inzhenerov-tehnologov (дата обращения: 23.12.2021).
2. Hullcell // YAMAMOTO-MS Co., LTD. URL: https://yamamoto-ms.co.jp/en/product-cat/hullcell/ (дата обращения: 23.12.2021).
3. Hull R. O. Apparatus and process for the study of plating solutions: пат. 2149344 США. - 1939.
4. R.O. Hull, “Current Density Range Characteristics, Their Determination and Application,” Proc. Am. Electroplaters Soc., 27 (1939), pp. 52-60.
5. Nohse W. The Hull Cell //Robert Draper, Teddington, London. - 1966.
6. Madore C., Landolt D. The rotating cylinder Hull cell: design and application //Plating and surface finishing. - 1993. - Т. 80. - С. 73-73.
7. Park J. et al. Comparison between numerical simulations and experimental results on copper deposition in rotating cylinder hull cell //Electrochimica Acta. - 2015. - Т. 164. - С. 218-226.
8. Zeng T. W., Yen S. C. Effects of Gelatin on Electroplated Copper Through the Use of a Modified-Hydrodynamic Electroplating Test Cell //INTERNATIONAL JOURNAL OF ELECTROCHEMICAL SCIENCE. - 2021. - Т. 16. - №. 2.
9. Kireev S. Y. Intensification of processes of electrodeposition of metals by use of various modes of pulse electrolysis //Inorganic Materials: Applied Research. - 2017. - Т. 8. - №. 2. - С. 203-210.
Claims (1)
- Модифицированная ячейка Хулла для проведения экспресс-анализов технологических параметров, относящихся к растворам электролитов, включающая ячейку объемом 267 мл, 320 мл или 1000 мл, изготовленную из химически стойкого полимерного материала или стекла, в которой катод расположен по отношению к аноду под углом 51°, отличающаяся тем, что в конструкции ячейки кроме катода и анода предусмотрен третий электрод - электрод сравнения, капилляр от которого подведен к фронтальной поверхности рабочего электрода через отверстие в нем.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2784898C1 true RU2784898C1 (ru) | 2022-11-30 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU935775A1 (ru) * | 1980-10-29 | 1982-06-15 | Самостоятельное конструкторско-технологическое бюро по проектированию приборов и аппаратов из стекла | Электролитический ключ |
| RU2125125C1 (ru) * | 1997-12-24 | 1999-01-20 | Малинин Владимир Федорович | Способ электролитического хромирования |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU935775A1 (ru) * | 1980-10-29 | 1982-06-15 | Самостоятельное конструкторско-технологическое бюро по проектированию приборов и аппаратов из стекла | Электролитический ключ |
| RU2125125C1 (ru) * | 1997-12-24 | 1999-01-20 | Малинин Владимир Федорович | Способ электролитического хромирования |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| NOHSE W. The Hull Cell/ Robert Draper, Teddington, London, 1966. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pena-Munoz et al. | Electrolytic and electroless coatings of Ni–PTFE composites: Study of some characteristics | |
| Madore et al. | The rotating cylinder Hull cell: Design and application | |
| RU2784898C1 (ru) | Модифицированная ячейка Хулла для гальваностатического и потенциостатического режимов электролиза | |
| Chentsova et al. | Kinetics of electrodeposition of zinc-nickel alloy from sulfate-glycinate electrolyte | |
| US3500537A (en) | Method of making palladium coated electrical contacts | |
| WO2005100967A2 (en) | Electrochemical deposition analysis system including high-stability electrode | |
| Madore et al. | Application of the Rotating Cylinder Hull Cell to the Measurement of Throwing Power & the Monitoring of Copper Plating Baths | |
| Török et al. | Direct cathodic deposition of copper on steel wires from pyrophosphate baths | |
| Szpyrkowicz et al. | Characterization of the catalytic films formed on stainless steel anodes employed for the electrochemical treatment of cuprocyanide wastewaters | |
| JP4618787B2 (ja) | 電気めっき液の評価装置及びその評価方法 | |
| US5425870A (en) | Multipurpose electrolytic meter | |
| Lee et al. | Electrodeposition of palladium on the copper lead frame: Electrode reaction characteristics and the effects of primary additives | |
| Strečková et al. | A Study of nickel electrodeposition on paraffin‐impregnated graphite electrode | |
| KR20210038823A (ko) | 도금액에 포함된 첨가제 분해 산물 농도 측정방법 | |
| Tikhonov et al. | Electrodeposition by rubbing. The method of calculating the modes and the development of the high-speed copper plating process | |
| Kireev et al. | Electrodeposition of zinc plating from zincate electrolyte using galvanostatic mode of pulse electrolysis | |
| RU2720269C1 (ru) | Способ получения коррозионностойкого электрохимического покрытия цинк-никель-кобальт | |
| CN108130567B (zh) | 一种水溶液电镀镓镍合金的方法 | |
| Monev | Effect of the pH value of the hydrogenation solution upon the phase transformation of nickel into nickel hydride | |
| Gadzhov et al. | MEMBRANE ELECTROCHEMICAL PREPARATION OF THREE-POLYPHOSPHATE NON-CYANIDE ELECTROLYTE FOR COPPERING. | |
| US20220307151A1 (en) | Control of texture and morphology of zinc films through pulsed methods from additive-free electrolytes | |
| JP6750186B1 (ja) | めっき液の亜鉛濃度の上昇を抑制する方法および亜鉛系めっき部材の製造方法 | |
| Šestan et al. | Influence of Wetting Additives on the Quality of Nickel Coating | |
| Tan et al. | Characterising nonuniform electrodeposition and electrodissolution using the novel wire beam electrode method | |
| Lakshminarayanan et al. | The Effect of Oxide Dissolution on the Electrodepositing of Dispersion‐Hardened Co and Ni‐Al2 O 3 Alloys |