Elektrolytische Oberflächenveredelung · 9472 Grabs Leo Beeli Werdenbergstrasse 1 9471 Buchs Verantwortlich für Dokumentation: Kevin Ilkow ... Als erstes wurden zuerst die drei

Elektrolytische

Oberflächenveredelung Chemie Praktikum

Praktikum: Elektrolytische Oberflächenveredelung

Team: Kevin Ilkow, Leo Beeli

Datum: 10.03.2011

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INTERSTAATLICHE HOCHSCHULE

FÜR TECHNIK BUCHS


Datum: 10.03.2011

Praktikanten:

Kevin Ilkow

Meinradsweg 3

9472 Grabs

Leo Beeli

Werdenbergstrasse 1

9471 Buchs

Verantwortlich für Dokumentation: Kevin Ilkow



Datum: 10.03.2011

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FÜR TECHNIK BUCHS

Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung ......................................................................................................................................... 4

2. Was ist Oberflächenveredelung ...................................................................................................... 4

3. Versuch 1: Eloxal-Verfahren ............................................................................................................ 5

3.1 Durchführung .......................................................................................................................... 5

4. Versuch 2: ABS vernickeln ............................................................................................................. 10

4.1 Durchführung ........................................................................................................................ 11

4.2 Schichtdickenmessung mit dem RFA ..................................................................................... 16

5. Versuch 3: Stromausbeute bei der elektronischen Vernickelung ................................................. 18

5.1 Durchführung ........................................................................................................................ 18

6. Anhang........................................................................................................................................... 21

6.1 CD .......................................................................................................................................... 21

6.2 Eigenständigkeitserklärung ................................................................................................... 21



Datum: 10.03.2011

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1. Einleitung Im Praktikum „Elektrolytische Oberflächenveredelung“ als Teil des Modules MWC II werden

verschiedene Verfahren zur Veredelung von Oberflächen unterschiedlicher Werkstoffe erprobt.

Diese sind:

Anodische Oxidation eines Sparschälers aus Aluminium auch Eloxal-Verfahren genannt.

Stromloses Verkupfern von Kunststoff und anschliessendes galvanisches Vernickeln; die

Schichtdicken von Kupfer und Nickel werden abschliessend mit einer

Röntgenfluoreszenzanalyse RFA bestimmt.

Ebenfalls wird in einem dritten Versuch die Stromausbeute bei der elektrolytischen Vernickelung von

Messing bestimmt.

2. Was ist Oberflächenveredelung Unter Oberflächenveredelung versteht man die technischen Verfahren, die auf einem Werkstoff

angewandt werden, um die Oberflächeneigenschaften zu verbessern. Das Ziel dieser

Oberflächenveredelung ist zum einen die Verbesserung der funktionalen Eigenschaften, wie zum

Beispiel des Korrosionsschutzes. Und zum anderen die Verbesserung der optischen Eigenschaften,

wie zum Beispiel das verchromen von Stossstangen im Automobilbereich oder das Eloxieren von

Maschinenteilen in der Industrie. Die elektrolytische Oberflächenveredelung ist die Veredelung der

Oberfläche durch eine angelegte Stromquelle. Die Redox-Reaktion wird durch den Anschluss einer

Stromquelle in Gang gebracht, abhängig von Strom und Zeit lagert sich mehr oder weniger Metall auf

der zu beschichtenden Oberfläche ab.



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3. Versuch 1: Eloxal-Verfahren Eloxal bedeutet Elektrolytische Oxidation von Aluminium, da Aluminium ein unedles Metall ist, ist es

sehr anfällig für Korrosion. Aluminium bildet jedoch an der Oberfläche – im Gegensatz zu Eisen – mit

Sauerstoff eine kompakte Oxidschicht. Damit schützt es sich selber vor weiterer Korrosion. Durch das

elektrolytische eloxieren des Aluminiums wird eine solche, stärkere Schicht aufgetragen und das

Metall wirksam gegen Korrosion geschützt. Die Eloxal schichten können ebenfalls in verschiedenen

Farben aufgebracht werden, dadurch können auch optische Anforderungen erfüllt werden. Durch

das eloxieren von Aluminium wird ein leichter Materialauftrag von ca. erreicht.

3.1 Durchführung

1. Reinigung

Die zu eloxierenden Teile des Sparschälers wurden mit einem in Aceton getränkten Tuch

gereinigt. Das entfernt Fettflecken die allenfalls auf der Oberfläche sind. Danach darf das Teil

nicht mehr mit den Händen angefasst werden, um erneute Fettflecken zu vermeiden.

2. Elektrischer Leiter montieren

Zu beachten ist, dass die

Aufhängung des zu eloxierenden

Teils aus einem edlen Metall

bestehen muss, damit das Metall

nicht angegriffen wird. Ebenfalls

wäre eine Aufhängung aus

Aluminiumdraht möglich, dieser

muss jedoch vor erneutem

verwenden wieder in Natronlauge

von der Oxidschicht befreit werden.

In unserem Fall wurde ein Blech aus Titan verwendet, das nun elektrisch leitend zwischen die

Halter für die Klinge geklemmt wurde.

3. Oxidschicht entfernen

Durch das eintauchen des Sparschälers für 60s in 20%-ige (Natronlauge) wird die

Oxidschicht auf der Aluminiumoberfläche entfernt. Die

Komplexbildungsreaktion die in der Natronlauge abläuft löst

den gebundenen Sauerstoff.



Datum: 10.03.2011

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Der Wasserstoff steigt als kleine Bläschen an die Oberfläche der Lauge. Das Aluminium wird

ebenfalls heller, da die Oxidschicht abgetragen ist.

Aluminium



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4. Spülen

Um den Sparschäler von der Natronlauge zu entfernen muss er ca. 1 Minute unter

fliessendem Hahnenwasser gespült werden.

5. Dekapieren1

Durch das eintauchen des Sparschälers für 30s in 30%-ige

(Salpetersäure) werden Fremdmetalle / Legierungsbestandteile und

organische Substanzen entfernt. Dadurch entsteht eine reine

Aluminiumoberfläche. In der Salpetersäure wird ebenfalls das Teil mit

Säure benetzt, die nicht zu 100% durch das anschliessende Spülen

entfernt werden kann. Da beim Spülen nicht alles entfernt wird,

werden danach nur Reste der Salpetersäure mit der Elektrolytlösung

(ebenfalls eine Säure) vermischt.

6. Spülen

Um den Sparschäler von der Salpetersäure zu befreien muss er ca. 1 Minute unter

fliessendem Hahnenwasser gespült werden.

7. Elektrolytische Oxidation

Nach dem Spülen unter dem Hahnenwasser

muss der Sparschäler nun kurz mit

deionisiertem Wasser nachgespült werden

und dann direkt in den Elektrolyten (20%-ige

Schwefelsäure )getaucht werden. Auf

dem Labornetzgerät2 wurde eine Spannung

19.3V eingestellt, dabei stellte sich der

gewünschte Strom von 2.42 A ein. Die

Sparschäler werden als Anode geschalten, der

Aluminium Aussenring wird als Kathode

angeschlossen. Während der Oxidation lagert

sich jetzt der Sauerstoff aus der

Schwefelsäure zusammen mit dem Aluminium aus dem Aussenring auf dem Sparschälers ab.

Da diese Oxidschicht elektrisch isolierend ist, sinkt der Strom bei im Laufe der 61.5 Minuten

auf 1.15 A ab. Der Wasserstoff der bei der Aufspaltung der Schwefelsäure entsteht, steigt als

Blasen an die Oberfläche des Elektrolyts. Das Elektolytbad wurde mittels Magnetrührwerk

und einem Eisbad auf gekühlt. Da die Elektrolytische Oxidation ein exothermer

Vorgang ist, musste um diese Temperatur halten zu können, mehrmals Eis nachgegeben

werden.

1 http://www.umweltschutz-bw.de/index.php?lvl=3948

2 Power Supply PS-405 D



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8. Spülen

Um die Schwefelsäure komplett zu entfernen wurden die Sparschäler für 5 Minuten unter

kaltem fliessendem Wasser gespült. Dadurch wurden die Sulfat-Ionen vom Aluminium

entfernt. Diese Sulfat-Ionen würden ansonsten den Färbevogang sehr stark hemmen.

Ebenfalls ist es wichtig, dass das Wasser möglichst kalt ist, ansonsten werden die Poren auf

der Aluminiumoberfläche bereits vorgängig verschlossen.

9. Färben

In die Poren, die durch die Elektrolyse

entstanden sind, lagern sich die grossen

Farbmoleküle ab. Die Farbmoleküle

haften in den Poren durch sterische

Haftung. Ebenfalls ist der Sparschäler

polar, der Farbstoff ebenfalls, das Wasser

in dem er gelöst ist auch. Dadurch hält

der Farbstoff in den Poren.

Für das Färben der Sparschäler wurden

diverse Farben zur Verfügung gestellt. Die

verwendete Farbe war Al-Violett CLW 3g/L pH

5,5. Diese Farbe konnte direkt übernommen

werden, sie musste lediglich auf einer

Heizplatte (200°C) auf 55°C erhitzt werden.

Ebenfalls wurde ein Magnetrührer in die Farbe

gegeben um die Farbe gut zu durchmischen.

Die Sparschäler wurden direkt nach dem

Abspülen (ohne zu trocknen) für 5 Minuten

frei schwebend in die Farbe gegeben. In der

ersten Minute war es von höchster

Wichtigkeit, das die Sparschäler nichts

berührten, da in dieser Zeit die meiste Farbe

angelagert wurde.

Nach den 5 Minuten Färben wurden die

Sparschäler unter fliessendem Wasser

abgespült.

Poren



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10. Sealen

Die Sparschäler wurden nach dem Abspülen in kochendes Wasser gegeben. Wasser baut sich

dadurch zwischen Sauerstoff und Aluminium in die Elox-Schicht ein. Durch die Hitze werden

anschliessend die Poren geschlossen.

11. Entsorgen

Sämtliche Säuren, Basen und Farben können wiederverwendet werden und können zu

diesem Zweck zurück in die Aufbewahrungsgefässe gegeben werden.



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4. Versuch 2: ABS vernickeln Theorie3

Für verschiedene Anwendungen werden Kunststoffe mit Metallschichten überzogen, die

unterschiedliche Funktionen wahrnehmen können, z.B:

• Abschirmung gegen elektromagnetische Felder & Funkentstörung (z.B. metallbeschichtetes

Kunststoffgehäuse von Mobiltelefonen)

• Verschönerung von Bauteilen (z.B. Badezimmer-Armaturen aus hartverchromtem Kunststoff;

diese sind zudem leichter als aus Metallen gegossene Armaturen)

• Erhöhung der Gasdichtigkeit (z.B. aromadichte Verpackungen aus im Vakuum

aluminiumbedampften Folien; Al-Schichtdicke < 1μm)

Bei den beiden erstgenannten Anwendungen werden die Metallschichten elektrolytisch aufgebaut.

Schichtdicken über 1 mm sind möglich. Das Design des Bauteils spielt somit keine wesentliche Rolle,

da es sich um eine flächendeckende Metallabscheidung handelt. Kunststoffe selbst sind jedoch nicht

elektrisch leitend und können somit nicht direkt elektrolytisch mit Metallschichten überzogen

werden. Als Vorbereitung muss der Kunststoff daher stromlos mit einer leitfähigen (Metall-) Schicht

überzogen werden. Dieser Prozess wiederum besteht aus mehreren Prozessschritten. Nicht alle

Kunststoff-Metall-Kombinationen lassen sich gleich gut elektrolytisch herstellen. Einerseits definiert

die Chemie des Kunststoffes die Vorbehandlung, die schliesslich eine gute Haftung zwischen

Kunststoff und Metall gewährleistet. Andererseits spielen die mechanischen Eigenschaften beider

Werkstoffe (z.B. Verformbarkeit des Kunststoffes, Kratzfestigkeit der Metalloberfläche, ...) eine

grosse Rolle. Ein Kunststoff, der sich für galvanische Veredelungen bewährt hat, ist ABS. Es handelt

sich dabei um ein gepfropftes Polymerisat aus drei unterschiedlichen Monomeren: Acrylnitril,

Butadien und Styrol. ABS lässt sich leicht thermoplastisch verarbeiten und ist zudem mechanisch gut

bearbeitbar.

Im Praktikum „Elektrolytische Oberflächenveredelung“ ist es die Aufgabe ein ABS-Plättchen mit den

Massen 2.5 x 10cm zuerst stromlos zu verkupfern und dann galvanisch zu vernickeln.

3Seite 7, Elektrolytische Oberflächenveredelung Version 4.2 [10.03.2011]

(https://intranet.ntb.ch/fileadmin/Intranet/unterrichtsunterlagen/chemie/MWC_II/4_Elektrolytische%20Oberflaechenveredelungen.pdf)



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4.1 Durchführung

1. Vorbereitung

Als erstes wurden zuerst die drei für die Beschichtung notwendigen selber herzustellen

Lösungen vorbereitet:

Lösung B: 1.6028g Zinn(II)-chlorid mit Analysewaage abgewogen

90ml deion. Wasser mit Messzylinder abgemessen

In 100ml Becherglas auf Rührwerk vermischt

Lösung C: 0.1146g Silber(I)-nitrat mit Analysewaage abgewogen

90ml deion. Wasser mit Messzylinder abgemessen

In 100ml Becherglas auf Rührwerk vermischt

Lösung D: 1.1912g Kupfer(II)-sulfat mit Analysewaage abgewogen

2.3915g Kaliumnatriumtartrat mit Analysewaage abgewogen

1.0545g Natriumhydroxid mit Analysewaage abgewogen

Zuerst mit 50ml deion. Wasser (Messzylinder) in 100ml Becherglas auf

dem Rührwerk auflösen, dann erneut 40ml deion. Wasser

(Messzylinder) verdünnen.

2. Beizen

Das ABS-Plättchen wurde für 5 Minuten in das

Becherglas mit der auf 60-65°C vorgewärmter

Chromsäure getaucht. Die Chromsäure wurde zur

Verfügung gestellt4. Im Umgang mit der Chromsäure

musste aufgepasst werden, denn Chromsäure ist

stark ätzend und giftig. Der Thermometer zur

Temperaturmessung musste aus Glas bestehen, da

dieses durch die starke Säure nicht angegriffen wird.

Durch eintauchen in eine stark oxidierend wirkende

Chromsäure wird die der Oberfläche aufgeraut und

mit den notwendigen Haftstellen (v.a. Carbonsäure-

Gruppen = –COOH) versehen. Oberfläche ist

anschliessen matt und rau.

4 Herstellung siehe: Seite 8, Elektrolytische Oberflächenveredelung Version 4.2 [10.03.2011]


-CO

OH

-CO

OH

-CO

OH

Oberfläche des ABS



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3. Spülen

Um die stark ätzende Säure zu entfernen musste das ABS-Plättchen gut mit deion. Wasser

gespült werden. Anschliessend musste das Plättchen mit einem Kleenex-Tuch gereinigt

werden.

4. Aktivieren

Das ABS-Plättchen wurde dann für 5 Minuten in die Zinn(II)-chlorid (Lösung B) eingetaucht,

dabei wurde die Lösung ständig leicht gerührt. Beim Einwirken einer Lösung von Zinn(II)-

chlorid haften die Zinn-Ionen auf der Oberfläche.

Um das Zinn(II)-chlorid zu entfernen musste das ABS-

Plättchen gut mit deion. Wasser gespült werden.

Anschliessend musste das Plättchen mit einem Kleenex-Tuch

gereinigt werden.

Das ABS-Plättchen wurde dann für 5 Minuten in die Silber(I)-

nitrat (Lösung C) eingetaucht, dabei wurde die Lösung ständig

leicht gerührt. Bei der ablaufenden Redox-Reaktion wurden

Silber-Metallkeime in den Poren der Oberfläche abgelagert.

Um die Silber(I)-nitrat Lösung zu entfernen musste das ABS-

Plättchen gut mit deion. Wasser gespült werden. Anschliessend

musste das Plättchen mit einem Kleenex-Tuch gereinigt

werden.

Durch die auf der Oberfläche abgelagerten Silberkeime verändert sich die Oberfläche des

ABS-Plättchens, es wird sichtbar dunkler.

Silber(I)-nitrat

Sn2+ Oberfläche des ABS



Datum: 10.03.2011

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5. Leitendmachen

Der Lösung D (Kupfer(II)-sulfat, Kaliumnatriumtartrat,

Natriumhydroxid)5 wurde mit der Pipette 4ml Formaldehyd-

Lösung zugegeben. Die Lösung wurde dabei auf dem

Rührwerk mit eingeschalteter Heizung durchmischt. Das ABS-

Plättchen wurde für 12 Minuten in diese Lösung eingetaucht.

Durch den Redoxvorgang lagerte sich eine nur wenige μm

dicke Kupferschicht auf dem im Schritt 4 aufgebrachten

Silber ab.

Oxidation

Reduktion

Gesammtreaktion

Die Lösung D wechselt während des Redoxvorgangs die

Farbe. Zuerst ist die Lösung blau durchsichtig und wird

dann blau milchig. Ebenfalls entsteht am Boden des 100ml

Becherglases eine Kupferablagerung.

Nach der Reaktion in der Lösung D musste das ABS-

Plättchen mit viel deoin. Wasser gespült werden, mit

einem Kleenex Tuch getrocknet und dann für 10 Minuten

an der Luft getrocknet werden.

Als letztes musste eine Haftprüfung durchgeführt werde,

deshalb wurde ein Scotch-Band auf die Kupferschicht

geklebt und dann mit einem Ruck abgezogen. Das Kupfer

durfte sich dabei nicht ablösen.

5 Herstellung siehe: Seite 8, Elektrolytische Oberflächenveredelung Version 4.2 [10.03.2011]


Kupfer



Datum: 10.03.2011

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6. Galvanisieren

Die Galvanisierung des ABS-Plättchens wurde gemäss Anleitung im Skript6 durchgeführt.

Die Prozessparameter:

Zeit: 10 Minuten

Strom: 0.5 Ampére

Spannung:

Während den 10 Minuten lagerte sich auf

dem ABS-Plättchen eine Nickelschicht ab,

die später im RFA auf die Schichtdicke

analysiert wurde.

Als abschliessende Arbeit wurden die

Lösungen B-D in den Tank für

anorganische Abfälle gegeben. Die

Lösungen A und E konnten zurück in die

Aufbewahrungsgefässe gegeben werde.

6 Siehe Seite 10: Elektrolytische Oberflächenveredelung Version 4.2 [10.03.2011]




Datum: 10.03.2011

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Nickelschicht



Datum: 10.03.2011

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4.2 Schichtdickenmessung mit dem RFA

Theoretische Schichtdicke:

Oberfläche der ABS-Vernickelung

Geflossene Ladungsmenge

Anzahl verschobene Elektronen

Umgesetzte Stoffmenge

Masse des Nickels

Volumen des aufgetragenen Nickels

Durchschnittliche Schichtdicke der

Nickelschicht

l

b

h



Datum: 10.03.2011

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Gemessene Schichtdicken:

In der Mitte der Fläche In der Ecke

Die Messungen wurden gemäss Anleitung7

ausgeführt. Die Abweichung zwischen

theoretischer Schichtdicke und der gemessenen

liegt im nm Bereich und ist auf Verluste im

Galvanisierungsprozess zurückzuführen. Die

erhöhte Schichtdicke in den Ecken ist auf die

grössere elektrische Ladung in den Ecken

zurückzuführen.





Datum: 10.03.2011

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5. Versuch 3: Stromausbeute bei der elektronischen Vernickelung

5.1 Durchführung

Vorbereitung der Lösungen:

Galvanisierbad: 14.9991g Nickel(II)-sulfat (Analysewaage) in 100ml Becherglas

18.0190g Nickel(II)-chlorid (Analysewaage) ins selbe 100ml Becherglas

1.8168g H3BO3 (Borsäure) (Analysewaage) ins selbe 100ml Becherglas

Mit 50ml deion. Wasser (Messzylinder) auflösen und dann mit 40ml

verdünnen.

Bei diesem Vorgang hatte sich ein Fehler eingeschlichen, die 5ml Schwefelsäure wurden

vergessen. Dadurch wurde bei der anschliessenden galvanischen Vernickelung keine Nebenreaktion

ausgeführt und es wurde eine sehr hohe Stromausbeute erreicht.

Galvanisierung:

Der Rundmessingstab wurde gemäss Praktikumsanleitung8 behandelt und mit Nickel

überzogen.

Die Prozessparameter waren:

Stromstärke: 0.5 Ampére

Dauer: 10 Minuten

Spannung:





Datum: 10.03.2011

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Während der Elektrolyse entstanden Bläschen an der Kathode (Messingstab). Der

Messingstab wurde vor und nach der Vernickelung auf der Analysewaage gewogen. Die

Gewichtszunahme war 620mg.



Datum: 10.03.2011

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Stromausbeute:

geflossene Ladungsmenge

Anzahl verschobene Elektronen

Berechneter Massenauftrag

Gemessener Massenauftrag

Effektive Stromausbeute

Da beim vorbereiten der Elektrolytlösung vergessen wurde

die Schwefelsäure hinzuzufügen, hatte es keine

Hemmstoffe im Elektrolyten. Die eingesetzte Energie

konnte fast vollständig für den Aufbau der Nickelschicht

verwendet werden. Wenn wir die Schwefelsäure

hinzugesetzt wären die H+-Ionen durch die Elektrolyse in H

umgewandelt worden und hätten zusätzliche Energie

verbraucht.



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6. Anhang

6.1 CD

Auf der CD befinden sich:

Praktikumsanleitung

Praktikumsbericht als PDF

High-Resolution Bilder des Versuches

6.2 Eigenständigkeitserklärung

"Ich erkläre hiermit, − dass ich die vorliegende Arbeit ohne fremde Hilfe und ohne Verwendung anderer als der angegebenen Hilfsmittel verfasst habe, − dass ich sämtliche verwendeten Quellen erwähnt und gemäss gängigen wissenschaftlichen Zitierregeln nach bestem Wissen und Gewissen korrekt zitiert habe.“ Donnerstag, 10. März 2011

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