مقالات علمی آنالیز و کنترل در آبکاری

آنالیز شیمیایی محلول های آبکاری از نگاه متال فینیشینگ 2003

آنالیز شیمیایی محلول های آبکاری از نگاه متال فینیشینگ 2003

واحد تحقیق و توسعه شرکت جلاپردازان

محلول های آبکاری به منظور کنترل فرمولاسیون حمام و همینطور پیشگیری از مشکلات مربوط به هریک از اجزای حمام، باید مرتبا آنالیز شوند. از طرفی سطح آلودگی محلول نیز باید توسط این آنالیز شیمیایی همواره تحت کنترل باشد. صنعتگران آبکاری برای اطمینان از حداکثر بازدهی محلول و یکنواختی رسوبات، مشخصاتی را برای محلول درنظر می گیرند. فاکتورهای مختلفی که باعث می شوند غلظت اجزای حمام از مقدار بهینه خود منحرف شوند عبارتند از:

1-     بیرون آمدن بخشی از محلول مثلا همراه با خروج قطعه

2-     تبخیر محلول

3-     تجزیه شیمیایی محلول

4-     ضریب بازدهی یکسان آند و کاتد

مشخص شده است که یکی از مشکلات مربوط به بازده محلول های آبکاری عبارت است از تغییرات تدریجی اما پیوسته در pH، محتوای فلزی و یا مقدار سیانید محلول (جدول 1 را ببینید). تکنیکهای مورد استفاده برای آنالیزهای کمی محلولهای آبکاری بصورت تکنیکهای حجم سنجی (تیتراسیون)، وزن سنجی و دستگاهی طبقه بندی می شوند.  

روشهای وزن سنجی و حجم سنجی اصولا تحت عنوان روشهای مرطوب شناخته میشوند. با توجه به تعدد روشهای آنالیز، انتخاب بهترین روش آنالیز باید بر اساس ویژگیهای محلول، در نظر گرفتن هزینه های اقتصادی و موثر بودن روش برای محلول خاص توسط آنالیزگر انجام شود. روشهای مرطوبی که در اینجا مطرح می­شود برای کنترل همه فرایندهای آبکاری به اندازه کافی ساده، دقیق و سریع می باشند. تجهیزات مورد نیاز برای این روشها بسیار معمولی و در حد امکانات معمولی در یک واحد آزمایشگاهی ساده می باشد و دستورالعمل ها به اندازه کافی دقیق است که یک تکنسین معمولی بدون هیچ مشکلی می تواند آنها را انجام بدهد. این در حالی است که اگر هدف شناسایی مقادیر کم ناخالصی و یا فلزهای غیرمعمول باشد نمونه باید به یک واحد آزمایشگاهی مجهز که پرسنل آن از توانایی بالایی در دانش شیمی برخوردارند ارجاع شود. تست Hull cell به اپراتور این امکان را میدهد تا کیفیت پوشش در بازه گسترده­ای از دانسیته جریان بررسی کند.

جدول 1: مشکلات ایجاد شده بدلیل عدم تناسب بازده کاتدی و آندی
علت مشکل
بازده آندی بالا pH بالا
بازده کاتدی بالا pH پایین
بازده آندی بالا مقدار زیاد فلز
بازده کاتدی بالا مقدار کم فلز
بازده آندی پایین سیانید آزاد زیاد
بازده آندی بالا سیانید آزاد کم

روشهای حجم سنجی

روشهایی که در آن غلظت نمونه مورد نظر در محلول آبکاری با اضافه کردن یک محلول شناخته شده استاندارد به محلول مورد آزمایش (در اینجا نمونه محلول وان) بصورت کمی تعیین می شود، اصولا تحت عنوان روشهای حجم سنجی شناخته می شوند. جزئی که باید شناسایی شود باید بطور کامل با عامل تیتر کننده با نسبت استوکیومتری معلوم واکنش دهد. بر اساس حجم مصرفی محلول تیترانت، می­توان غلظت گونه مورد نظر را براحتی محاسبه نمود. سادگی، سرعت و هزینه نسبتا پایین این روش باعث شده تا این روش یکی از پرکاربردترین روشهای آنالیز شیمیایی محلول های آبکاری باشد.

روشهای حجم سنجی شامل چندین نوع واکنش می­باشند: اکسایش- کاهش، اسید-باز، تشکیل کمپلکس و رسوب. شناساگرها بعنوان معرفهای کمکی هستند که به تشخیص نقطه پایان آنالیز کمک می­کنند. نقطه پایان می­تواند توسط تغییر رنگ محلول، کدر شدن محلول، یا برطرف شدن کدورت محلول تشخیص داده شود.

در برخی روشهای حجم سنجی به مقدار کمی نمونه نیاز است درحالی که در برخی موارد بعضا نمونه بیشتری مورد نیاز می باشد. مشخص شده است که دقت اندازه گیری برای آنالیز محلولهایی که غلظت عامل تیتر شونده در آنها خیلی کم است کاهش می­­­­یابد زیرا تشخیص نقطه پایانی در آنها به سادگی محلولهایی که در آنها عامل تیتر شونده غلظت بالایی دارند، نمی باشد.

برای رسیدن به نتیجه دلخواه برخی پارامترها باعث محدود شدن دامنه کاربرد روهای حجم سنجی می شوند. از جمله اینکه  شناساگرها باید بتوانند نقطه پایان را بخوبی نشان دهند و همچنین واکنش جزء تیتر شونده با محلول استاندارد در حضور شناساگر نباید توسط سایر مواد موجود در محلول، تداخل و همپوشانی داشته باشد.

روشهای وزن سنجی

در روشهای وزن سنجی، تعیین جزء مورد نظر در محلول با جداسازی آن جزء از سایر اجزای محلول توسط ترسیب، تبخیر یا دستگاه تجزیه الکتریکی انجام می شود. روش­های ترسیب از روشهای مهم در فرایند وزن سنجی می باشند. رسوب حاصل اصولا یک ترکیب با انحلال پذیری بسیار کم و خلوص بالا است. وزن رسوب بعد از فیلتراسیون محلول، شستن و خشک کردن آن اندازه گیر می­شود. روشهای وزن سنجی برای تکمیل روشهای حجم سنجی استفاده می­شوند. محدودیتهای روشهای وزن سنجی عبارتند از اینکه گونه ترسیب شده باید از در محلول بسیار نامحلول باشد. رسوب باید همچنین خلوص بسیار بالایی داشته باشد و به سهولت فیلتر شود. گونه هایی که بصورت وزن سنجی آنالیز میشوند عبارتند از کلرید، سولفات، کربنات، طلا و نقره.

روشهای دستگاهی

روشهای دستگاهی با روشهای مرطوب متفاوت هستند زیرا در روشهای دستگاهی ویژگی های فیزیکی مربوط به ترکیب یک ماده اندازه گرفته می شود در حالیکه روشهای مرطوب مبتنی بر انجام واکنش های شیمیایی هستند. انتخاب روش دستگاهی مناسب برای آنالیز یک محلول آبکاری وظیفه سنگینی است. آنالیزگر باید هزینه تمام شده آزمایش و همچنین دقت روش انتخاب شده برای محلول آبکاری مورد نظر را حتما در انتخاب خود لحاظ کند. دستگاههایی که به کامپیوتر متصل می شوند، می توانند به صورت خودکار نتایج را تجزیه و تحلیل کرده و ثبت کنند. به این ترتیب خطای محاسباتی به حداقل خود رسیده و نتایج حاصل نسبت به روشهای مرطوب تکرار پذیرتر می باشد. روشهای دستگاهی همچنین بسیار سریعتر از روشهای مرطوب هستند.

برخلاف انسانها، دستگاهها نمی توانند قضاوت کنند. اگر نمونه ای درست آماده نشده باشد یا گونه ها باهم تداخل داشته باشند برای دستگاه قابل تشخیص  نیست. برخی نتایج غلط می تواند ناشی از مشکلات الکترونیکی دستگاه باشد.

دستگاههای مورد استفاده برای آنالیز محلولهای آبکاری عمدتا جزو دستگاهی طیف سنجی، فوتومتری، کروماتوگرافی، و الکتروآنالیز طبقه می­شوند. روشهای اسپکتروسکوپی یا طیف سنجی (فوتومتری شعله، طیف سنجی نشری، فلورسانس X-ray، طیف سنجی جرمی، و پلاسمای جفت شده القایی) برپایه نشر نور می­باشند. روشهای فوتومتری (اسپکتروفوتومتری، کالریمتیری و جذب اتمی) برپایه جذب نور می­باشند. روشهای کروماتوگرافی (یون کروماتوگرافی) شامل جداسازی مواد و سپس شناسایی آن می شود. روشهای الکتروآنالیز (پتانسیومتری، هدایت سنجی، پلاروگرافی، آمپر سنجی و الکتروگروی متری) مبتنی بر یک جریان الکتریکی در مسیر آنالیز هستند.

روش های دستگاهی که بصورت مفصل در زیر بررسی می شوند عمدتا روشهایی هستند که برای محیط های آبکاری مناسب تر هستند.

روشهای طیف سنجی

طیف سنجی عبارت است از آنالیز یک ماده توسط اندازه گیری نور نشر یافته. هنگامی که به یک اتم گرما، انرژی الکتریکی یا انرژی رادیویی داده می شود، اتم اتتم تهییج می شود و نور را نشر می­دهد. تهییج می تواند توسط یک شعله، جرقه، اشعه ایکس یا یک قوس AC یا DC ایجاد شود. الکترونها در اتم از حالت پایه خود تحریک می شوند و به یک تراز انرژی ناپایدار با سطح انرژی بالاتر می روند. این الکترونهای تههیج شده هنگام بازگشت به سطح انرژِ پایه خود، انرژی را که برای تهییج شدن گرفته بودند بصورت تابش الکترومغناطیسی رها یا منتشر می کنند.

از آنجایی که هر عنصر حاوی اتم هایی با آرایش مختلف الکترون های لایه خارجی می باشد لذا مجموعه ای از طول موج های متمایز به دست می آید. این طول، موجها، ناشی از اتمهای چندین عنصر، توسط یک تک فام کننده مانند یک منشور یا توری پراکنش از یکدیگر جدا می شوند. تشخیص طول موجها می تواند بصورت فتوگرافیکی (اسپکتروگراف) و یا از طریق دتکتورهای فتوالکتریک مستقیم (اسپکتروفوتومتر) انجام شود. اندازه گیری شدت نور نشر شده در یک طول موج خاص متناسب با غلظت عنصری است که آنالیز می شود. مزیت طیف سنجی این است که این روش برای عنصر مورد بررسی خاص است. این موضوع کمک می کند تا آنالیز کمی مقدار بسیار کم عناصر را بدون نیاز به پیس آماده سازی و یا اطلاع قبلی از ماهیت محلول و حضور یا عدم حضور سایر عناصر و بصورت مستقل انجام بدهیم. در این روش اغلب فلزات و برخی ترکیبات غیر فلزی قابل شناسایی هستند. آنالیز اسپکتروسکوپی همچنین از این جهت که تکرار پذیر است با ارزش می باشد. اما از معایب این روش می توان به مواردی همچون وابستگی شدت نور نشری به دما، بصورتی که شدت به نوسانات کوچک دمایی بسیار حساس است. صحت و دقت روشهای اسپکتروگرافی به اندازه روشهای اسپکتروفوتومتری یا روشهای مرطوب نمی باشد. روشهای اسپکتروگرافی عموما از این جهت که حد تشخیص (حداقل مقدار قابل تشخیص برای دستگاه)  آنها غلظت 3% عنصر است دارای محدودیت می باشند. علاوه بر این، برای عناصر با انرژی بالا مانند زینک کمتر از عناصر با انرژی کم مانند سدیم است. کاربرد اسپکتروسکوپی شامل آنالیز اجزای اصلی و ناخالصی ها در محلول های آبکاری و رسوب آلیاژی برای ترکیبات است.

فتومتری شعله

در فتومتری شعله، نمونه محلول در فشار هوای ثابت اتمیزه شده و بصورت یک مه دود یکنواخت وارد شعله می شود. دمای شعله (1,800-3,100 OK) ثابت نگاه داشته می شود. حلال تبخیر می شود و جامد بخار میشود و سپس به اتمها در حالت پایه تفکیک می شود. الکترونهای لایه والانس اتمهای حالت پایه توسط انرژی شعله تهییج شده و به سطوح بالاتر رفته و مجددا به حالت پایه باز می گردند. شدت خطوط طیف نشر شده در یک اسپکتروگراف تعیین شده و یا توسط یک اسپکتروفوتومتر مستقیما اندازه گیری می شود. فتومتر شعله با استانداردهایی که غلظت و ترکیب آنها مشخص است کالیبره میشود. سپس شدت یک خط طیفی مشخص ناشناخته می تواند با مقدار یک عنصر موجود که تابش خاصی را منتشر می کند، همبسته شود. تداخل های فیزیکی ناشی از حلال یا حلال شونده ممکن است بر میزان انتقال نمونه به شعله تاثیر بگذارد. هنگامی که طول موج عنصر مورد نظرتقریبا همان طول یک عنصر دیگر باشد، نشرهای این خطوط مجاور دارای تداخلهای طیفی خواهد بود. یک تک فام کننده یا انتخاب سایر خطوط طیفی این تداخل را به حداقل می رساند. تداخل یونیزاسیون ممکن است توسط شعله های دما بالاتر رخ دهد. با اضافه کردن یک عنصر دم با قابلیت یونیزاسیون، به دلیل یونیزاسیون این عنصر، تداخلها به حداقل می­رسند. مزیت فوتومتری شعله این است که دمای شعله در این حالت نسبت به منابع الکتریکی بسیار با ثبات تر است. یک ایراد این روش این است که حساسیت منبع شعله چندین بار کوچکتر از یک قوس الکتریکی یا جرقه است. از فوتومتری شعله برای آنالیز آلومینیوم، بور،کادمیوم، کلسیم، کروم، کبالت، مس، منیزیم، آهن، سرب، لیتیم، منیزیم، نیکل، پالادیوم، پلاتین، پتاسیم، رودیوم، روتنیم، نقره، سدیم مورد استفاده قرار می گیرد. ، استرانسیم، قلع و روی استفاده می شود.

طیف سنجی نشری

در طیف سنجی نشری (ES)، یک نمونه جامد، فلز ریخته گری یا محلول توسط یک تخلیه الکتریکی از قبیل یک قوس AC، یک قوس DC یا یک جرقه تهیییج می شود. نمونه معمولا در حفره الکترود گرافیت پایینتر که مثبت است، قرار می گیرد. امکترود همراه بالاتر نیز از جنس گرافیت است. گرافیت به علت توانایی بالای خود برای مقاومت در برابر دمای بالا تخلیه الکترود، ماده مناسبی ربرای تهیه و ساخت الکترودها بشمار می­رود. از طرفی گرافیت یک هادی الکتریکی خوب است و بدلیل عدم ایجاد خطوط طیفی مربوط به خود امکان ایجاد تداخل طیفی را ندارد. قوس زمانی ایجاد می شود که دو الکترود گرافیتی یک لحظه کوتاه باهم تماس داشته باشند و سپس از هم جدا شوند. دماهای بسیار بالا (K 6000-4000) باعث تولید تابش اشعه با سطح انرژی و تعداد خطوط طیفی بیشتر در مقایسه با فوتومتری شعله می شود. طول موج مشخصی از اتم های چندین عنصر توسط یک تک فلوتر جدا شده و توسط اسپکتوگراف یا اسپکتروفتومتر شناسایی می شوند. طول موجهای مشخص از از اتمهای چندین عنصر توسط یک مونوکروماتور تفکیک می شوند و توسط اسپکتروگراف یا اسپکتروفوتومتر شناسایی می شوند. شناسایی کیفی با استفاده از نمودارها و جداول موجود برای شناسایی خطوط طیفی که طیف سنج خروجی بر اساس طول موج آنها مرتفع می شود انجام می شود.

عناصر موجود در یک نمونه همچنین می توانند بصورت کیفی با مقایسه طیف ناشناخته با نمونه های عناصرخالص شناسایی شوند. دانسیته طول موجها متناسب با غلظت عنصری تعیین شده است. کالیبراسیون توسط نمونه های استاندارد انجام می گیرد. طیف سنجی نشری یک روش مفید برای آنالیز مقادیر بسیار کم آلاینده های فلزی در حمام آبکاری است. روش “oxide” یم تکنیک معمول برای آنالیز کمی در طیف سنجی نشری است. یک نمونه از حمام آبکاری در یک خشک کن تبخیر شده و سپس در یک کوره سوزانده می شود. اکسیدهای حاصل با گرافیت مخلوط شده و در یک الکترود گرافیتی قرار داده می شوند. استانداردها به روش مشابه تهیه می شوند و یک قوس DC برای تهییج نمونه و استاندارد استفاده می شود.

فلورسانس اشعه X

طیف سنجی فلورسانس اشعه X یا (XRF) بر اساس تهییح نمونه ها توسط یک منبع اشعه ایکس انرژی با کافی بالا است که منجر به انتشار تابش فلورسنت می شود. غلظت عنصری که قرار است شناسایی شود متناسب با شدت طول موج شاخصه آن است. یک طیف سنج XRF معمولی متشکل از یک منبع تابش پرتو X، یک شناساگر و یک بخش تحلیل کننده داده ها است. مزایای XRF شامل غیر تخریبی بودن روش است.روش  XRF برای اندازه گیری اجزای اصلی حمام های آبکاری مانند کادمیوم، کروم، کبالت، طلا، نیکل، نقره، قلع و روی مفید است. معایب XRF عبارتند از عدم حساسیت آن در مقایسه با ES. همچنین می توان از طیف سنجی اشعه ایکس برای اندازه گیری ضخامت یک پوشش آبکاری شده نیز استفاده می شود. آشکارساز اشعه ایکس روی طول موج عنصر اندازه گیری شده قرار می گیرد. سطح پوشش در معرض یک منبع اشعه ایکس قرار گرفته و شدت طول موج عنصر اندازه گیری می شود. برای هر نوع پوشش آبکاری خاص، منحنی کالیبراسیون عبارت است از نمودار شدت در برابر ضخامت. با استفاده از XRF همچنین می توان ترکیب پوشش را نیز تعیین کرد.

طیف سنجی جرمی

در طیف سنجی جرمی (MS)، گاز یا بخار حاصل از مایعات یا جامدات توسط یک پرتو الکترونی در یک اتاق یونیزاسیون بمباران می شود، که باعث یونیزاسیون و شکست پیوندهای شیمیایی می شود. در این فرایند ذرات بارداری تشکیل می شوند که ممکن است از عناصر، مولکول ها یا قطعات تشکیل شده باشند. سپس میدانهای الکتریکی و مغناطیسی یونهای حاصل را بر اساس نسبت جرم به بار ذرات(m/e) از هم جدا می کنند. مقدار و نوع قطعات تولید شده در یک چمبر یونیزاسیون برای انرژی خاصی از پرتو بمباران کننده، مشخصه مولکول است؛ بنابراین، هر ترکیب شیمیایی دارای طیف جرمی مخصوص به خود است. با ایجاد یک طیف جرمی از چند ترکیب خالص، یک الگوی مشاهده شده امکان شناسایی و تجزیه و تحلیل ترکیبات پیچیده را فراهم می آورد. طیف جرمی یک ترکیب شامل جرم قطعات یونها، فراوانی نسبی این یونها و همچنین یون مادر است. قطعات جداسازی شده برای یک ترکیب خاص همیشه در فراوانی نسبی یکسان رخ می دهند. روش MS برای همه موادی که دارای فشار بخار نسبتا بالا هستند قابل استفاده است که معمولا شامل موادی می شود که نقطه جوش زیر 450oC دارند. با استفاده از این روش امکان آنالیز کیفی و کمی گازها، مایعات و جامدات فراهم می شود.

پلاسمای القایی جفت شده

پلاسمای حفت شده القایی (ICP) شامل آسپیراسیون یک نمونه در یک  جریانی از گاز آرگون و سپس یونیزاسیون آن با استفاده از یک میدان فرکانس رادیویی است. نمونه آئروسل در پلاسما گرم می شود،  مولکولها تقریبا بطور کامل از هم تفکیک می شوند و سپس اتمهای موجود در نمونه در فرکانس خاص خود نور را نشر می دهند. نور نشر شده از یک مونو کروماتور عبور کرده و به آشکارساز می­رسد. دمای بالای گاز پلاسمای آرگون (K7000) انتشار اتمی کارآمدی را تولیدمی­کند و امکان شناسایی برای بسیاری از عناصر با حد تشخیص پایین را فراهم می­کند. همانند روش جذب اتمی، در ICP هم دستگاه قادر نیست بین حالتهای اکسایش متفاوت یک اتم تمایز قایل شود. مثلا اگر در نمونه Cr3+ و Cr6+ همزمان وجود داشته باشند، دستگاه مجموع هردو را بعنوان یک عدد واحد اعلام می کند. مزایای ICP شامل یونیزاسیون کامل است و بر خلاف روش جذب اتمی در این روش ماتریس دخالت ندارد. با استفاده از ICP امکان تحلیل همزمان عناصر مختلف را در یک زمان کوتاه فراهم می شود. این روش به مقادیر یک در میلیون حساس است. معایب ICP عبارتند از: هزینه بالای آن و عدم تحمل آن به نمونه هایی که مواد جامد محلول در آن بیش از  3 درصد باشند. اصلاحات پس زمینه معمولا برای مواجهه با تابش پس زمینه از عناصر دیگر و گازهای پلاسما جبران می شود. تداخل فیزیکی به علت گرانروی و یا کشش سطحی، می تواند خطاهای قابل توجهی ایجاد کند. این خطاها با رقیق کردن نمونه کاهش می یابد.اگر چه تداخل های شیمیایی در روش ICP نامطلوب هستند، با انتخاب دقیق شرایط عملیاتی دستگاه، با تطبیق ماتریس یا بافر کردن نمونه، می توان آنها را به شدت کاهش داد. روش ICP برای آنالیز اجزای اصلی و آلودگی های بسیار کم محلولهای آبکاری قابل استفاده است. این روش همچنین برای آنالیز زباله مفید است.

روشهای فوتومتری

روشهای فوتومتری براساس جذب انرژی تابشی اشعه ماوراء بنفش (200-400 نانومتر) یا نور مرئی (400 تا 1000 نانومتر) توسط یک گونه در محلول است. در این روش مقدار انرژی جذب شده متناسب با غلظت گونه های جاذب در محلول است.مقدار جذب توسط اسپکتروفتومتریک یا رنگ سنجی تعیین می شود.حساسیت و دقت روش های فوتومتریک به منظور تشخیص نقص های الکتریکی، نوری یا مکانیکی در ابزار تحلیلی باید با آزمایش محلولهای استاندارد به طور مرتب بررسی شود.

اسپکتروفتومتری و رنگ سنجی

اسپکتروفتومتری روشی است مبتنی بر اندازه گیری نور جذب شده توسط یک محلول. در این روش، جذب متناسب با غلظت آنالیت در محلول است. روشهای اسپکتروفتومتریک اغلب برای آنالیز فلزاتی با غلظت تا 2٪ استفاده می شوند.

اسپکتروفتومترها شامل یک منبع نور (تنگستن یا هیدروژن)، یک تک فام کننده، یک نگهدارنده نمونه و یک آشکارساز هستند. نور ماورای بنفش یا نور مرئی با  یک طول موج مشخص بعنوان منبع نور استفاده می شوند. آشکارسازها سلولهای فوتوالکتریک هستند که نور انتقال یافته (غیر جذب شده) را اندازه می گیرند. اسپکتروفتومترها با فوتومترها متفاوتند، زیرا آنها از تک فام کننده استفاده می کنند، در حالی که فوتومترها از فیلترها برای جداسازی طول موج های مورد نظر استفاده می کنند. فیلترها یک نوار نور پهنتری را در مقایسه با تک فام کننده جداسازی می کنند. در تیتراسیونهای اسپکتروفتومتری، سل حاوی محلول آنالیت در مسیر نور دستگاه اسپکتروفتومتر قرار داده می شود. تیترانت در حالی که سل تکان داده می شود به آن اضافه می شود و جذب اندازه گیری می شود. نقطه پایانی به صورت گرافیکی تعیین می شود. کاربرد این تیتراسیون شامل آنالیز آرسنیک و آنتیموان و همچنین آنالیز مس با اتیلن دی آمین تترا استیک اسید (EDTA) است. زمانی که برای آنالیز به تعداد زیادی مرحله رقیق سازی نیاز باشد در اینصورت احتمال خطا در آنالیزهای اسپکتروفتومتری افزایش می یابد.

کالریمتری شامل مقایسه رنگ تولید شده توسط مقدار نامعلومی از یک ماده با رنگ تولید شده توسط یک استاندارد حاوی مقدار معلوم از آن ماده است. هنگامی که نور تک رنگ از طریق محلول رنگی عبور می کند، مقدار مشخصی از نور، متناسب با غلظت ماده جذب می شود. موادی بیرنگ و یا حاوی مقدار اندکی رنگ، می توانند توسط واکنشبا برخی معرفهای خاص بسیار رنگی باشند. در روش استاندارد رنگی سنجی، محلول آنالیت تا یک حجم معین (معمولا 50 یا 100 میلی لیتر) در یک لوله Nessler رقیق شده و مخلوط می شود. رنگ محلول مجهول با یک سری استانداردهایی که به روش مشابه تهیه شده­ان، مقایسه می­شود. غلظت آنالیت ، برابر است با غلظت محلول استاندارد ی که رنگ نمونه با آن دقیقا مطابقت دارد.

خطاهای احتمالی در اندازه گیری های رنگی ممکن است از منابع زیر ایجاد شود: کدورت، حساسیت چشم یا کور رنگی، رقت ها، فیلترهای فوتومتر، تداخل های شیمیایی و تغییرات در دمای یا pH. روش های فوتومتریک برای آنالیز آنالیتهای زیر در دسترس هستند:

محلولهای آنودایز: Fe، Cu، Mn

محلولهای برنج: Fe

محلولهای کادمیوم: Fe، Ti، Zn، Cu، Ni

محلولهای کروم: Cr، Fe، Ni، Cu، Se

محلولهای مس اسیدی: Cl، Fe

محلول های مس قلیایی: Fe، Se

محلولهای طلا: Au، Ni، In، Co، Cu، Fe، PO4

محلولهای آهن: Mn، NH 3

محلولهای سرب و قلع-سرب: pb

محلولهای نیکل: Cr، Cu، Zn، Fe، Co، NH 3

محلولهای پالادیوم: Pd، Cr، NH 3

محلولهای پلاتین: Pt

محلولهای رودیوم: Rh

محلول های نقره: Ni، Cu، Sb

محلول اسید قلع: Fe، Cu

محلولهای قلیایی قلع: Cu، Pb، Zn

محلول اسید روی: Cu، Fe

محلول های قلیایی روی: Cu، Fe

پساب: Cr+6، Ni، Cu، Fe، Zn، Pb، Al، B، NO 3، NO 2، PO 4، Cl، CN، عوامل مرطوب کننده.

جذب اتمی

فلزات در آبکاری و محلولهای مرتبط با آن می توانند به روش اسپکتروفتومتری جذب اتمی (AA) تعیین شوند. محدوده بهینه، حد تشخیص و حساسیت فلزات متناسب با ابزار های موجود متفاوت است.

در آنالیز آسپیراسیون مستقم جذب اتمی[2] (CVAA) شامل کاهش شیمیایی جیوه یا سلنیوم توسط کلرید قلع کلرید و سپس آنالیز آن است. محلول کاهش یافته به شدت در ظرف واکنش همزده می­شود تا یک تعادل بین عنصر در فاز مایع و بخار بدست آید. سپس بخار به یک سلول جذب که در مسیر نور دستگاه اسپکتروفتومتر قرار داده شده است، تزریق می شود. پیک جذب حاصل در یک دستگاه ضبط نوار ثبت می شود.

روش CVAA به مزاحمت برخی ترکیبات آلی، ترکیبات حاوی گوگرد و کلر بسیار حساس است. یونهای فلزی (به عنوان مثال، طلا، سلنیوم)، که با کلرید قلع به حالت عنصری کاهش می یابند، اگر با جیوه ترکیب شوند، تداخل ایجاد می کنند.

جذب اتمی هیدرید[4] (ISEs) انجام می شود. درواقع ISE یک پتانسیل الکتریکی را در پاسخ به فعالیت یونی که برای الکترود خاص هستند ایجاد می کند. با استفاده از روش ISE ها اندازه گیری کلسیم، مس، سرب، کادمیوم، آمونیاک، برومید، نیترات، سیانید، سولفات، کلرید، فلوراید و دیگر کاتیون ها و آنیون ها امکان پذیر می باشد. یکی از مشکلات مربوط به ISI های کاتیونها و ISE های آنیونی مزاحمتهای ناشی از سایر کاتیونها و آنیونهای موجود در محلول می باشد. این مزاحمتها را می توان با تنظیم PH نمونه و یا شلاته کردن یون های مزاحم حذف کرد و یا به حداقل مقدار تقلیل داد. دستورالعمل ISE باید به دقت بررسی شود تا سطح حداکثر مجاز عوامل مزاحم، حد بالای غلظت یون خاص برای ISE و نوع محیط سازگار با ISE خاص تعیین شود. برخی از محلولهایی که می توانند با روش های پتانسیومتری آنالیز شوند عبارتند از:

محلولهای آندایزینگ: Al، H2SO4، C2H2O4، CrO3، Cl

محلولهای برنج: Cu، Zn، NH3، CO3

محلولهای برنز: Cu، Sn، NaOH، NaCN، Na2CO3

محلولهای کروم: Cr، Cl

محلولهای کادمیوم: Cd، NaOH، NaCN، Na2CO3

محلولهای مس اسیدی: Cl

محلول های مس قلیایی: NaOH، NaCN، Na2CO3

محلولهای طلا: Au، Ag، Ni، Cu

محلولهای سرب و قلع / سرب: Pb، Sn، HBF4

محلولهای نیکل: Co، Cu، Zn، Cd، Cl، H3BO3

محلول های نقره: Ag، Sb، Ni

محلولهای اسید قلع: Sn، HBF4، H2SO4

محلول های قلیایی قلع: NaOH، Na2CO3، Cl

محلولهای روی: Zn

هدایت سنجی

هدایت سنجی الکتریکی توانایی یک محلول برای حمل یک جریان الکتریکی را اندازه گیری می کند. جریان توسط اعمال یک پتانسیل مابین دو الکترود فلز نجیب(به عنوان مثال، پلاتین) است که در محلول مورد بررسی فرو برده شده اند. وقتی متغیرهای دیگر ثابت باقی می مانند، تغییرات در غلظت یک الکترولیت باعث تغییر در هدایت جریان الکتریکی توسط محلول می شود.

در تیتراسیونهای هدایت سنجی، نقطه پایان تیتراسیون نمودار هدایت در مقابل حجم تیترانت حاصل می شود. مقادیر بیش از حد الکترولیت های فرعی و غیر مرتبط[6] (DME) شناخته می شود، اعمال می شود. سپس تغییرات در جریان اندازه گیری می شود. مساحت بزرگ آند جیوه مانع از  ایجاد هر نوع قطبشی می شود. سیستم DME شامل یک مخزن کوچک جیوه است که به یک لوله مویین شیشه ای متصل شده است و قطرات کوچک جیوه آن از طریق انتهای باز لوله به آرامی افت پایین می افتند. در این روش گاهی از یک الکترود کالومل اشباع شده بعنوان الکترود مرجع استفاده می شود. الکترولیت در سلول شامل یک محلول رقیق از گونه ای است که در محیط الکترولیت حمایت می شود. الکترولیت موجود در سل متشکل از محلول رقیق گونه هایی است که قرار است در محیط الکترولیت کمکی تعیین شوند. الکترولیت کمکی به منظور بالا بردن رسانایی محلول برای انتقال جریان عمل می کند. این تضمین می کند که اگر گونه مورد بررسی باردار شود، امکان مهاجرت به DME را نخواهد داشت. وارد کردن گازهای بی اثری مانند نیتروژن یا هیدروژن به محلول قبل انجام پلاگرافی، باعث جلوگیری از انحلال اکسیژن در محلول می شود.

یون های قابل احیا شدن به سمت DME منتشر می شوند. همانطور که ولتاژ اعمال شده افزایش می یابد، حرکت ناچیز جريان تا زمانی که پتانسیل به حد کافی برای تجزیه یون فلزی مورد بررسی برسد، ایجاد می شود. هنگامی که یون ها با همان سرعتی که به سمت DME انتشار می یابند کاهش می یابند، افزایشی در شدت جریان مشاهده نخواهد شد، زیرا جریان با سرعت انتشار محدود می شود. نیمه موج پتانسیل، پتانسیلی است که در آن جریان 50٪ از مقدار حداقل است.

پلاروگرام ها با اندازه گیری جریان به عنوان تابعی از پتانسیل بکاربرده شده به دست می آیند. پتانسیل نیمه موج یک مشخصه از مواد خاص تحت شرایط مشخص است. جریان حد متناسب با غلظت ماده درحال کاهش است. در این روش موادی را می توان تحت آنالیز کمی و کیفی قرار داد که قادر به اکسیداسیون آندی یا کاهش کاتدی باشند. همانند سایر روش های دستگاهی، منظور اندازه گیری کمی نتایج باید به استانداردها ارجاع شود.

مزایای روش های پلاروگرافی عبارتند از توانایی آنها برای تعیین اندازه گیری کیفی و کمی دو یا چند آنالیت در یک محلول مشابه. پلاروگرافی کاربرد گسترده ای برای گونه های معدنی، آلی، یونی یا مولکولی دارد. معایب پلاروگرافی شامل مزاحمتهای ناشی از غلظت های زیاد فلزات الکتروپوزیتو در تعیین غلظت های پایین فلزات الکترونگاتیو می باشد. از طرفی لوله مویین بسیار باریک DME گاهی اوقات مسدود می شود که خود باعث بروز مشکلاتی می شود.

جدول 2: واکنشهایی که میتوان با آنالیز آمپرومتری انجام داد
الکترولیت کمکی تیترانت آنالیت
پتاسیوم کلرید نیترات سرب فلورید
سولفوریک اسید هیدروکوئینون طلا
کلراید دی متیل گلی اکسیم نیکل
کلراید سدیم فلورید سرب
نیتریک اسید نیترات نقره برمید
آمونیاک EDTA کلسیم
آمونیاک EDTA کادمیوم
نیریک اسید نیترات نقره کلرید
اسید ضعیف EDTA ایندیوم

امروزه از روش پلاروگرافی برای محلول های زیر استفاده می شود:

محلولهای آنودایز: Cu، Zn، Mn

محلولهای برنجی: Pb، Cd، Cu، Ni، Zn

محلولهای برنز: Pb، Zn، Al، Cu، Ni

محلولهای کادمیوم: Cu، Pb، Zn، Ni

محلولهای کروم: Cu، Ni، Zn، Cl، SO 4

محلولهای مس اسیدی: Cu، Cl

محلول های مس قلیایی: Zn، Fe، Pb، Cu

محلولهای طلا: Au، Cu، Ni، Zn، In، Co، Cd

راه حل های آهن: Mn

محلولهای سرب و قلع-سرب: Cu، Cd، Ni، Zn، Sb

محلولهای نیکل: Cu، Pb، Zn، Cd، Na، Co، Cr، Mn

محلولهای پالادیم: Pd، Cr 3+، Cr 6+

محلولهای رودی: Rh

محلول های نقره: Sb، Cu، Cd

محلول اسیدی سرب: Sn 4+، Cu، Ni، Zn

محلولهای قلیایی سرب: Pb، Cd، Zn، Cu

م محلولهای روی اسیدی: Cu، Fe، Pb، Cd

محلول های روی قلیایی: Pb، Cd، Cu

پساب های: Cd ، Cu، Cr 3+، Ni، Sn، Zn

آمپرومتری

تیتراسیونهای آمپرومتری شامل استفاده از پلاروگرافی بعنوان مبنای تیتراسیون الکترومتری است. ولتاژ اعمال شده مابین الکترود شاخص (به عنوان مثال، DME یا پلاتین) و الکترود مرجع (به عنوان مثال کالومل یا جیوه) ثابت نگه داشته می شود و جریان عبوری از سل به عنوان یک تابعی از حجم تیترانت اضافه شده اندازه گیری می شود. نقطه پایانی تیتراسیون از تقاطع دو خط مستقیم در یک نمودار جریان در مقابل حجم تیترانت اضافه شده تعیین می شود.

پلاروگرام برای تعیین بهینه ولتاژ تیتراسیون انجام می شود. تیتراسیونهای آمپرمترتری را می توان در غلظت های کم آنالیت که روش های حجمی یا پتانسیومتری نمی توانند نتایج دقیق ارائه دهند، انجام داد. آمپرومتری یک روش مستقل از دما است و دقیق تر از سایر روش های پلاروگرافی است. اگرچه آمپرومتری برای واکنش های اکسایش-کاهش یا واکنشهای ترسیبی مناسب است، اما تعداد کمی از واکنش های برپایه واکنشهای اسید-باز با این روش تعیین می شوند. برخی از واکنش هایی که می توانند با استفاده از روش های آمپر سنجی مورد آنالیز قرار گیرند، در جدول 2 آمده است.

الکتروگراویمتری

در الکتروگراویمتری، ماده ای که باید مشخص شود، در یک پتانسیل ثابت بر روی یک کاتد بی اثر که از قبل وزن شده است جدا می شود، که بعد از آن شسته شدن، خشک شدن مجددا کاتد وزن می شود و نهایتا وزن رسوب محاسبه میگردد. موارد مورد نیاز برا یک آنالیز دقیق الکتروگرامتری شامل همزدن خوب محلول، چسبندگی یکنواخت رسوبات و PH، دما و دانسیته جریان مناسب است.

جدول 3: مولاریته و نرمالیته محلول های استاندارد
مولاریته نرمالیته فرمول محلول استاندارد
0.1 0.2 C10H14O8N2Na2.2H2O EDTA
0.1 0.1 FeSO4(NH4)2SO4.6H2O سولفات آمونیوم آهن
1.0 1.0 HCl هیدروکلریک اسید
0.1 0.1 I2 ید
0.02 0.1 K2Cr2O7 پتاسیوم دی کرومات
0.0167 0.1 KI-KIO3 پتاسیوم یدید-یدات
0.02 0.1 KMnO4 پتاسیوم پرمنگنات
0.1 0.1 KSCN پتاسیوم تیو سیانات
0.1 0.1 AgNO3 نیترات نقره
1.0 1.0 NaOH سدیم هیدروکساید
0.1 0.1 Na2S2O3.5H20 سدیم تیوسولفات

مزایای استفاده از الکتروگراویمتری شامل توانایی آن در حذف فلزات معمولی از محلول می باشد. این روش نیاز به نظارت مستمر ندارد. معایب این روش عبارتند از زمان الکترولیز طولانی.

بعضی از فلزات که با روش الکتروگراویمتری آنالیز شده و می شوند عبارتند از: کادمیوم، کبالت، مس، طلا، آهن، سرب، نیکل، رودیوم، نقره، قلع و روی.

 

در کانال تخصصی آبکاری خانه آبکار مقالات واحد تحقیق و  توسعه شرکت جلاپردازان را دنبال کنید


[2] - Cold vapor atomic absorption(CVAA)

[4]selective electrodes (ISEs)

[6]dropping mercury electrode (DME)

روش هاي تعيين ضخامت پوشش و پارامترهاي موثر بر آن

روش هاي تعيين ضخامت پوشش و پارامترهاي موثر بر آن


چكيده
نياز مراحل كنترل، بعد از اتمام هر فرآيند توليدي كاملاً ضروري به نظر مي رسد. روش هاي كنترل هم به صورت مخرب و هم به صورت غير مخرب مي باشد. آيتم هاي موثر در انتخاب روش كنترل مناسب فرآيند ضخامت سنجي عبارتند از فرآيند پوشش، ميزان ضخامت، جنس پوشش، جنس فلز پايه و... . در اين مقاله سعي شده تا به معرفي بعضي روش هاي مختلف اندازه گيري ضخامت پوشش ها اشاره و اساس كار آنها شرح داده شود. با استفاده از اطلاعات داده شده دراين مقاله مي توان يك روش مناسب براي يك منظور خاص را انتخاب نمود.
مقدمه
محدوده ضخامتي كه به روشهاي مختلف، اندازه گيري مي شود، به ماهيت پوشش جسم پايه و دستگاه مورد استفاده بستگي دارد. هدف از تدوين اين مقاله، تعيين روش هاي لازم، جهت اندازه گيري ضخامت پوشش هاي فلزي و ديگر پوششهاي غير آلي، بر روي اجسام پايه فلزي، و غير فلزي مي باشد. اين روش ها بعضي از كاربردهاي خاص را شامل نمي شود.
انواع روش هاي آزمون
براي اندازه گيري ضخامت پوشش ها، از دو روش كلي مي توان استفاده نمود كه توضيح آن به شرح ذيل است.

- روش هاي تست غير مخرب

در صورتي كه تعداد محدودي قطعه جهت تست وجود داشته باشد يا نياز باشد تا قطعه بعد از تست سالم بماند بايد از آزمون هاي تست غير مخرب استفاده شود. آزمون هاي تست غير مخرب داراي روش هاي مختلفي مي باشد كه برخي از آنها به شرح ذيل مي باشند.

- روش هاي مغناطيسي
دستگاه هاي مورد استفاده در اين روش ها، ميزان جاذبه مغناطيسي ميان مغناطيس دائم و فلز پايه را كه به وجود پوشش بستگي پيدا مي كند و يا مقاومت شار مغناطيسي عبوري از جسم (متشكل از فلز پايه و پوشش) را، تعيين مي كند.
ميزان خطا در اين روش، معمولاً كمتر از 10 درصد ضخامت پوشش و يا 1.5ميكرومتر (هر كدام كه بزرگتر است)، مي باشد.
كاربرد اين روش ها، محدود به پوشش هاي غير مغناطيسي بر روي اجسام پايه مغناطيسي و پوشش هاي آبكاري شده از نيكل بر روي اجسام پايه مغناطيسي و يا غير مغناطيسي مي باشد.

Ø روش جريان گردابي
اين روش، متكي بر اختلاف هدايت الكتريكي، ميان پوشش و جسم پايه مي باشد. اين روش جهت اندازه گيري ضخامت پوشش هاي نارسانا، بر روي فلزات غير مغناطيسي، و پوشش هاي تك لايه اي فلزي، بر روي نارساناها بكار مي رود. چنانچه اين روش، براي اندازه گيري ضخامت پوشش هاي فلزي، بر روي اجسام پايه فلزي بكار رود جهت دست يابي به نتايج قابل قبول، به دقت زيادي نياز مي باشد.
ميزان خطاي اندازه گيري در اين روش، معمولاً، كمتر از 10درصد ضخامت پوشش و يا 0.5ميكرومتر (هر كدام كه بزرگتر است) مي باشد.


Ø روش هاي طيف نگاري
در اين روش از انتشار و جذب اشعه ايكس، براي اندازه گيري ضخامت استفاده مي شود. اشعه ايكس توليد شده، به ناحيه مشخصي از سطح نمونه حاوي پوشش، برخورد داده مي شود و شدت اشعه ثانويه انتشار يافته توسط پوشش و يا جسم پايه، كه به علت وجود پوشش تضعيف شده است، اندازه گيري مي شود.
بين شدت اشعه ايكس و ضخامت پوشش، رابطه اي برقرار مي باشد، كه اين ارتباط با استفاده از نمونه هاي استاندارد، براي كاليبراسيون دستگاه بدست مي آيد.

روش اشعه ايكس كاربرد وسيعي دارد، اما ميزان صحت و دقت آن، در موارد ذيل كاهش مي يابد:

· هنگامي كه از عناصر و اجزاء تشكيل دهنده پوشش، در فلز پايه هم وجود داشته باشد و يا بالعكس.

· هنگامي كه بيش از دو لايه پوشش متفاوت بر روي هم داشته باشيم.

· هنگامي كه ماهيت شيميايي پوشش، و نمونه هاي استاندارد براي كاليبراسيون دستگاه، تفاوت زيادي داشته باشند.

روش اندازه گيري بوسيله اشعه ايكس، در ضخامت هايي بالاتر از مقادير معين، كه بستگي به عدد اتمي و جرم فلز دارد، قابل استفاده نمي باشد. دستگاه هاي موجود قادرند ضخامت پوشش ها را، با خطايي كمتر از 10 درصد اندازه گيري كنند.

Ø روش اشعه برگشتي بتا
دستگاه هاي اندازه گيري در اين روش، با راديو ايزوتوپ هايي كه ساطع كننده اشعه بتا بوده، و نيز آشكار سازهايي كه شدت اشعه بتاي بازگشتي از نمونه مورد آزمون را اندازه گيري مي كند، مجهز مي باشند. شدت اشعه بتا، بين مقادير شدت اشعه برگشتي از پوشش، و شدت اشعه برگشتي از فلز پايه قرار دارد. اين اندازه گيري، صرفاً، هنگامي كه عدد اتمي ماده پوشش، از عدد اتمي جسم پايه به قدر كافي متفاوت باشد، كاربرد دارد. دستگاه، با استفاده از نمونه هاي استاندارد براي كاليبراسيون كه داراي همان ماهيت پوشش و جسم پايه نمونه مورد آزمون است، كاليبره مي گردد.

با اندازه گيري شدت اشعه برگشتي بتا، از نمونه مورد آزمايش، جرم واحد سطح پوشش محاسبه مي شود. در صورت يكنواختي و همگوني دانسيته پوشش، جرم واحد سطح با ضخامت، نسبت مستقيم دارد.

اين روش هم براي پوشش هاي نازك، و هم براي پوشش هاي ضخيم، كاربرد دارد، اما حداكثر ضخامت قابل اندازه گيري، به عدد اتمي پوشش بستگي پيدا مي كند.
با اين روش، با خطايي كمتر از 10درصد مي توان محدوده وسيعي از ضخامت ها را اندازه گيري نمود.

 

Ø روش ميكروسكوپي شكست نور
اين دستگاه، در اصل، براي اندازه گيري ناهمواري سطوح، طراحي شده است؛ اما، از آن براي اندازه گيري ضخامت پوشش هاي شفاف و نيمه شفاف، به ويژه پوشش ها بر روي آلومينيم هم، استفاده مي شود.

يك دسته امواج نوراني، تحت زاويه 45 درجه، به سطح قطعه تابيده مي شود. قسمتي از اين امواج از سطح پوشش منعكس، و قسمتي ديگر از اين امواج، به پوشش نفوذ، و در مرز ميان جسم پايه و پوشش، منعكس مي گردد. فاصله اي كه ميان انعكاس ها، در چشمي ميكروسكوپ مشاهده مي شود با ضخامت پوشش متناسب بوده، و مي توان مقدار آن را، بوسيله يك پيچ ورنيه اي كه بر روي دستگاه نصب شده است اندازه‏گيري نمود.

به شرطي مي توان از اين روش استفاده نمود كه نور كافي از مرز ميان فلز پايه و پوشش منعكس گرديده، و تصوير واضحي در ميكروسكوپ مشاهده شود. براي پوشش هاي شفاف و يا نيمه شفاف مانند فيلم هاي اكسيد آندي، اين روش غير مخرب محسوب مي شود. براي اندازه گيري ضخامت پوشش هاي مات و غير شفاف كه لازم است ناحيه كوچكي از پوشش را جدا نمود اين روش، مخرب خواهد بود. پله موجود بين سطح پوشش و فلز پايه، انحرافي را براي امواج نوراني ايجاد مي كند كه بيانگر اندازه مطلق ضخامت، مي باشد.
خطاي اين روش معمولاً كمتر از 10 درصد است.

- روش هاي تست مخرب
در صورتي كه تعداد زيادي قطعه جهت تست وجود داشته باشد يا به ضرورت ذاتي تست، قطعه تخريب شود از آزمون هاي تست مخرب استفاده شود.

§ روش انحلالي
روش پوشش برداري نمونه مورد آزمون، قبل و بعد از انحلال پوشش، به نحوي كه جسم پايه مورد تاثير شيميايي قرار نگيرد و يا توزين پوشش بعد از انحلال جسم پايه، بدون آنكه پوشش مورد تاثير شيميايي قرار گيرد، جرم پوشش تعيين خواهد شد كه در اين صورت، پوشش بايد از دانسيته يكنواخت برخوردار باشد. از تقسيم جرم پوشش بر دانسيته و سطح آن، مي توان به ميانگين ضخامت پوشش دست يافت.
در محدوده وسيعي از ضخامت ها، خطاي اين روش معمولاً كمتر از 5 درصد است.

§ روش تجزيه شيميايي
در اين روش پوشش را خواه با حل شدن جسم پايه، و خواه با عدم انحلال جسم پايه، در يك حلال مناسب حل مي نمايند و سپس با استفاده از آناليزهاي شيميايي، به تعيين مقدار جرم پوشش مي پردازند. از تقسيم جرم پوشش بر دانسيته و سطح آن، مي توان به ميانگين ضخامت پوشش دست يافت.
در محدوده وسيعي از ضخامت ها، خطاي اين روش معمولاً كمتر از 5 درصد است. اين روش در صورتي كه بين جسم پايه و پوشش عنصر، تشابهي وجود داشته باشد، مي تواند قابل اطمينان نباشد.

§ روش كولومتري
در اين روش، ضخامت پوشش فلز، با اندازه گيري مقدار الكتريسيته لازم جهت انحلال پوشش، از يك ناحيه كاملاً مشخص، با مساحت معين، در حالي كه جسم تحت شرايط مناسب و الكتروليت مطلوب، بعنوان آند رفتار مي نمايد، تعيين مي گردد.

در خاتمه انحلال آندي پوشش، تغييري در پتانسيل مشاهده خواهد شد. اين روش براي پوشش هاي فلزي، بر روي اجسام پايه فلزي و غير فلزي، كاربرد دارد.
خطاي اين روش، بطور معمول، كمتر از 10درصد مي باشد.

§ روش ميكروسكوپي
در اين روش، ضخامت پوشش، با استفاده از سطح مقطع آن، توسط ميكروسكوپ اندازه گيري مي شود. در اين روش بايد پوشش از سطح قطعه جدا شود كه اين امر خود باعث تخريب قطعه شده و اين گونه تست ها را در رديف تست هاي مخرب جاي داده است. خطاي اندازه گيري در اين روش، معمولاً، كمتر از 10 درصد با حداقل خطاي0.8 ميكرومتر مي باشد.

§ روش پروفيل نگاري
در اين روش، پله اي ميان پوشش و فلز پايه ايجاد مي نمايد. براي ايجاد چنين پله اي، يا قسمتي از سطح نمونه مورد آزمون را ماسك كرده، و سپس پوشش لازم را ايجاد، و يا آنكه بعد از پوشش دهي، قسمتي از پوشش را حل مي نمايند، به نحوي كه به جسم پايه آسيبي نرسد. در اين حالت، اندازه گيري ضخامت، با ثبت ميزان حركت يك سوزن كه مسير پله را طي مي كند، انجام مي پذيرد.
در محدوده وسيعي از ضخامت ها، خطاي اين روش، معمولا كمتر از 10درصد است.

§ روش تداخل سنجي ميكروسكوپي
در اين روش، جهت اندازه گيري ضخامت پوشش، از تابش نور تك فام، به سمت پله ايجاد شده ميان پوشش و جسم پايه، استفاده مي شود. وجود اين پله در سطح نمونه مورد آزمايش، سبب ايجاد تغيير مكان در نوار تداخلي مي شود، كه جابجائي نوار تداخلي، متناسب با نصف طول موج اشعه تابانده شده، و ارتفاع پله است.
در حالت پرتو چندگانه، خطاي اين روش، معمولاً كمتر از 0.01ميكرومتر مي باشد.

عوامل موثر در اندازه گير صحيح ضخامت پوشش

براي رسيدن به اندازه درست و صحيح در ضخامت سنجي پوشش ها بايد به نكات زير توجه داشت:

ü از دستگاه هاي شناخته شده تجاري موجود در بازار، استفاده شود.
ü نمونه مورد نظر بايد مسطح و به اندازه كافي وسيع باشد.
ü براي پوشش هاي متداول از روش هاي آبكاري الكتريكي، اتوكاتاليستي، آنادايز و يا پوشش دادن سراميك، استفاده شوند.
ü در اندازه گيري، سعي و دقت معقولي بعمل آمده باشد.

 

Prepared by research and development unit of jalapardazan (JP(

تهیه شده در واحد پژوهش و گسترش جلاپردازان پرشیا (JP)

Collecting and editing: Engineer T.E

Bachelor of Chemistry, Azad University

گرد آوری و تدوین : مهندس ت. ا 

لیسانس شیمی دانشگاه آزاد


مرداد 96

تعیین محتوای قلیائیت و مقدار کل چربی در صابون­ها

تعیین محتوای قلیائیت و مقدار کل چربی در صابون­ها

چکیده: محصولات پاک کننده نقش ضروری را در زندگی ما ایفا می­کنند. آنها با از بین بردن موثر و ایمن آلودگی­ها، میکروبها، گردو غبار و غیره به ما کمک می­کنند تا زندگی سالمتر و بهتری داشته باشیم. صابون مخلوطی از نمک سدیم اسیدهای چرب گوناگون است. قلیائیت کل و مقدار کل چربی دو پارامتر بسیار مهم در تعیین کیفیت یک صابون می­باشند.

لغات کلیدی: صابون، محتوای قلیای آزاد، مقدار چربی کل، صابونی شدن، صابون شستشو

1-     مقدمه

صابون درواقع نمک سدیم یا پتاسیم انواع اسیدهای چرب است که حاصل فرایند صابونی شدن یا واکنش هیدرولیز روغنها و چربیهاست. اصولا برای خنثی کردن اسیدهای چرب و تبدیل آنها به به نمک­های مربوطه از سدیم کربنات یا سدیم هیدروکساید استفاده می­شود. عمده ترین اسیدهای چرب مورد استفاده در صنایع شوینده و صابون سازی عبارتند از: همانند استئاریک، پالمیتیک، میریستیک، لوریک و اولئیک اسیدها. ویژگیهای شیمیایی صابون به چندین عامل وابسته است: قدرت و خلوص قلیا، نوع روغن مورد استفاده، تکمیل واکنش صابونی شدن و عمر صابون. این خواص شیمیایی عبارتند از: میزان رطوبت، مقدار اسید چرب کلچربی+سود               گلیسرول+نمک سدیم اسید چرب

صابون یک سورفکتانت آنیونی است که بدلیل اثر پاک کنندگی که دارد مورد استفاده قرار می­گیرد. اگرچه واکنش فوق بصورت یک مرحله­ای نمایش داده شده است، اما در واقع یک واکنش دو مرحله­ای است. ابتدا و در مرحله اول، پیوند استری شکسته می­شود و گلیسرول تبدیل به الکل می­شود. درمرحله دوم اسید حاصله در حضور سود به نمک اسیدی تبدیل می­شود. در گروه کربونیل یکی از اکسیژنها بواسطه بار منفی که دارد، سدیم با بار مثبت را به سمت خود جذب می­کند.   

 

 

واکنش مربوط به هیدرولیز تریگلیسرید (چربی)

چربیها و روغن­های استفاده شده در صابون عموما منشا حیوانی یا گیاهی دارند. هر چربی یا روغنی مخلوطی از چندین تریگلیسرید است. در مولکول تری گلیسیرید، سه مولکول اسید چرب وجود دارد که به یک مولکول گلیسیرین متصل می­باشند. انواع گوناگونی از تری گلیسیریدها وجود دارد. اسیدهای چرب اجزای روغن ها و چربی ها هستند که در ساخت صابون مورد استفاده قرار می­گیرند.

محتوای قلیائیت

قلیای مورد استفاده در ساخت صابون را می­توان از خاکتر گیاهان تهیه نمود ولی امروزه می­توان قلیای مورد نیاز بصورت یک محصول تجاری تهیه نمود. قلیاهایی که عموما برای نمکهای محلول مورد استفاده قرار میگیرند قلیاهای فلزاتی چون سدیم و پتاسیم هستند. مهمترین این قلیاها سدسم هیدروکساید و پتاسیم هیدروکساید می­باشند. صابونهای پتاسیمی در مقایسه با صابونهای سدیمی به مراتب نرم تر می­باشند. در حالیکه صابونهای سدیمی جامد می­باشند، صابونهای پتاسیمی بدلیل نرمتر بودن بعنوان صابونهای مایع، خمیر ریش مورد استفاده قرار می­گیرند. ترکیب کربوکسیلاتهای سدیم یا پتاسیم موجود در صابون مستقیما به درصد اسید چرب متصل به تری گلیسیرید مربوط می­شود. صابونهای حاصل از روغنهای جامد عموما سخت بوده و محتوای نمک سدیمی یا پتاسیمی بالاتری دارند. روغن­های گیاهی بدلیل داشتن اسیدهای چرب غیر اشباع صابونهای نرمی ایجاد می­کنند. مطابق استاندارد Bureau از هند (BIS)، یک صابون با کیفیت باید محتوای قلیایی کمتر از 5% داشته باشد در حالیکه طبق ایزو این میزان باید زیر 2% باشد.

مقدار چربی کل

مقدار چربی کل (TFM) یکی از مهمترین ویژگیهای کیفی صابون است و بصورت مقدار چربی کل که عموما بصورت اسید چرب است و می­توان آن را توسط اسید معدنی همانند HCl از نمونه جداسازی کرد، تعریف می­شود. اصولا از پارامتر TFM برای بیان سختی و میزان کیفیت صابون استفاده می­شود. اسید چرب در صابونهای مخصوص شستشوی بدن عموما نباد TFM کمتر از 78% داشته باشند اما در مورد صابونهای مورد استفاده در صنایع بدلیل صرفه جویی در هزینه تولید از پرکنندهایی استفاده می­شود که باعث می­شود این عدد حتی کمتر از 50% هم باشد. امروزه در اکثر کشورها صابون با حداقل TFM از نوع صابون درجه یک و با حداقل TFM 65 درجه 2 طبقه بندی می­شود و پایین ترین کیفیت صابون مربوط صابون درجه 3 با TFM 50 می­شود. هرچه TFM یک صابون بالاتر باشد قدرت کف کنندگی آن بیشتر و پاک کنندگی بهتری برای پوست دارد. 

بخش تجربی:

مواد: نمونه صابون، کلروفرم، سدیم هیدروکساید، متیل اورانژ، سدیم کربنات، نیتریک اسید

نکته: سود را با استفاده از محلول استاندارد اگزالیک اسید استاندارد می­کنیم و سپس با استفاده از این سود استاندارد شده نیتریک اسید را نیز استاندارد می­کنیم.

 

تعیین قلیاییت کل در نمونه صابون:

برای تعیین قلیائیت کل حدود 5 گرم از صابون (m) را در 100 میلی لیتر آب داغ حل کرده و چند قطره متیل اورانژ به آن اضافه میکنیم. سپس با کمک بورت قطره قطره اسید سولفوریک یا اسید هیدروکلریک 1 نرمال اضافه میکنیم تا تغییر رنگ محلول از نارنجی به قرمز و از لحظه تغییر رنگ محلول حدود 5 سی سی اسید مازاد نیز به محلول اضافه میکنیم و حجم اسید را یادداشت می نماییم (V0). این محلول را حرارت می­دهیم به شدت هم میزنیم تا لایه روغنی روی سطح آب تشکیل شود. مخلوط را به یک قیف دکانتور منتقل کرده  و سرد می­کنیم. با اضافه کردن 50 سی سی پترولیوم اتر فاز روغنی و آبی را کامل از هم جدا میکنیم. با باز کردن شیر دکانتور فاز آبی را خارج میکنیم و مجددا فاز آبی را با پترولیوم اتر شستشو می­دهیم. و این فرایند را سه بار تکرار میکنیم. یک روش دیگر هم این است که مخلوط را بعد از تشکیل شدن فاز روغنی بر روی سطح  اب داغ کاملا سرد کرده به نحوی که روغن کاملا منجمد شود. به این ترتیب با باز کردن شیر دکانتور فاز ابی خارج می­شود و برای اطمینان از باقی نماندن هیچگونه روغنی در فاز آبی آن را با 50 سی سی کلروفرم شستشو می­دهیم. سپس فاز آبی را توسط سود 1 نرمال در حضور معرف متیل اورانژ تیتر میکنیم و حجم مصرفی سود را یادداشت می­کنیم (V1).  

محاسبات:

0.040 * (V0T0-V1T1) * 100/M

در این رابطه:

m= جرم نمونه صابون بر حسب گرم

V0= حجم اسید مصرفی برحسب میلی لیتر

V1= حجم سود مصرفی برحسب میلی لیتر

T0= نرمالیه دقیق اسید

T1= نرمالیته دقیق سود

تعیین محتوای چربی کل

پترولیوم اتر را که در مرحله تعیین قلیائیت جمع آوری کرده بودیم با دقت به یک ظرف با وزن معلوم منتقل می­کنیم. در صورت نیاز می­توان محلول را با کاغذ صافی فیلتر هم کرد. سپس تمام پترولیوم اتر را در نهایت احتیاط و با استفاده از یک حمام آب تبخیر می­کنیم. باقی مانده را در 20 سی سی اتانول حل کرده، چند قطره معرف فنول فتالئین اضافه می­کنیم و با استفاده از محلول هیدروکسید پتاسیوم اتانولی (محلول پتاسیوم هیدروکسید در اتانول) 1 نرمال تا ظهور رنگ صورتی تیتر می­کنیم. حجم مصرفی در این مرحله یادداشت شود. سپس محلول اتاولی با کمک حمام آب گرم تبخیر کرده تا کاملا خشک شود برای خشک شدن بهتر کمی استون به آن اضافه کرده وتوسط حمام اب گرم آن را خشک می­کنیم. نهایتا باقی مانده را درون آون 103 درجه سانتی گراد گذاشته و تا زمانیکه تغییر وزنی مشاهده نشود خشک شدن ادامه می­یابد. سپس برای جلوگیری از جذب رطوبت ظرف را در یک دسیکاتور خنک می­کنیم.

[m1 - (V * T * 0038) ] * 100/ m0

در این رابطه:

m0= جرم نمونه صابون بر حسب گرم

m1= جرم صابون پتاسیومی خشک شده بر حسب گرم

V= پتاسیم هیدروکسید اتانولی مصرفی برحسب میلی لیتر

T= نرمالیه دقیق پتاسیم هیدروکسید اتانولی

                         


[1] - total fatty acids

انتخاب یک تست خوردگی پرسرعت

انتخاب یک تست خوردگی پرسرعت


تست های خوردگی سریع معمولا برای تعیین عملکرد رضایت بخش استفاده میشود اگر یک پوشش/ترکیب بستر(فلز پایه) تولید میشود، حاصل از داده های آزمایش های انجام شده بر پوشش / ترکیب بسترمشابه است. هدف این است که در مدت زمان نسبتا کوتاهی مشخص شود که ظاهر یا عملکرد محصول بعد از چندین سال استفاده به چه صورت خواهد بود.
در معرض پیشامدهای پیچیده طبیعی قرار گرفتن که ممکن است درگیر چندین عامل که شامل شکل هندسی، نفوذ پذیری یا چسبندگی محصول خوردگی، میزان غبار آلودگی، ساییدگی یا خراش، فرکانس چربیگیری برقی، روشهای تمیزکاری، پاک کننده های شیمیایی، قرار گرفتن در معرض نور خورشید و تغییرات دمایی است. به این سبب، خیلی مهم است که انتخاب تست سریع حتی الامکان مشابه مکانیسم های خوردگی زندگی واقعی باشد. دستورالعمل های زیر برای کمک به انتخاب بهترین تست خوردگی سریع برای یک برنامه کاربردی، تهیه شده است.


مکانیسم ها ی خوردگی:
تولیدات پوشش فلزی در در طول عمر خدمات خود، خوردگی آنها، بر اساس دو مکانیسم انجام می پذیرد(1) الکتروشیمیایی (گالوانیک) و (2) واکنش شیمیایی
الکتروشیمیایی(گالوانیک)
خوردگی الکتروشیمیایی می تواند ناشی از تماس فلزهای غیر مشابه با یک الکترولیت باشد. این (خوردگی) به اثر باتری رایج است. اثرات زیان آور خوردگی گالوانیک زمانی رخ می دهد که فلز پایه از نظر الکتروشیمیایی خیلی فعالتر از پوشش محافظ باشد، یا وقتی که محیط خورنده حاوی یک فلزباشد، که فعالیت کمتری نسبت به فلزپایه و پوشش داشته باشد. الکترولیت(آب، محلول نمک، اسید و...) باید در تماس با هر دو فلز باشد تا این مکانیسم رخ دهد.
مثالهایی از استفاده مفید این مکانیسم خوردگی شامل گالوانیزه یا آبکاری برقی روی بر سطح فولاد است که روی فعالیت الکتروشیمیایی بیشتری نسبت به فولاد دارد و در مقایسه با فولاد در اولویت بیشتری برای خوردگی قرار دارد، زمانیکه در محیط خورنده الکترولیت قرار بگیرد فلز روی نسبت به فولاد در اولویت قرار دارد و خورده خواهد شد. این محافظت قابل تعمیم هست حتی اگر خراش های بزرگی برسطح فلز روی ایجاد وبه فولاد برسد. مثال دیگر نیکل دو لایه است. نیکل الکتروشیمیایی که شامل سولفور(2%) از افزودنی براقی است فعالتر از نیکل بدون سولفور است. یک سیستم دولایه شامل نیکل نیمه براق (بدون سولفور) به همراه نیکل براق است و بازده خوردگی گالوانیک آن نیکل براق دراولویت بیشتری نسبت به نیکل نیمه براق دارد، تولید محافظ خوردگی گالوانیک برای لایه دوم نیکل است و نتیجه آن تاخیر در خوردگی(افزایش مقاومت به خوردگی )فلز پایه است.
مکانیسم الکتروشیمیایی همچنین می تواند شامل یک تفاوت در مقدار اکسیژن در تماس با سطح نمونه ای که در حضور الکترولیت قرار گرفته است، باشد و دو فلز غیر مشابه لازم نیست. ناحیه ای از نمونه که کمبود اکسیژن دارد برای ناحیه ای که در تماس با مقدار اکسیژن بیشتری است، آندی شده است. منطقه آندی در الکترولیت حل می شود و یک حفره خوردگی ایجاد می کند. هیدروکسیدها در منطقه کاتدی(غنی از اکسیژن) رسوب می کنند.
تغییر فیزیکی غلظت اکسیژن مکانیسم سلولی نام های گوناگونی دارند
خوردگی درزی: وقتی نمونه هایی با شکلهای هندسی پیچیده در تماس با مایعات خورنده( آب و محلول نمک ) باشند و مناطق تیز و فرورفته (منافذ) در سطح نمونه نسبت به مناطق دیگر نمونه به دلیل تفاوت انتشار در اکسیژن، با اکسیژن کمتر در تماس هستند. فلز داخل منافذ بصورت آندی انباشته میشود. بعنوان مثال شکاف بین سر پیچ یا پیچ، زمانی که با مهره یا دیگر سطوح بسته شده است ممکن است باشد.
.
خوردگی ساندویچی: نقطه اتصال سطوح مسطح نسبت به سطوح خارجی آند میشوند متصل کننده آندی میشود. محصولات خوردگی تمایل به فشار دادن سطوح جدا ازهم دارند تا به هم متصل شوند.به عنوان مثال، اتصال بین پرچ ورقه های آلومینیومی دربرگیرنده بال هواپیما یا بدنه تابلو.
خوردگی Poultice : خاک انباشته شده روی یک سطح قابل خوردگی به عنوان یک ضماد عمل می کند و نگهدارنده در برابر هزاران کیسه الکترولیت (آب و نمک و غیره ) بر روی سطح هستند. تفاوت درغلظت اکسیژن باعث خوردگی سطح می شود. یک مثال خاکی است که در سطح زیرین و چرخهای یک اتومبیل تجمع می کند.
خوردگی نخ مانند: این نوع از خوردگی سلولی اکسیژن ویژه پوششهای آلی ( رنگها، رنگ لاکی و..)است که در معرض قلم چکش قرار دارند است. مناطق کنده کاری شده در تماس بیشتری با اکسیژن هستند نسبت به فلزی که با پوشش محافظت شده است. فلز پوشش داده شده که تا حدی خورده می شوند، هیدروکسیدهای ایجاد شده زیر رنگ رسوب می کنند و در حضور گرما باعث پریدن و کنده شدن پوشش میشود. زمانی که گرما کم باشد خطوط مستقیمی رویپوشش ایجاد میشود و وقتی دما متغیر منحنی باید خطوط ترک روی پوشش منحنی میشود.

حمله ی شیمیایی :
ماهیت شیمیایی اسید ها و مواد شیمیایی خاص این است که آن ها فلزات را حل می کنند.عملکرد پوشش در مقاومت به حمله به وسیله ی قرار گرفتن نمونه ی آزمایشی در غلظت های مختلف اسیدها و گازهای تشکیل شده از اسیدها یا محلول های شیمیایی تعیین میشود.
حمله ی اسیدی، حمله ی شیمیایی وتکنیک های الکترو شیمیایی می تواند همچنین برای تعیین نفوذ پذیری یک پوشش استفاده شود که می تواند گاهی اوقات با عمر کاری آن مرتبط باشد. مثال هایی از این نوع تکنیک، تست فروکسیل، چاپ الکترو گرافیک ، تست سولفات مس .(کروم سخت روی فولاد است) .

روش های تست (آزمایش) :
در ادامه تست های رایج خوردگی پر سر عت و تست نفوذ پذیری آورده شده است. جدول 1 خلاصه ی کاربرد وتست های رایجی که روی پوشش و ترکیبات سطوح پایه استفاده میشود را مشخص کرده است.


سالت اسپری (ASTM B 117)
این تست خوردگی بطور گسترده مشخص شده است. کاربرد گسترده ای دارد. محلول نمکی که استفاده می شود خیلی مشابه به اثرات خوردگی ناشی از قرار گرفتن درهوای آزاد روی فلزآلات قطعات خودرو است. (به جز بعضی کاربرد های نیکل _کروم تزئینی، CAS و ضد خوردگی را در جدول 1 ببینید).
نتایج آزمایش به طور معمول درمدت زمان کوتاهی برای سیستم های محافظ کوچیکتر حاصل میشود (فسفات ،روغن وآبکاری کروم ) و(80-40) برای سیستم های برتر مانند آبکاری قلع – نیکل ،آبکاری فلزات سنگین و ترکیبات رنگ/گالوانیزه ممکن است چند روز طول بکشد .
مکانیسم های خوردگی برای سلول های غلظتی اکسیژن و اثرات گالوانیک به کار گرفته شده و بوسیله ی استفاده از الکترولیت با غلظت 5% وزنی کلراید (بیشتر برای غیر ضروری بودن نشان داده می شود.) ، دمای بالا ، انحراف نمونه آزمایشی و استفاده از قطرات بخار ریز تسریع میشود.

100% رطوبت نسبی(ASTM D 2247)
این آزمایش به طور وسیع برای پوشش های محافظ که در یک جای بسته و منطقه محافظت شده(محیط داخلی) قرار می گیرند یا در منطقه ای که آب میتواند روی سطح نمونه تجمع کند، قابل کاربرد است.
بسیاری از تغییرات این آزمایش برای بازتاب دقیق شرایط کار بکار میرود. این ها شامل تغیرات سطوح رطوبتی ازنسبت60تا 95% رطوبتی؛ چرخه ی رطوبت غوطه وری دوره ای در مایعات خورنده (ASTM G60)، چرخه رطوبت با چرخه ی خشک کننده برای پوشش روی چوب ((ASTM D3459 ، وترکیب رطوبت با نوسان دماهای طاقت فرسا (ASTM D2246).
مکانیسم خوردگی بکار رفته برای شرایط خوردگی سلول غلظتی اکسیژن، بوسیله سطح رطوبت بالا، دمای بالا، نمونه آزمایشی شیب دارطراحی و اجرا میشود.


ASTM B 287 (اسید استیک- سالت اسپری)
این تست برای پوشش هایی در نظر گرفته شده که نتیجه ضد خوردگی عالی درمعرض اسپری نمک (B 117) به صورت بلند مدت فراهم میکند. شدت خوردگی این آزمایش تقریبا دو برابر آزمایش بخار نمک است، هر چند ممکن است برای هر کاربرد به طور قابل ملاحظه ای تغییر کند.
مکانیسم خوردگی به کار رفته برای سلول غلظتی اکسیژن بوسیله پی اچ پایین اعمال میشود است (3.1-3.3 دربرابر6.5-7.2 برای تست بخار نمک )؛ از یک الکترولیت محتوی 5%وزنی جزء کلرایدی استفاده میشود (معمولا لازم به نمایش نیست)، دمای بالا، نمونه ی آزمایشی بصورت مایل قرار گیرد وبا استفاده از یک بخار آب ریز، تسریع میشود.


سالت اسپری تسریع داده شده با مس (CASS) (ASTM B 368(
این آزمایش برای پوشش های مس- نیکل- کروم بر روی پایه های آهنی و غیر آهنی استفاده میشود.
مکانیسم های خوردگی سلول های غلظتی اکسیژن بوسیله ی اعمال در PH پایین (3.1-3.3 دربرابر6.5-7.2 برای تست بخار نمک )؛ استفاده از یک الکترولیت با غلظت جزء کلراید %5وزنی، دمای بالا، نمونه آزمایشی بصورت مایل قرار گیرد، استفاده از یک بخار آب ریز و افزودن مس کلراید برای فراهم کردن اثرات گالوانیک، تسریع میشود.


آزمون پوشش خورهCorrodkote (ASTM B 380(
این آزمایش همچنین برای پوشش های مس- نیکل- کروم بر روی پایه های آهنی و غیر آهنی استفاده میشود.
مکانیسم های خوردگی بکاررفته، سلول غلظتی اکسیژن و اثر گالوانیک تولید شده به وسیله ی یون های آهن ومس است، و علاوه بر این به وسیله ی یون های نیترات کلراید و آمونیوم اثرات پیچیده مواد شیمیایی را ایجاد کرده اند.
این تست یک خمیر کائولوند را به کار میگیرد که یون های خورنده را روی سطح آزمایش به روش منطقه ای(ضماد) نگه میدارد، مشابه خاک تجمع یافته بخش های خارجی اتومبیل است.



FACT (ASTM B 538(
این آزمایش به آندایزینگ آلومینیوم محدود میشود و به طور پایه ای یک تست تخلخل برای به دست آوردن نتایج محافظت خوردگی سریع مبتنی بر یافتن سطح تخلخل استفاده میشود. جنس ماده ی پایه برای ارتباط داده های آزمایشی با عمر کار برای هر کاربرد خاص نیاز است.
این تست از یک سلول الکترولیتی با اسپری نمک (ASTM B 117) یا محلول CASS (ASTM B 368) به عنوان یک اکترولیت تشکیل شده است.
سل روی نمونه ی آزمایشی بایک واشر برای جلو گیری از نشت قرار می گیرد. یک پتانسیل بین آند پلاتینی و نمونه ی آزمایشی (کاتد) اعمال میشود. چون هیدروژن ازمنافظ کاتدی تخلیه شده و قلیاییت توسعه میابد، پوشش مورد حمله قرار میگیرد و ولتاژ کاهش میابد. کاهش دادن ولتاژ سلولی بر اساس زمان نتایج پربازده را تطبیق میدهد.
Weatherometer (ASTM G 23(
این ازمایش داده هایی را برای ارزیابی عملکرد سیستم های رنگ و رنگ و لاکی که تحت هوای آزاد شبیه سازی شده قرار دارند، استفاده شده است. داده های حاصل از این آزمایش روی مقاومت سیستم پوشش برای اثرات باران و پایداری رنگدانه در رنگ (ثبات رنگ) وقتی در معرض نور خورشید قرار میگیرد ارائه می دهد. شدت تابش اشعه ی فرابنفش ازلامپ های هلالی کربن دو تایی و سطح رطوبت مختلف (چرخش از تقریبا 70تا 80% رطوبت نسبی) نتایج تست با رنج بلند در یک زمان کوتاه فراهم میکند.(100-2000 ساعت)
لاکتیک اسید:
آلیاژهای مبتنی بر مس و برنز لاک شده برای تخلخل ومقاومت در برابر کدرشدن بوسیله هر روز دستمالی شدن با استفاده از این تست آزمایش شده اند. اگر چه ASTM استاندارد نیست، بلکه تولید یک روشکار قابل قبول صنعتی است. مکانیسم اصلی حمله شیمیایی است.
روش کار بر طبق زیر است:
1. آیتم(مورد) در یک محلول از اسید لاکتیک 85% که با سدیم کلرید اشباع شده، در دمای اتاق غوطه ور شود.
2. آیتم در یک آون برای دوساعت در دمای 20 درجه فارنهایت خشک شود .
3. قطعه در یک دیسکاتور با هوای سوسپانسیون شده با بیش از 100 میلی لیتر از اسید استیک آویزان شود. جایگزین مناسب آن بخار تولید شده بوسیله 100 میلی لیتر ار محلول اسید استیک 50% یک ظرف رو باز کوچک است.
بیشتر از حدود 20 ساعت بدون ظاهر شدن خوردگی سبز(نیکل)، از دست دادن چسبندگی پوشش آلی، یا کدر شدن برنج یا مس ، نشان از موفقیت آمیز بودن لاک است.
.
سولفور دی اکسید/ Kesternich (ASTM B 605(
تعداد کمی از پوششها آنقدر پایداراند که تست مقاومت به خوردگی معمولی ساعت ها، به طور غافل گیر کننده ای بطول می انجامند. برای بدست آوردن نتایج نزدیک به واقعیت، یک مکانیسم حمله اسیدی استفاده میشود. دو نوع از این آزمایش ها تست سولفور دی اکسید (ASTM B 605) وتست kesternich (Volkswagen)هستند، ولکس واژن در DIN 50018 مشخص شده است. این روش کارها بطور معمول به پوششهای قلع- نیکل، و پوشش های مشابه محدود میشوند، یا پوشش هایی که در آن تشخیص سریع یک نقص یا نقص سطح مورد نیاز است.
در هردو این روشها از گاز سولفور دی اکسید در دمای بالا و سطوح مرطوب استفاده می کنند و باعث تشکیل اسید سولفوریک روی سطح نمونه آزمایش میشوند.
نقطه سه گانه (ASTM A 309)
فولاد گالوانیزه شده بوسیله ضخامت خالص پوشش روی از خوردگی محافظت می شود. بنابراین برآورد مقاومت به خوردگی می تواند با اندازه گیری ضخامت متوسط پوشش روی روی فولاد بدست آید. ضخامت اندازه گیری شده با استفاده از روش وزنی- منطقه و یک اسید مهار شده برای پاک کردن پوشش است.
این روش غیر مستقیم برای اندازه گیری مقاومت خوردگی فولاد از خوردگی گالوانیکی است که به پوشش (گالوانیزه) محدود است. روکش های نسبتا نازک مانند الکتروپلیت، به سادگی به انجام خوردگی ارتباط داده نشده اند، چون تغییرات عمومی در ضخامت، نواقص کاری ایجاد خواهد کرد که بوسیله این روش پیش بینی شده اند.

 

Prepared by research and development unit of jalapardazan (JP(

تهیه شده در واحد پژوهش و گسترش جلاپردازان پرشیا (JP)

Collecting and editing: Engineer T.E

Bachelor of Chemistry, Azad University

گرد آوری و تدوین : مهندس ت. ا 

لیسانس شیمی دانشگاه آزاد

English بررسی محلولهای آبکاری از طریق هول سل

the investigation of electroplating

and related solutions with the aid of

THE HULL CELL

This edited English translation © Robert Draper Ltd 1966

All rights reserved. This book, or parts thereof, may not be reproduced in any form without the previous written permission of the publishers

Printed in Great Britain

by Clare o' Molesey Ltd, Molesey, Surrey

PUBLISHER'S NOTE

I N R E c EN T years the Hull cell has come to be recognised as a most important tool in the control testing of electroplating and related solutions. The apparatus required is simple and inexpensive, the test takes only a few minutes to perform and does not require a particularly skilled operator. Yet with its aid much can be learnt about the composition and characteristics of a plating solution ; a chromium plating bath, for example, can be controlled and maintained by using only a hydrometer and a Hull cell. The hydrometer checks on the chromic acid while the Hull cell determines the catalyst ratio and impurity level. The Hull cell thus provides an extremely valuable plating control test.

What it does require however is skilled interpretation of the test panels obtained, comparisons being made with panels plated in solutions of known composition and purity and under known conditions. In the course of time most users of the Hull cell will accumulate a "considerable amount of comparative data. For the newcomer however the problem is how to establish the large number of necessary standards of comparison for which ideally one should take each plating solution in use and investigate the effects of altering each and every parameter-major and minor constituents, impurities and operating conditions-in small steps both singly and in combination.

This is where this book is of value because the Authors have themselves carried out these investigations and produced many hundreds of test panels from which nearly 200 have been selected and are reproduced in these pages for use by the operator in the interpretation of his own test results. Detailed written information on the Hull cell behaviour of plating solutions in various conditions of balance and under various plating conditions is also included together with notes on the use of the Hull cell for investigating covering power, current and metal distribution, metal surface condition, anodic processes including electropolishing and the suitability of tank linings.

This book was first published in Germany by the Eugen G. Leutze Verlag, Saulgau/Wiirtt., in 1956 and a second edition was published in 1965. The English translation was made by members of the staff of Electroplating and Metal Finishing who also edited the manuscript and included much additional information on the design and use of the Hull cell. Chapters 1 and 2 have in fact been completely re-written. We should like to express our thanks to R. 0. Hull & Co. Inc. for their co-operation in providing this additional information together with the whole of Chapter 9, and in particular to Dr. M. M. Beckwith, Vice-President, who also checked through the whole manuscript, for his most helpful comments and suggestions.

Teddington, June 1966

PREFACE TO THE FIRST GERMAN EDITION

. T H E I D E A of this book followed my own endeavours to form a photographic file of Hull cell panels illustrating various phenomena which arise in using the cell. Only during the course of this work did it occur to me that a collection of photographs of this type in book form would be of great help to others who use the Hull cell for testing solutions, and not least to the untrained apprentice. The basic material for this volume was therefore formed by many illustrations which I believe are capable of describing the appearance of Hull cell panels much better than the most comprehensive verbal descriptions. The reader who studies the illustrations and the accompanying text will save himself much effort in his attempts to interpret and evaluate the panels.

One problem which presented itself in reproducing the appearance of the panels photographically was how to show lustre and brightness. There appeared to be three ways of doing this. I could let the panel reflect a white light source. This showed fully bright surfaces as white and without structure while the less bright and matt surfaces appeared grey due to their lower specular reflectivity. If on the other hand the bright parts of a surface reflected a black colour, they would appear as black and without structural features. In this case again, the matt parts of the surface appeared grey due to the fact that they reflected diffuse light. I found that black gave a better contrast against less black surfaces than white against less white ones. For this reason I decided to use black reflections. This is also justified by the fact that a considerably larger number of areas would appear as light than as dark corresponding to bright and matt areas of surfaces. The third possibility, that of choosing a black-and-white pattern for the reflection source, was eliminated as giving rise to too much distortion and also because the pattern would mask structural features of the panels.

In order that this book should not be too long, I have restricted it to the most important plating solutions used in practice. My thanks are due to the Eugen G. Leuze Verlag for their careful attention to the compilation of the illustrations.

Bielefeld, June 1956

WALTER NOHSE

PREFACE TO THE SECOND GERMAN EDITION

S IN c E THE publication of this book in 1956 the Hull cell has established itself widely both in the laboratory and in the factory. The need for a second edition, which finds its reason in the rapid sales of the original edition, demonstrates that today the Hull cell has become a standard method of control in the electroplating shop.

July 1962 saw the appearance of the German Standard DIN 50 957 which laid down the principles of the use of the Hull cell for testing electroplating solutions. In the meantime two different cells with capacities of 250 and 1000 ml respectively have come into use ; of these the 250 ml cell is the most frequently employed.

In describing the Hull cell and its method of operation, I have made good use of the information in DIN 50 957 and where it seemed necessary I have amplified this for the practical plater. The abbreviations for 'porous', ' rough ' and ' no deposit ' have been altered although their visual symbols remain almost unchanged.

In the second edition, further work has been added which is designed to· show the versatility of the Hull cell. The last two chapters in this edition consist of a chapter written in collaboration with Ing. G. Wagenblast on the investigation of nickel plating salts in the Hull cell and a section contributed by Dr. J. Heyes on the measurement of metal distribution in electroplating solutions.

My gratitude for support in further experiments and for many helpful suggestions is due to Mr. Richard Hull Jr., Mr. Giinter Wagenblast and Dr. J. Heyes.

Lippstadt/West.f, Spring 1965

WALTER NOHSE

CONTENTS

PUBLISHER'S NOTE

PRPREFACE TO THE FIRST GERMAN EDITION

EFACE TO THE SECOND GERMAN EDITION

THE HULL CELL

Why use a Hull cell - Hull cell design - Material of construction - Temperature and agitation - Anode - Cathode - Current supply, control and measurement - Hanging Hull cell - Modified Hull cell

THE HULL CELL TEST AND Irs INTERPRETATION

Current distribution on the test panel - Test procedure - Interpretation of the test results

CHROMIUM PLATING SOLUTIONS Test procedure - Test results

IMPURITIES IN BRIGHT NICKEL PLATING SOLUTIONS

Copper contamination - Iron contamination - Effect of hydrogen peroxide - Chromic acid contamination - Zinc contamination - Cadmium contamination - Lead contamination - Other impurities and plating defects

BRIGHTENERS IN NICKEL PLATING SOLUTIONS

CADMIUM PLATING SOLUTIONS

Hull cell operating conditions - Test results - Cadmium and cyanide contents - Brightener concentration - Caustic soda - Solution composition

ZINC PLATING SOLUTIONS

Test conditions - Effect of increasing hydroxide content - Effect of increasing cyanide content - Practical implications - Effect of impurities

COPPER PLATING SOLUTIONS

BRASS, TIN AND SIL VER PLATING SOLUTIONS (by R. 0. Hull and Company Inc.)

Brass plating baths - Alkaline tin baths - Cyanide silver baths - Miscellaneous plating baths

TESTING OF NICKEL SALTS

(by W. Nohse and G. Wagenblast)

Nickel chloride - Nickel sulphate - Nickel plating salts - Conclusion

MET AL AND CURRENT DISTRIBUTION

Part 1. Use of the Jet test in conjunction with the Hull cell to determine metal distribution

Part 2. Direct determination of current and metal distribution (by Dr. 'Josef Heyes)

SOl\1E MISCELLANEOUS APPLICATIONS OF THE HULL CELL 115

1. Testing the suitability of basis metals - 2. Covering power

3. Anodic oxidation - 4. Electropolishing - 5. Testing tank linings

FURTHER NOTES ON THE USE OF THE HULL CELL 120

TypeS of anode - Incorrect polarity of the experimental apparatus

INDEX

CHAPTER 1

THE HULL CELL

Why use a Hull cell ?

A P L A T I N G bath is a solution of a number of chemicals each of which has a certain effect on the properties. of the electrodeposited metal coating. In order, therefore, to obtain electroplated coatings of the desired properties it is necessary to know the composition. of the electrolyte. In as far as this concerns the concentrations of metal and other salts, there are a sufficient number of analytical methods known today which, with the aid of simple techniques, a little experience and care in operation, give results of sufficient

accuracy.* '> ·

However, such methods of analysis are sometimes time-consuming, for instance, the determination of catalyst concentration in chromium plating solutions. Moreover they are not generally suited to the control of organic 'addition agents. Although the type of compound employed fol.this purpose is often known from the patent literature, it is rare that the plater knows the exact chemical composition and it is seldom that analytical methods are available to him for determining the concentration in the plating solution. From the practical point of view this is dangerous because a small departure from the optimum concentration of such addition agents will not normally produce any visible change in the electrodeposit produced under the normal

* ' The Analysis of Electroplating and Related Solutions ' by K. E. Langford, Robert Draper Ltd., Teddington,

'Schnellanalysenmethoden fiir galvanische Bader' by R. Weiner and C. Schiele, Eugen G. Leuze Verlag, Germany.

THE HULL CELL

plating conditions and it is impossible for the plater to obtain advance warning in this way of a dangerous deterioration in the solution. Fortunately however changes are more easily. visible in deposits produced under other conditions of electrodeposition and the Hull cell is a very suitable tool for such plating tests.

It was first described by R. 0. Hull in a paper entitled ' Current density characteristics, their determination and application ' (Proc. Amer. Electroplaters' Soc., 1939, 27, 52 - 60) and its application in the electroplating industry has been well summarised by Armet* in the following words. " The Hull cell may be employed usefully for the control of most types of plating solutions. One of its great advantages is the fact that it is possible for the skilled worker to assess the deposit characteristics at varying current densities all on one test panel. It is furthermore possible to carry out tests at various temperatures and current densities, and so to get a good idea of the bath characteristics and of the changes due to the variables introduced.

" The following effects may be investigated using the Hull cell.

1. Variation in main solution constituents and addition agents.

2. Operational variations such as temperature and current density.

3. Effect of organic and/or metallic contamination of the solution.

4. Investigations of tank linings, i.e. rubber and plastics, which might be suspect. Hull cell panels may be conveniently stored in the desiccator, or in plastic envelopes as permanent records of solution characteristics.

" It is possible with regular Hull cell tests to anticipate plating solution faults well in advance of their becoming a production danger. This is because of the fact that it is possible to see results at current densities both higher and lower than those obtained in production working, and it is normally in these areas that troubles first manifest themselves. Such troubles, though very apparent over a range of laboratory plating tests, quickly extend to the production plating if not rectified.

" It is a fairly well established fact that all plating baths, even of the same solution, are individual and distinct from each other. When complex impurities accumulate, it is often very difficult to control such solutions as chromium plating solutions, by chemical analysis alone, and in cases such as this the Hull cell proves invaluable.

" In cases where chemical analysis points to the need for large additions to be made to a solution, the Hull cell test can be used to check whether it is safe tomake such additions in one go without upsetting the bath equilibrium. The Hull cell test can demonstrate the presence of plating solution impurities in quantities so small as to be difficult to detect chemically but which can

* R. C. Armet. 'Electroplating Laboratory Manual ', Robt. Draper Ltd., Teddington

H U L L C E L L -D E S I G N

nevertheless cause production difficulties. A very good example of this is the detection of chlorides in chromium plating solutions, which will cause a deterioration in covering power."

However, while chemical analysis yields quantitative results, a Hull cell test only presents the investigator with a picture, and in order to interpret the picture, standards are required for comparison. Such standard pictures have not, to the Author's knowledge, been published before and it is the aim of this book to present illustrations demonstrating the effects on the Hull cell deposit of changes in the main constituents of the more important electroplating solutions and thereby to save the reader the task of carrying out his own experiments.

Hull cell design

The Hull cell is a miniature plating vat having a particular trapezoidal plan (see Fig. 1 et seq). The shape and dimensions are most important as

Fig. 1. Commercial (British) Hull. cell apparatus showing the cell, water bath and current control panel. [Courtesy M. L. Alkan Ltd.

THE HULL CELL

Fig. 2. 267 ml Hull cell. The 250 ml and 320 ml cells differ only in the depth of solution employed.

Fig. 3. 534 ml Hull cell recantmended [or extended testing because of the relatively smaller change in bath composition and temperature during a series of tests.

Fig. 4. 1000 111/ Hull cell.

HULL CELL DESIGN

will be seen below. It is manufactured in various sizes, 250, 267, 320, 534 and 1000 ml, mainly for operating convenience. The intending user would buy either the cell itself and make his own arrangements for current supply, etc., or a complete test apparatus with current supply, control panel and water bath (or immersion heater) as shown in Fig. 1.

The original cell upon which Dr. Hull's calculations were made was the 1000 ml cell but while it proved quite successful in practice, it was felt. that a smaller capacity cell might prove more convenient to use. So the 267 ml cell was developed, this capacity being chosen to assist in the rapid calculation of required· additions to the plating bath since 2·0 g of any addition per 267 ml are equivalent to 1 ·0 oz per U.S. gallon. For the same reason the 320 ml cell was developed for use in Britain (2·0 g of additive per 320 ml are equivalent to lO oz per Imperial gallon) while the 250 ml cell is popular on the Continent of Europe.

However, these small Hull cells have been criticised for being too small in that solution composition and temperature can change rapidly in spite of precautions and the designers now recommend the 534 ml cell which is not only double the volume. but also of a different shape, allowing alternative test procedures. The increased volume allows more tests to be conducted before the condition of the solution changes sufficiently to nullify · the results. Generally, on a bright nickel plating bath, the maximum number of tests recommended (without any correction of the solution for pH) in the 267 ml cell is three and in the 534 cell five. Temperature control is also better. Frequently, tests are run for 5 min at 25 to 30°C with cathode currents of 1 to 3 amps and in practice the temperature of the 534 ml bath does not appreciably increase under these conditions. Also if the anode for the system being tested has a relatively low polarizing current density, then the 534 is preferable because two or three anodes can be used with a single cathode thus bringing the anode current density below the limiting value. The 534 Hull cell uses the same size panel and the same current density scale as the 267.

People who use the 1000 ml cell generally do SO· because they prefer the even smaller temperature rise which results from the passage of a given amount of current. Also, a larger cathode is employed on which it is easier to detect minute effects occurring in the test bath. This larger panel is also used in the Hanging Hull Cell to which reference will be made later.

In the Hull cell the cathode is fixed at an angle to the anode and, in most models, both anode and cathode occupy the full cross section of the cell. The shape and actual dimension of the cell are most important in determining the cell current distribution ; the cathode angle of inclination was arrived at only after careful thought and research and, if this is changed, current distribution will no longer remain independent of the nature of the electrolyte.

THE HULL CELL

Cathode

267 ml Solution Level

Fig. S. 267 ml capacity Hull cell. All measurements given are internal and in inches. The 250 ml and 320 ml cells have the same plan measurements but the solution level is lowered and raised respectively to yield the appropriate capacity.

Fig. 6. 534 ml Hull cell. All measurements given are internal and in inches.

CONSTRUCTION

ANODE

Fig. 7. Dimensions of the 1000 ml Hull cell.

The various cells, their dimensions and test lay-outs are shown in the illustrations. The 250, 267 and 320 ml cells are identical except in regard to the depth of electrolyte employed and, of course, to the relation between the applied cell current and the scales or printed curves relating distance to primary current, density (see Chapter 2).

Hull cells are manufactured under one or more of the following U.S.

Patents: 2,149,344 ; 2,760,928 ; 2,801,963 ; 3,121,053.

Material of construction

The cell must be manufactured from a non-conducting material which is also completely inert to the electrolyte being tested. As the Hull cell is. frequently used to test for impurities in solution, this latter requirement is most important. Perspex is the most usual material of construction and is suitable for all plating solutions other than chromium. Its transparency is an advantage in that one can see better what is happening to the cathode during the test and also that one can see the back of the cathode, which is close to the cell wall. Polythene is also used and PVC and PVC-lined steel are sometimes encountered. A new development by the R. 0. Hull & Co. Inc. is a moulded polypropylene cell for chromium plating solutions which is preferable to the porcelain enamelled iron cell previously recommended.

Since stability of size and shape are important even when hot solutions are being tested, the plastic material must be carefully joined with adhesive or by welding. ·One piece moulded plastic cells are best.

THE HULL CELL

Fig. 8. 2SO ml Hull cell of German manuiacture with electrically heated water bath.

Fig. 9. 534 ml American Hull cell fitted with quartz immersion heater and thermostatic control.

USE

Temperature and agitation

For temperature control .either a water bath (see Fig. 8) or thermostatically controlled quartz immersion .heaters (see Fig. 9) can be employed.

The R. 0. Hull Co. also make a variable speed reciprocating agitator to closely simulate cathode rod agitation (Fig. 10).

Anode

As can be seen from the illustrations, the anode, which is 2! in X 2i in, is fitted closely to the cell wall. Normally it is flat and occupies the full cross section of the cell. Where the solution being tested is likely to give rise to high anode polarization, the anode will need to be constructed from gauze or from corrugated material to give an increased superficial area (see Fig. 11 ; see also Figs. 198 - 200). Its thickness must not exceed 0·2 in and its height should be such as to leave sufficient area over the solution level to take the electrical connections. The choice of anode material depends on the solution under test ; anodes are in fact made of brass, cadmium, copper, lead, nickel, tin and zinc and, for precious metal plating, in stainless steel, platinum and silver.

Fig. 10. Hull cell agitator to simulate cathode rod agitation in the Hull cell.

THE HULL CELL

Fig. 11. Flat and corrugated Hull cell anodes complete with lead wire.

The same anode should be used for all experiments on a given solution in order to eliminate the possible effect of differences in the anode material. It has become common practice (in Germany) to surround the anode with filter paper, and if this is done at all it should be done for the entire series of experiments. However, it is generally preferable not to use filter paper but to clean and activate the anode in a suitable stripping solution for the metal.

When testing an electrolyte for the conditions of solution of the anode, the latter replaces the cathode panel in the cell. If a quantitative evaluation is required, the anode panel must be made to the full size of the standard cathode for the particular cell in use.

Cathode

The condition of the plating solution is judged from the appearance of the cathode after the test. Accordingly, the cathode material and its surface condition should ideally be the same as that of the work which is plated in practice. Generally however polished brass or steel is quite suitable, particularly if the brightness of the deposit is the only point of interest.*

It is well known that the surface composition and condition of the basis metal can have a most considerable effect on the plating obtained. It is important therefore that these factors be standardised. The R. 0. Hull Co. supply standard cathodes in zinc plated semi-bright steel (No. 3 finish) which is ideal for cadmium and zinc or in highly polished brass, protected by peel-off

ELECTRODES

Fig. 12. Cathodes for the Hull cell.

lacquer, which is suitable for testing bright brass, bright copper and bright nickel. The zinc coating is put on at the mill to prevent rusting of the panels before use and it is removed by dipping in 50% (vol) hydrochloric acid followed by rinsing, wiping of the panel with a clean cloth or wet paper towel and final rinsing just before use. In the case of polished brass panels, the protective plastic coating is first removed by grasping the corner edge with a knife or fingernail, then soaking the panel for approximately 20 seconds in a hot non-tarnishing brass cleaner or rubbing with a cotton wad or sponge soaked in trisodium phosphate or alkali cleaner, followed by rinsing in cold running water. When cleaning test panels, care must be taken to handle the panels by the edges only so as to prevent finger print smudges. If necessary, rubber gloves may be worn. ·

It is inadvisable to use a cathode more than once since stripping will in all probability materially alter the surface characteristics of the test piece.

Brass test panels are usually polished on the front surface only but in some circumstances it may be necessary to polish the back as well, as for example

* R. 0. Hull & Co. Inc. are not in entire agreement with this and always prefer to carry out a test on a substrate, be it basis metal or electrodeposit, as close as possible

to that used in practice. Steel is recommended for testing cadmium and zinc. For nickel either a steel panel or a bright polished brass panel is used. When testing chromium solutions the panel is first plated with bright nickel and then rinsed and used in the Hull cell test. If it is a question whether the chromium or the bright " nickel is the source of the problem, the panel is first nickel plated in the Hull cell using the bright nickel plating solution in question, and then tested in the chromium plating solution in another Hull cell.

THE HULL CELL

when it is required to observe the tendency to etching on very low current density areas.

Hull cell test panels are' made in two sizes, one to fit the 250, 267, 320 and 534 cells and the other for the 1000 ml cell and the Hanging Hull cell. It fits closely to the cell wall and its height should be such as to stand out of the solution sufficiently to make the electrical connections. Its thickness should preferably be 0·5 ± O·l mm but it can be up to 1 mm.

Current supply, control and measurement

For operation of the Hull cell a source of direct current is required capable of supplying 3 amps (or 5 amps in the case of 1000 ml cell) ; the maximum voltage ever likely to be required is 18 volts though normally it will be very much less than this.

To supply this direct current use can be made of either car batteries or small transformer/rectifier units. Since current ripple can affect the structure of an electrodeposit, it is important if a rectifier is used that the amount of ripple does not exceed 15% ; an ordinary battery charger is therefore unsuitable. Three-phase rectifier units incorporating valve smoothing circuits have been widely employed in the past. However, even these are affected by mains voltage fluctuations such as may occur in any works laboratory and the modern tendency therefore is to use transistorised mains units which supply a constant voltage direct current, independent of either loading or mains voltage and which is practically free from ripple. An arrangement for constant voltage or constant current density control is sometimes used as an additional refinement.

When a lead accumulator is used to supply the power for the Hull cell it is recommended to arrange two 6 volt car batteries as shown in Fig. 13. This arrangement will usually provide sufficient current for the 250, 267 or 320 ml Hull cell but is less convenient than a transformer/rectifier unit.

Whichever method is employed means must be provided for controlling and measuring the current passed by the cell. The regulator should operate over 100% of the range and be stepless. Variable resistances can be used though in the case of a rectifier unit 100% stepless control through an autotransformer is to be preferred.

Resistances should be selected in such a way that

R = t.V ~ (U)

lmin

CURRENT SUPPLY

Fig. 13. Example of a circuit for Hull cell current supply using lead accumulators.

R1 Variable rheostat with 'off' position, 6 ohms, 6 amperes R;i Variable rheostat with 'off' position, 30 ohms, 5 amperes A1 Ammeter, 10 amps, divided into 0·2 amp units

~ Ammeter, 6 amps, divided into 0·2 amp units

V1 Voltmeter, 15 volts, divided into 0·2 volt units

V2 Voltmeter, 6 volts divided into 0·2 volt units.

where

!J.. V = the largest required voltage drop in volts and Imin =the lowest required current in amperes.

The maximum current which can pass is taken as the loading.

THE HULL CELL

To O.C. Source

Fig. 14. Circuit diagram of resistance comm! in the Hull cell apparatus shown in Fig. 1.

All the experiments described up to p. 90 were carried out using car batteries connected as shown in Fig. 13. The experiments on quality testing of nickel salts were conducted with the aid of a mains unit while Dr. Heyes (see p. 109) conducted his investigations with an electroplating rectifier with a ripple smoothing arrangement.

Hanging Hull cell

A newer development, currently not available outside the United States, is the Hanging Hull cell (Fig. 15).

As its name suggests, this is a version of the Hull cell designed to be hung directly on the carrier bar or cathode rod of the plating tank and which will produce on the test panel a deposit showing the characteristics of the plating bath over the entire operating current density range, thus combining most of the features of the standard Hull cell with the advantage of testing under production conditions. It consists of a 0 to 50 amp Perspex-encased ammeter hermetically sealed to a Perspex-encased 24 in or 32 in copper stem which, at the top, forms the cathode bar hook and at the bottom holds a Perspex Hull cell which in this case comprises a V-shaped box holding the larger size cathode as used in the 1000 ml Hull cell.

It is operated in much the same way as the standard Hull cell and the results are comparable for comparable current densities. It should however be remembered that the Hanging Hull cell panel may be plated at considerably higher currents than the standard Hull cell panel, thereby widening the current density range on the panel. For testing barrel solutions, the empty stationary barrel is submerged, the loading panel removed, and the Hanging Hull cell

HANGING HULL CELL

held in the barrel, electrical contact being made with a flexible lead to the cathode rod.

Since the Hanging Hull cell operates directly in the plating solution, a much closer picture of the actual plating range present in the bath is obtained on the test panels than in the laboratory Hull cells. This is especially true in chromium 'plating solutions where the current densities found in production may not be duplicated in the 267 and 1000 ml Hull cells.

Among the most important uses of the Hanging Hull cell is the determination of the source of trouble in a sequence of plating operations. By comparing the panels obtained by cleaning and pickling the test panels in the plating set-up with those obtained using freshly stripped steel or freshly cleaned brass panels, any difficulty due to poor cleaning or pickling can be detected and traced directly to its source.

Fig. 15. The Ha11gi11g Hull cell.

THE HULL CELL

By a similar set-up, the Hanging Hull .cell may be used to test the effectiveness of post-plate bright or proprietary dips by comparing the panels obtained with those made in fresh· dip solutions in a small container.

Another important use of the Hanging Hull cell is to make a current survey of a plating tank. A stripped panel is inserted into the cell head and the unit hung on various positions of the cathode rod. With the total voltage at a fixed value, the meter readings on the cell should be the same throughout the length of the cathode bar. If any variations in current reading are noticed, the cause may be poor anode contact or improper bussing of the cathode rod.

Modified Hull cell

The Modified Hull cell was developed for particular application to high current density solutions such as chromium plating solutions.* It consists of the standard (250, 267 or 320 ml) Hull cell in which t in diameter holes have been introduced into the two parallel sides as shown in Fig. 16. On the long side of the cell the holes are kept towards the anode end, thus retaining the restrictive effect of the low current density areas. Exact spacing and size of the holes do not seem to be at all critical.

%"Dia Holes

Fig. 16. Modified Hull cell.

The Modified cell is used inside another vessel, such as a 7 in diameter crystallising dish filled to the cell solution mark with the solution under test or it can be placed directly in the plating tank. Operation of the cell at currents of 10 to 15 amps and temperatures of 115°F are possible with little temperature fluctuation as natural solution movement by convection currents produces a constant interchange of. solution through the holes. Slow stirring helps and, unless of a very violent nature, does not appear to have any effect on the deposit.

* J. Branciaroli, Plating, 1959, 46, No. 3, 253 - 60.

CHAPTER 2

THE HULL CELL TEST

AND ITS INTERPRETATION

Current distribution on the test panel

To BE effective the current distribution on the test panel should cover a wider range of current density than that which is encountered in practice with the solution under test.

The primary current distribution on the Hull cell cathode follows a logarithmic curve and can be represented as

C.D. at any point = I (C1 - C2 log L)

where L = distance along the cathode, I = total cell current and C1 and CJ represent . constants which depend on the nature of the electrolyte. Hull determined these constants for a number of electrolytes, finding in general that they altered little from one electrolyte to another. In consequence, the values were averaged and general purpose formulae applicable to all electrolytes have been arrived at as follows :

for the 1000 ml cell

C.D. at any point = I (18·8 - 28·3 log L) for the 267 ml (and 534 ml) cell

C.D. at any point = I (27·7 - 48·7 log L)

(between the limits L = 0·25 and L =·3·25 in) where the current density is in amp/sq ft, I is in amperes and L is in inches.

HULL CELL TEST

Fig. 17. Plating range of 267 ml Hull cell.

[H. ']. Sedusky and ']. B. Mohler

CURRENT DISTRIBUTION ON PANEL

Since the 250 and 320 ml Hull cells differ from the 267 only in the depth of the solution employed, the formulae for these cells become :

for the 250 ml cell

C.D. at any point and for the 320 ml cell 267 I (z7.7 _ 48·7 log L) 250

C.D. at any point = ~~~ I (27·7 - 48·7 log L)

Deviations from these are to be expected, particularly for cyanide electrolytes. If for instance the above equations lead one to expect a current density of say 30 amp/sq ft, this current density will generally not apply over the whole period of the test. When the current is first turned on the current density at this point will be 30 amp/sq ft but later cathode polarization wil! cause a change in the current density, or alternatively it may cause periodic current fluctuations. However, it has been shown in practice that these equations do give sufficiently close approximations of the local current density for most purposes.

In any case it must be remembered that for nearly all purposes the Hull cell test is a qualitative one and the specification of current density is usually quite unnecessary except by such general terms as low, medium or high.

When it is desired to refer to the actual current densities, graphs such as that shown in Fig. 17 may be constructed to avoid the often lengthy calculations involved in applying the above equations. If for instance one is using a 3 amp cell current in a 267 ml Hull cell, the current density at a point on the test panel 1 inch from the high current density end can be read off as 85 amp/sq ft, and at 2 inches from the high current density end, it is approximately 39 amp/sq ft and so on. These values can in turn be plotted on scales such as that shown in Fig. 19, which are even more convenient to use.

Hull cells can be left or right handed so that the high current density area can be at either end of the test panel. Generally, however, the cells are as shown in Figs. 2 - 4, p. 4 and the high current density area is on the left of the panel.

Metal distribution is again different from the current distribution since it also depends on the throwing power of the solution. The one exception is the acid copper plating bath in which the metal distribution and primary current distribution are always closely similar and secondary polarization effects are very small.

Fig. 19. Current density scales [or the 267 ml, 534 ml and 1000 ml Hull cells (actual size). C11rrc11t density in amp/sq ft. (R. 0. Hull & Co. Jue.)

Test procedure

The first essential in making a Hull cell test on a plating solution is to obtain a truly representative sample. The best way of doing this is to use a sampling tube which is simply a Perspex, polythene or PVC tube i in inside diameter and perhaps 4 ft long brought to a coarse jet at the lower end. Still solutions must be mixed with a plunger to avoid layering. It is important to measure the solution depth at the time of sampling in order that the volume in the vat can be estimated accurately before calculating the amounts of any additions that have to be made.

If chemical analysis is to be carried out (and Hull cell plating tests are not to be regarded as eliminating the necessity for occasional chemical analysis)

TEST PROCEDURE

such analysis should be made at this stage and the composition of the bath corrected accordingly before commencing the Hull cell test.

Different operators prefer slightly different ways of making a Hull cell test (the method given here differs slightly from that described in DI.N 50 957). First the cell is cleaned ; if more than one kind of plating bath is tested regularly, one cell should be used exclusively for each type of bath to avoid contamination of one bath sample by another. Next the temperature of the cell, and that of the water jacket if used, is adjusted to the test temperature. At the same time the electrolyte is warmed in a beaker to the same temperature and transferred to the cell to reach just below the solution level mark.

The anode should now be cleaned and the cathode prepared as already described. Both electrodes are then placed in position in the cell, connected electrically and a small current applied immediately ; in some cases it will be better to connect and switch on the current before placing the cathode in the electrolyte. The arrangement of electrodes in the various Hull cells is shown in Fig. 20.

~ anode

250,267and 320ml Hull cell

534 ml Hull cell

lOOOml Hull cell

زیر مجموعه ها

تمامی معرف های مرتبط با صنعت ابکاری و نحوه ساخت انها

تمامی شناساگرها مرتبط با صنعت ابکاری و نحوه ساخت انها

تمامی محلولهای استاندارد و نحوه استاندارد سازی انها برای استفاده در انالیز ها در این بخش مورد بحث قرارخواهد گرفت

صفحه10 از22