Chega de delaminação: explicação do ânodo de titânio gradiente

Quando o hipoclorito de sódio está sendo produzido, a temperatura das células eletrolíticas muda da temperatura ambiente para 40 graus a 60 graus, com base na densidade de corrente e no design do sistema. Quando aquecido, a base de titânio e o valioso revestimento de óxido metálico crescem em taxas diferentes. Esta diferença nos coeficientes de expansão térmica causa tensão mecânica onde dois materiais se encontram.

Processos repetidos de aquecimento e resfriamento, que acontecem muito em operações 24 horas por dia, aumentam o estresse. Com o passar dos meses de uso, pequenas rachaduras começam a aparecer nos pontos fracos da cobertura. Microfissuras como essas se movem através da cobertura até que ela se separe, deixando o titânio por baixo ser passivado.

As reações eletroquímicas criam seus próprios padrões de tensão, além dos efeitos do calor. Altas densidades de corrente causam processos de evolução de cloro que produzem oxigênio. Isso produz bolhas de gás que exercem estresse físico na superfície do revestimento. Ao mesmo tempo, fortes íons cloreto atravessam falhas no revestimento para alcançar a base de titânio e criar produtos de corrosão que se espalham abaixo da camada de revestimento.

Essa ferrugem abaixo da superfície funciona como uma cunha, afastando lentamente a camada da base. A estrutura dos revestimentos MMO tradicionais e uniformes não é forte o suficiente para suportar essas cargas combinadas, especialmente em locais com mais de 3% de cloreto de sódio.

Muitos problemas de revestimento podem ser atribuídos à má preparação da base. Se a superfície não for suficientemente áspera, não poderá fornecer locais de ligação mecânica suficientes para o revestimento. Óleos, óxidos ou restos de produtos químicos de processamento podem contaminar e enfraquecer as zonas de ligação, que então se tornam locais onde começa a delaminação.

Embora os revestimentos de camada única-de rutênio puro sejam bons na decomposição do cloro, eles também são muito frágeis e podem rachar quando submetidos a muito estresse. Os revestimentos normais de rutênio-irídio tornam as coisas mais flexíveis, mas não possuem os recursos-de alívio de tensão necessários para uma vida útil mais longa em condições eletrolíticas adversas.

A thaste de ânodo de itânio com gradiente possui proporções de metais preciosos que mudam constantemente conforme a espessura da camada muda. A camada mais próxima do substrato de titânio possui mais titânio, o que torna os produtos químicos compatíveis e reduz a tensão na interface. Para melhorar a atividade catalítica, as camadas intermediárias aumentam gradualmente as quantidades de rutênio e irídio presentes. A camada superior aumenta a taxa de geração de cloro, mantendo a resistência à corrosão.

Essa mudança na composição elimina as quebras bruscas nas propriedades do material que ocorrem em revestimentos de-camada única. Em vez de se concentrar numa fronteira fraca, o stress espalha-se por várias zonas de interface. Pesquisadores em programas de eletroquímica industrial descobriram que as estruturas gradientes reduzem o nível mais alto de tensão interfacial em 40 a 60 por cento em comparação com revestimentos uniformes regulares.

A estrutura de gradiente multi-camadas atua como uma almofada para o estresse mecânico. Cada camada está fortemente conectada às próximas graças a métodos aprimorados de tratamento térmico que ajudam os átomos a se moverem nas bordas. Quando a tensão operacional aumenta, o design gradiente permite que a deformação controlada ocorra em várias camadas, em vez de um único link falhar completamente.

Essa forma de pensar sobre o design vem dos revestimentos de barreira térmica aeroespacial e das superfícies de implantes biomédicos, ambos os quais dependem da integridade da interface para determinar por quanto tempo o dispositivo funcionará. A abordagem do gradiente transforma um sistema fraco que se separa facilmente em uma estrutura forte que pode lidar com mudanças de temperatura, vibração e estresse elétrico.

Métodos avançados de limpeza de substrato produzem superfícies microscopicamente ásperas e com formato controlado. Os métodos de ataque químico eliminam filmes de óxido inativos e criam locais reativos na superfície. Quando o intertravamento mecânico e a ligação química trabalham juntos, eles produzem forças de ligação superiores a 25 MPa, o que é forte o suficiente para suportar condições de trabalho eletrolíticas.

A sinterização-de alta temperatura forma uma ligação química entre a camada mais profunda do revestimento gradiente e esse substrato pronto. Esta ligação metalúrgica é muito diferente da adesão mecânica mais fraca da maioria dos revestimentos. Ele fornece a base para resistência-de longo prazo à delaminação.

A engenharia de interface analisa a área muito importante onde o substrato de titânio e o revestimento catalítico se encontram. Essa pequena área controla se um eletrodo dura o tempo esperado ou se quebra cedo porque delamina.

Múltiplas técnicas são usadas pela moderna tecnologia de interação para fortalecer esse ponto fraco. Os métodos de modificação de superfície alteram as camadas atômicas superiores do material para torná-lo mais compatível com o revestimento. Camadas de ligações intermediárias formam ligações composicionais entre materiais que não são iguais. O ajuste dos parâmetros do processo garante que não haja problemas com o contato interfacial completo.

Segundo pesquisas publicadas em revistas eletroquímicas, basta trocar o contato para acrescentar dois a três anos à vida útil de umhaste de ânodo de titânioem locais com muito cloreto. Essas melhorias vêm da eliminação dos locais onde começa a delaminação, que é o que geralmente leva à falha dos fios muito cedo.

O custo total de propriedade dos dispositivos de limpeza eletrolítica está diretamente relacionado à sua durabilidade. A capacidade de um revestimento gradiente de melhorar o desempenho do ânodo de titânio e evitar a delaminação leva a benefícios operacionais e financeiros mensuráveis.

Em aplicações de tratamento de águas residuais municipais, os revestimentos uniformes padrão geralmente duram entre 3 e 5 anos antes de precisarem ser substituídos porque começam a descascar. Eletrodos compostos gradientes geralmente duram mais de 8 a 10 anos quando usados ​​da mesma maneira. Essa diferença no desempenho vem da resistência natural da estrutura gradiente aos processos de estresse que fazem com que os revestimentos falhem cedo demais.

Uma vida operacional mais longa reduz as substituições e os custos de mão de obra que as acompanham. Fica mais fácil planejar recursos quando as datas de manutenção são mais confiáveis. Os gerentes de sistema evitam os problemas de produção que acontecem quando os eletrodos quebram sem aviso prévio entre os períodos de reparo.

Em ambientes industriais, os eletrodos precisam ser confiáveis ​​mesmo quando as condições são difíceis. As estações de tratamento de água potável não conseguem lidar com problemas com o sistema de desinfecção. Para atender aos padrões de saúde pública, as piscinas devem produzir cloro de forma consistente. A proteção anti-incrustante deve estar sempre presente nos sistemas industriais de circulação de água.

A tecnologia de colagem de revestimento atende a essas necessidades de confiabilidade usando ideias de ciência de materiais e controlando o processo de fabricação. A resistência à delaminação do ânodo de titânio acabado é afetada em cada etapa, desde a escolha do substrato de titânio até a aplicação do revestimento final. A base é feita de placas de titânio de alta-pureza. O titânio de Grau 1 ou Grau 2 é o melhor para resistir à corrosão e trabalhar com revestimentos. Dependendo do formato do eletrodo e das necessidades de engenharia, a espessura do substrato geralmente fica entre 1 e 3 mm. A ciclagem térmica funciona melhor em superfícies mais espessas porque mantêm melhor a sua forma.

Controlar as configurações de granulação durante o jato de areia torna a superfície totalmente áspera. Depois disso, a camada superior-endurecida é removida por ataque químico, deixando para trás titânio reativo fresco. Esse processo de duas-etapas cria uma superfície de base perfeita para a aderência de revestimentos. Para aplicações de revestimento, métodos de decomposição térmica são usados ​​com misturas de precursores cuidadosamente controladas. Camada por camada, a estrutura gradiente é feita por múltiplos processos de pintura. A 400–500 graus, o calor é aplicado a cada camada para quebrar os precursores em óxidos metálicos mistos e ajudar as camadas a se unirem. A lenta mudança na composição ocorre porque as proporções dos precursores são alteradas de forma planejada entre os ciclos de revestimento. Em diversas etapas da produção, as verificações de controle de qualidade garantem que a camada ainda esteja intacta. O teste de adesão mede o quão forte é um vínculo. A atividade catalítica é confirmada por caracterização eletroquímica. Antes de os eletrodos serem colocados em uso, eles são submetidos a testes de vida acelerados em condições adversas para descobrir a probabilidade de delaminarem.