Was ist elektrophoretische Abscheidung?
Die elektrophoretische Abscheidung (EPD) ist ein Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen oder Filmen auf elektrisch leitenden Objekten oder in einigen Fällen zur Herstellung eigenständiger Komponenten und Materialien unter Verwendung eines Verfahrens, das als Elektrophorese bezeichnet wird. Dieser Begriff beschreibt die Wanderung elektrisch geladener Partikel in einer Flüssigkeit zu einer Elektrode unter dem Einfluss eines elektrischen Stroms. Kleine Partikel, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, weisen häufig eine positive oder negative elektrische Ladung auf, da ihre Moleküle mit denen des Mediums interagieren. Wird die Suspension mit Elektroden mit Gleichstrom beaufschlagt, bewegen sich die Partikel mit entgegengesetzter Ladung auf die Elektrode zu. Die Elektrophorese wird häufig in der biochemischen Analyse eingesetzt und ist zu einem wichtigen Bestandteil vieler industrieller Prozesse geworden.
Die elektrophoretische Abscheidung, auch als elektrophoretische Beschichtung oder E-Coating bezeichnet, verwendet den zu beschichtenden Gegenstand als Elektrode, auf der entgegengesetzt geladene Partikel abgeschieden werden und eine Schicht bilden. Abhängig davon, ob die positive oder die negative Elektrode verwendet wird, kann der Prozess als anodische oder kathodische galvanische Abscheidung bezeichnet werden. Wo die Teilchen normalerweise elektrisch neutral sind, kann eine Verbindung an sie gebunden werden, um ihnen eine elektrische Ladung in Suspension zu verleihen. Die resultierende elektrische Abstoßung zwischen den Partikeln verhindert auch, dass sie zusammenklumpen.
Dieses Verfahren hat viele Anwendungen, insbesondere in der Nanotechnologie und in den Materialwissenschaften. Im Gegensatz zum Galvanisieren kann EPD zur Abscheidung einer Vielzahl von nichtmetallischen Substanzen sowie von Metallen verwendet werden und ist eine relativ schnelle und kostengünstige Methode zum Aufbringen einer Isolier- oder Schutzbeschichtung auf kleine elektrische Bauteile. Normalerweise hat die Beschichtung jedoch einen höheren elektrischen Widerstand als die Elektrode, so dass der Strom im weiteren Verlauf mit zunehmendem Widerstand abnimmt. Dies kann seine Verwendung einschränken.
Es ist auch möglich, die Ablagerung von der Elektrode zu entfernen, um ein separates Objekt zu bilden. Beispielsweise kann eine elektrophoretische Abscheidung angewendet werden, um suspendierte Kohlenstoffnanoröhren auf einer flachen Elektrode abzuscheiden, wodurch ein dünner Film aus Nanoröhren gebildet wird, der dann abgelöst werden kann. Kohlenstoffnanoröhrenfilme haben viele Anwendungen, einschließlich Dünnschichtsolarzellen, Brennstoffzellen und Touchscreens.
Die elektrophoretische Abscheidung ermöglicht auch die Herstellung neuer Arten von Keramikmaterial. Verbundmaterialien können unter Verwendung einer Mischung von Nanopartikeln in einer Suspension synthetisiert werden, was beispielsweise zu einer verbesserten Festigkeit oder nützlichen elektrischen Eigenschaften führt. Eine weitere wichtige Anwendung sind funktional abgestufte Materialien (Functional Graded Materials, FGM). Es ist möglich, Objekte aus zwei Materialien zu erstellen, die normalerweise nicht kompatibel sind, möglicherweise aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungsraten, indem ein gleichmäßiger Gradient zwischen den beiden und keine scharfe Grenze gewährleistet wird. Dies wird erreicht, indem die Zusammensetzung der Suspension während der Elektrophorese variiert wird. Laminate, die aus abwechselnden Schichten verschiedener Materialien bestehen, können auch einfach durch Umschalten zwischen verschiedenen Suspensionen hergestellt werden.