BRPI0621567A2 - processo de galvanoplastia de espuma e aparelho - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE GALVANOPLASTIA DE ESPUMA E APARELHO. Um aparelho e método aperfeiçoado de produção de espuma metálica é provido, envolvendo a otimização da convecção natural de eletrólitos através de uma espuma que é laminada por meio da inclinação da espuma durante a galvanização. Um fluxo diagonal de eletrólitos através da espuma aumenta o volume de eletrólitos dentro da espuma, ao mesmo tempo aumentando a eficiência da galvanoplastia. é provido uma maior eficiência de galvanização ao se deslocar a densidade de corrente de zonas de galvanização superiores para zonas de galvanização inferiores.

Description

"PROCESSO DE GALVANOPLASTIA DE ESPUMA E APARELHO"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se, em geral, a espumas metálicas laminadas e, em particular, a um aparelho e métodos para a fabricação das mesmas.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

As espumas metálicas, como, por exemplo, a espuma de níquel, são bem conheci- das e utilizadas, por exemplo, na produção de eletrodos para baterias. A espuma metálica é altamente porosa, de célula aberta, baseada em uma estrutura metálica sobre a estrutura de espumas poliméricas de célula aberta. A espuma metálica pode ser produzida por meio de galvanoplastia. Para se produzir uma espuma metálica, como, por exemplo, uma espuma de níquel, um metal niquelado pode ser revestido sobre substratos de polímero de célula aber- ta, tais como uma espuma de poliuretano, e sinterizado depois de remover o substrato de polímero em uma atmosfera controlada em alta temperatura. Um processo típico pode co- meçar com longas tiras de espuma de poliuretano, por exemplo, entre cerca de 1 a 2 mm de espessura e cerca de 1 m de largura. A tira de poliuretano pode se tornar eletricamente condutiva por meio do revestimento, por exemplo, com uma tinta condutiva de carbono, por meio de uma pré-galvanização com níquel usando uma deposição autocatalítica (electro- less), ou por meio de um processo de pulverização catódica a vácuo. Em seguida, uma es- pessa camada de níquel é eletrodepositada sobre a camada condutiva a fim de produzir entre cerca de 400 e 600 g/m2 de folha. A espuma eletricamente condutiva é galvanizada eletricamente por meio da instalação de tal espuma como um catodo. O anodo é colocado em um ou em ambos os lados da tira de espuma. A espuma metálica pode também ser pro- duzida por meio da deposição de carbonila, que não exige uma pré-galvanização. Finalmen- te, a espuma pode ser submetida a um tratamento térmico, por exemplo, em cerca de 1000° C, de modo a decompor ou evaporar o núcleo de poliuretano e recozer o níquel. Um galva- nizador vertical contínuo simples conhecido é esquematicamente ilustrado na Figura 1 e descrito em mais detalhes abaixo.

A fase de deposição metálica é uma etapa importante e, em última instância, res- ponsável pela qualidade do produto de espuma. Esta fase determina se a densidade de es- puma é suficientemente homogênea ao longo da superfície e por toda a sua espessura. A mesma determina se as propriedades físicas do metal, tais como a força e o alongamento, são adequadas e se a composição química do metal depositado é satisfatória e não conta- minada por materiais indesejados, por exemplo, no caso de um níquel depositado, não con- taminado por cobre, enxofre ou outros elementos, o que poderia afetar negativamente o de- sempenho da bateria. Uma eletrodeposição uniforme é dificultada em função do caráter tri- dimensional da espuma e da natureza da eletrodeposição, o que pode poderá impedir a gal- vanização no interior da estrutura. Isso ocorre porque o processo de galvanização no interior da espuma pode ser limitado pela taxa de transporte de massa controlada pela lenta difusão dos íons metálicos dentro da estrutura interna da espuma. Se a densidade de corrente e a taxa de galvanização total forem demasiado elevadas com relação à taxa de processo de difusão, o eletrólito no interior da estrutura de espuma torna-se empobrecido. A deposição metálica, em seguida, se torna ineficaz, e o depósito poroso e de má qualidade. O produto resultante é menos galvanizado no meio do que do lado de fora e tem características mecâ- nica e de corrosão inferiores. O depósito ou a razão de espessura diferencial (DTR) é a ra- zão da quantidade de depósito de galvanização mais externa para a quantidade de depósito de galvanização mais interna É difícil, pelos motivos acima mencionados se obter uma razão DTRde 1:1.

A eletrodeposição de qualquer metal sobre uma superfície de eletrodo deve ser su- portada pelo efetivo transporte de íons metálicos a partir da massa da solução para a super- fície de eletrodo. No corpo do eletrólito, este transporte é provido por meio do movimento eletrolítico induzido por gradientes de densidade (convecção natural), ou por meio da mistu- ra (convecção forçada). O eletrólito adjacente à superfície de eletrodo é, no entanto, estáti- co. Os íons metálicos se movimentam até a superfície por meio de um processo de difusão acionado pelo gradiente de concentração entre a massa de eletrólitos e o eletrólito empo- brecido adjacente à superfície. A densidade de corrente crescente aumenta o gradiente de concentração e diminui a concentração de superfície até um ponto no qual a mesma se tor- na nula. Nesse ponto, torna-se prevalente a descarga de íons de hidrogênio, diminuindo a eficiência de corrente da deposição metálica. O metal depositado próximo a ou nesta assim chamada corrente limitada pode ser de uma qualidade extremamente baixa, isto é, muito poroso e com eletrólito aprisionado.

O eletrólito empobrecido dentro da camada de difusão é menos denso e uma força de flutuação faz o mesmo subir ao longo de uma superfície vertical de eletrodos. Este assim chamado fluxo de convecção natural contribui para o suprimento de íons metálicos para o lado de fora da camada de difusão e também limita a sua espessura, que é geralmente uma fração de um milímetro. A convecção natural limita a densidade de corrente utilizável e a taxa de galvanização na maioria dos sistemas não-agitados para entre cerca de 200 e 1000 A/m2, dependendo da espessura de deposição e da qualidade de produto exigida. Nos sis- temas eletrolíticos mecanicamente agitados, a espessura da camada de difusão pode ser muito menor, permitindo, assim, uma galvanização mais rápida. Infelizmente, a agitação mecânica não é tão uniforme quanto a convecção natural, e, portanto, a taxa de deposição se torna menos uniforme também.

A galvanização de uma estrutura tridimensional, como uma espuma é ainda mais complicada devido ao empobrecimento eletrolítico no interior da espuma, onde o fluxo de convecção natural é fortemente impedido. Os poros no interior da espuma têm uma fração de milímetro, comparável à espessura da camada de difusão - tornando a troca convectiva do eletrólito empobrecido pelo eletrólito em massa extremamente pobre. No caso de uma tira de espuma orientada verticalmente, o eletrólito empobrecido no interior da espuma tem uma densidade menor e cria um fluxo laminar lento para cima dentro da tira de espuma. O mesmo é enriquecido por meio de uma difusão lenta e de uma troca convectiva muito limita- da pelo eletrólito em massa, conforme mostrado esquematicamente na Figura 2. A baixa concentração de eletrólito no interior da espuma reduz a eficiência eletroquímica da galvani- zação e agrava a espessura não uniforme do depósito. O movimento do eletrólito e das cor- rentes são representados pelas setas E. Um gráfico de transferência de massa indica a ve- locidade de fluxo relativa e a concentração de níquel tanto fora como dentro da espuma F.

O eletrólito empobrecido dentro da espuma pode ser enriquecido por meio de uma convecção forçada, por exemplo, ao forçar o fluxo eletrolítico fluxo através da espuma. No entanto, este método pode ser difícil de controlar. O fluxo forçado produzido por meio do bombeamento ou agitação normalmente não é suficientemente uniforme por toda a superfí- cie e também tende a distorcer a forma (a planeza) da área galvanizada. As densidades de espuma, neste caso, irão refletir as velocidades de fluxo local e as distâncias do anodo, tor- nando-se não uniforme sobre a superfície. Na maioria das aplicações de bateria, a densida- de não uniforme de espuma é inaceitável, uma vez que provoca a falha prematura de bate- ria nos pacotes de bateria. Devido às dificuldades da galvanização não uniforme sob condi- ções de convecção forçadas, a espuma metálica é freqüentemente produzida sob convec- ção natural. Isso proporciona taxas de galvanização mais uniformes, como também limita as densidades de corrente e as taxas de galvanização entre 10 e 30 g / m2 / min, dependendo da qualidade exigida.

Os galvanizadores eletrolíticos utilizados comercialmente para a produção de es- puma metálica tipicamente usam uma orientação de espuma vertical ou de modo geral hori- zontal. Os galvanizadores com uma tira vertical de espuma são relativamente simples e mais fáceis de manter, permitindo uma maior produtividade baseada na área de piso. Em um galvanizador típico, a espuma que é laminada se move para cima entre cestos cheios de níquel de galvanização, enquanto a corrente elétrica é suprida para a espuma laminada por meio de contactos adequados acima da solução. A Figura 1 ilustra esquematicamente um aparelho galvanizador vertical contínuo simples 1 para a galvanização de uma tira de espu- ma condutiva contínua 2 incluindo um primeiro anodo orientado verticalmente 3 e um se- gundo anodo orientado verticalmente 4. A tira 2 é alimentada em torno de um rolo de ali- mentação 5 para um tanque de galvanoplastia 6. O tanque 6 é mantido com um banho de galvanoplastia adequado 7. A tira de espuma condutiva 2 é direcionada para o banho 7 no sentido descendente e faz uma volta em torno de um rolo intermediário imerso inferior 8. A tira 2, em seguida, faz um percurso para cima a partir do rolo intermediário 8 para fora do tanque 6 para uma montagem de rolete de tração de catodo metálico 9, ligado a uma fonte de alimentação, por exemplo, por meio de um anel coletor convencional (não mostrado).

A geometria do galvanizador vertical provê uma curta distância entre os contatos e a área galvanizada - um fator importante, considerando que toda a energia para galvaniza- ção tem de ser suprida através da espuma laminada, e que a condutividade da espuma é limitada mesmo a uma densidade de produto total saindo do galvanizador. Infelizmente, a orientação vertical de espuma não provê uma convecção natural eficaz para a espuma, e isso pode levar a uma má distribuição de densidade por toda a espessura de espuma.

Os galvanizadores horizontais são conhecidos, tendo seções curtas não horizontais a fim de trazer a espuma para dentro e para fora do eletrólito e suprir a energia de galvani- zação através dos contatos colocados acima do eletrólito. Esses sistemas são inerentemen- te mais complexos, envolvem cestos de níquel pouco acessíveis debaixo da espuma, e ge- ralmente são mais difíceis de operar e manter. Embora os galvanizadores horizontais prove- nham mais convecção natural efetiva na secção horizontal, a produtividade por unidade de área de planta pode realmente ser menor do que com galvanizadores verticais.

A fim de maximizar a produção, os galvanizadores normalmente são operados à densidade (e produtividade) de corrente mais alta permissível pelas normas de qualidade de uma aplicação em particular. No entanto, as tecnologias de espuma eletrolítica comparti- lham um problema comum, ou seja, a incapacidade de funcionar a uma densidade de cor- rente uniforme que corresponda à capacidade de transporte de massa. O transporte de massa convectiva é razoavelmente uniforme ao longo da espuma que é laminada nos gal- vanizadores vertical ou horizontal, ao passo que a densidade de corrente varia de muito alta, próximo à saída da espuma laminada (mais próxima dos contatos de suprimento de corren- te), a uma densidade de corrente muito baixa, próximo ao início da zona de galvanização, onde a densidade e a condutividade de espuma são baixas. Como conseqüência, a qualida- de da espuma pode ser negativamente afetada pela densidade de corrente excedente na zona superior, enquanto a maior parte do galvanizador funciona muito abaixo do seu poten- cial de produtividade.

Consequentemente, várias tecnologias de espuma eletrolítica envolvem o mesmo compromisso entre produtividade e qualidade. As espumas com boa distribuição de densi- dade por toda a espessura (razão DTR próxima de 1,0) só podem ser produzidas em taxas de produção bem baixas de forma a não exceder a densidade crítica de corrente no final da zona de galvanização.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

É provido um aparelho para a galvanoplastia de espuma, incluindo um recipiente, um catodo e um anodo, no qual o anodo e o catodo se localizam dentro do recipiente, o a- nodo incluindo pelo menos um metal para a galvanização do catodo, o catodo incluindo uma espuma polimérica incluindo um material eletricamente condutivo, cujo catodo é orientado em um ângulo de cerca de 1 grau a cerca de 45 graus com relação à orientação vertical. O catodo pode ser uma tira de espuma contínua que é alimentada para o recipiente, passando pelo anodo e para fora do recipiente por meio de uma ou mais guias. Na presença de uma solução contendo um eletrólito, o ângulo do catodo provoca uma corrente de convecção diagonal da solução através da espuma, aumentando, assim, o transporte de massa do ele- trólito para o interior da espuma. Em uma modalidade, o anodo se encontra em uma orien- tação substancialmente vertical dentro do recipiente. Em outra modalidade, o anodo é incli- nado. Em uma modalidade, há um primeiro e um segundo anodos e a espuma é posiciona- da entre o primeiro e o segundo anodos. Em uma modalidade, os anodos e o catodo têm respectivas terminações às quais uma corrente elétrica é aplicada, e a distância entre o ca- todo e pelo menos um dos anodos é maior nas terminações nas quais a corrente elétrica é aplicada do que nas terminações opostas às quais nenhuma corrente é aplicada. Em uma modalidade, o anodo e o catodo têm respectivas terminações às quais uma corrente elétrica é aplicada, e uma máscara de limitação de corrente não condutiva porosa é posicionada entre o anodo e o catodo de modo a reduzir a densidade de corrente entre o anodo e o ca- todo.

É provido um método de galvanoplastia de espuma, incluindo a provisão de um re- cipiente, um anodo, um catodo de espuma polimérica que inclui um material condutivo elé- tricô, e uma solução contendo um eletrólito, cujo catodo se localiza dentro do recipiente de tal modo que, após a aplicação de uma corrente elétrica ao anodo e ao catodo, a orientação do catodo provoca uma rota de convecção diagonal do eletrólito através da espuma, e a aplicação de uma corrente elétrica ao anodo e ao catodo a fim de galvanizar a espuma. Em uma modalidade, o anodo é orientado em um sentido substancialmente vertical e o catodo é orientado em um ângulo de cerca de 1 grau a cerca de 45 graus com relação à orientação vertical. Em um outro aspecto, o método pode incluir ainda o controle da densidade de cor- rente entre um ou mais anodos e o catodo a fim de redistribuir a densidade de corrente do topo da zona de galvanização para as áreas abaixo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma ilustração esquemática de um aparelho galvanizador de espuma vertical contínuo de acordo com a técnica anterior.

A Figura 2 é uma ilustração esquemática do fluxo de eletrólito em e em torno de uma tira de espuma orientada verticalmente de acordo com a técnica anterior. Um gráfico de transferência de massa indica a velocidade de fluxo relativa e a concentração de níquel den- tro e fora da espuma.

A Figura 3 é uma ilustração esquemática do fluxo de eletrólito em e em torno de uma tira de espuma inclinada. Um gráfico de transferência de massa indica a velocidade de fluxo relativa e a concentração de níquel dentro e fora da espuma.

A Figura 4 é uma ilustração esquemática de um aparelho galvanizador de espuma vertical contínuo incorporando um anodo orientado verticalmente, uma porção de tira de catodo de espuma inclinada e um anodo inclinado.

A Figura 5 é uma ilustração esquemática de um aparelho galvanizador de espuma vertical contínuo incorporando um anodo verticalmente orientado, uma porção de tira de catodo de espuma inclinada, e um anodo cônico com uma seção transversal longitudinal triangular.

A Figura 6 é uma ilustração esquemática de um aparelho galvanizador de espuma vertical contínuo incorporando uma porção de tira de catodo de espuma inclinada interposta entre dois anodos orientados verticalmente, e ainda interposta entre duas máscaras de re- dução de corrente.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

A otimização da convecção natural através dos interstícios de uma matriz de espu- ma resulta em um processo de galvanoplastia mais eficaz e em uma espuma metálica com uma deposição de metais mais uniforme por toda a sua estrutura. Consequentemente, as técnicas aqui apresentadas vantajosamente permitem o aumento da resistência do material acabado, bem como uma superfície mais uniforme e uma estrutura interior, o aumento da resistência à tração, da estabilidade dimensional, da resistência ao desgaste, e da resistên- cia à corrosão.

A convecção natural da solução eletrolítica através dos interstícios de uma matriz de espuma é otimizada durante a galvanoplastia por meio da inclinação do catodo de espu- ma em um galvanizador. A Figura 3 ilustra esquematicamente um fluxo laminar eletrolítico através de um catodo de espuma inclinado F'. O movimento e as correntes eletrolíticas são ilustrados como as setas E'. Uma vez que a solução eletrolítica contata o catodo F', como se pode observar a partir do gráfico de transferência de massa, o eletrólito é empobrecido na área mais próxima da espuma F', resultando em uma zona de menor densidade. O eletrólito empobrecido, de menor densidade estabelece um fluxo diagonal ascendente por toda a es- puma F' e, em seguida, para cima, ao longo da superfície de espuma superior, enquanto um novo eletrólito concentrado é introduzido a partir de baixo da espuma. Em contrapartida à espuma orientada verticalmente F, na qual o eletrólito empobrecido permanece no interior da espuma e apresenta um fluxo laminar lento ascendente no interior da tira de espuma (vi- de, por exemplo, a Figura 2), o eletrólito empobrecido apresenta um tempo de residência menor na espuma F', uma vez que a mesma sai mais facilmente do lado oposto da espuma, criando, assim, uma zona de fluxo laminar de eletrólito empobrecido DE acima da superfície superior da espuma F'. Desta maneira, o eletrólito é enriquecido no interior da espuma de uma forma mais eficiente. Além disso, o transporte rápido do eletrólito através da espuma F' minimiza a espessura da camada de difusão. Por conseguinte, as técnicas aqui apresenta- das provêm melhores condições de galvanização no interior da espuma F', uma qualidade aperfeiçoada do produto e uma galvanização mais rápida. Uma vez que não se faz necessá- ria nenhuma agitação mecânica para alcançar estes efeitos, é provida uma taxa de deposi- ção mais uniforme.

O ângulo necessário para induzir um fluxo líquido por toda a espessura da espuma pode variar entre cerca de 1 a cerca de 45 graus, por exemplo, de cerca de 2 a cerca de 30 graus e, de preferência, de cerca de 10 a cerca de 20 graus. O ângulo fica vantajosamente mais próximo da orientação vertical, uma vez que a solução eletrolítica empobrecida, de menor densidade forma um fluxo mais laminar ascendente, criando um melhor diferencial de pressão e taxa de fluxo por toda a espuma do que um ângulo mais horizontal, o que resulta em fluxo mais turbulento do eletrólito empobrecido. Um fluxo turbulento resulta em uma mis- tura e dissipação mais rápidas do eletrólito de baixa densidade que emerge de uma espuma posicionada em uma orientação mais horizontal (por exemplo, mais que cerca de 45 graus) e, na prática, resulta em uma força de transmissão menor para o fluxo por toda a espuma, em comparação a um eletrodo posicionado mais próximo de uma orientação vertical. Outras vantagens da presente invenção são que a simplicidade e a funcionalidade de um galvani- zador vertical são mantidas em comparação a um galvanizador horizontal, e a produtividade por unidade de área de fábrica é maior do que em um aparelho de galvanização vertical ou horizontal.

Em um outro aspecto, um sistema de galvanização de espuma inclinada opcional- mente incorpora técnicas para a redistribuição da densidade de corrente a partir do topo da zona de galvanização para áreas abaixo. Dessa maneira, as densidades locais de corrente em excesso são evitadas e um produto mais uniforme é obtido. As espumas laminadas a altas densidades de corrente tendem a apresentar um perfil de espessura não uniforme, por exemplo, uma alta razão DTR. Em um típico galvanizador de espuma vertical, por exemplo, vide Figura 1, a energia para as partes mais profundas da espuma é suprida através da es- puma parcialmente laminada, cuja densidade e condutividade diminuem de cima para baixo.

Sendo assim, o suprimento de energia às zonas mais profundas do galvanizador é restríngi- do pela fraca condutividade da espuma. Por conseguinte, as zonas profundas operam a bai- xas densidades de corrente e pouco contribuem para a taxa global de produção. A zona de galvanização de topo, em termos práticos, recebe a maior densidade de corrente e galvani- za à taxa mais elevada. A densidade de corrente global é, portanto, limitada pelo fato de que a zona de topo atinge uma taxa máxima de galvanização segura antes das zonas mais bai- xas, desta maneira impedindo outros aumentos de produtividade, mesmo que as zonas mais baixas sejam capazes de manipular maiores densidades de corrente.

Em uma modalidade, o hiato eletrolítico é maior no topo do galvanizador do que no fundo. Isto produz uma queda de tensão eletrolítica (IR) maior na zona superior de modo a reduzir a densidade de corrente ali e, ao mesmo tempo, aumentar a densidade de corrente na zona inferior com um hiato eletrolítico menor e uma menor queda de tensão IR. O hiato eletrolítico é aumentado ao se aumentar a distância entre o catodo e o anodo próximo ou no topo do galvanizador com relação ao fundo. O hiato eletrolítico cônico pode ser obtido atra- vés do suporte de um ou mais anodos em uma posição inclinada com relação ao catodo ou ao tornar um ou mais anodos mais largo em uma terminação do que na outra. A Figura 4 provê um exemplo esquemático de um aparelho galvanizador contínuo 10 para a galvaniza- ção de uma tira de espuma contínua 12 incorporando uma porção de catodo de espuma inclinada 14, um anodo verticalmente orientado 16, e um outro anodo mais inclinado 18. O anodo inclinado é suportado no lugar por meio de um outro elemento de suporte 19 (não mostrado). A porção de catodo de espuma inclinada 14 é inclinada em um ângulo intermedi- ário, dividindo o hiato entre o anodo vertical 16 e o anodo inclinado anodo 18. Os versados na técnica poderão determinar ótimos ângulos de inclinação que podem ser dependentes, por exemplo, do custo da energia, uma vez que a redistribuição de densidade de corrente envolve um aumento na tensão. Uma redistribuição de corrente significativa pode ser obtida por meio de um hiato de anodo a anodo variando, por exemplo, de cerca de 5 cm no fundo da zona de galvanização a entre cerca de 8 a 10 cm no topo. Isso resulta em um ângulo de espuma dentre cerca de 1 a 2 graus quando o anodo vertical 16 se encontra de fato vertical. Ângulos maiores ou menores comparativos da espuma com relação ao anodo podem ser obtidos ao se orientar o anodo vertical 16 em uma configuração não vertical. Embora um hiato variável possa ser utilizado de modo a resultar em uma redistribuição vantajosa da corrente, contempla-se ainda que, em certas modalidades, o anodo é orientado substanci- almente paralelo à espuma de modo a criar um hiato uniforme entre o anodo e a espuma. Na verdade, os anodos dispostos nos dois lados da espuma poderão ficar substancialmente paralelos entre si e a espuma, criando, assim, um hiato uniforme entre os anodos e a espu- ma. Conforme utilizado aqui, o termo "substancialmente" quer dizer tanto "precisamente" como "quase". Em uma outra modalidade, ilustrada esquematicamente na Figura 5, um apa- relho galvanizador contínuo 100 para a galvanização de uma tira de espuma 102 incorpo- rando uma porção de catodo de espuma inclinada 104, um anodo verticalmente orientado 106 e um anodo cônico 108. A orientação do anodo cônico 108 cria um hiato maior no topo da zona de galvanização. Alternativamente, os dois anodos podem ser cônicos.

Em outra modalidade para o aumento da resistência eletrolítica no topo do galvani- zador quando a corrente é suprida, uma máscara de redução de corrente é posicionada en- tre um catodo de espuma e o anodo no topo da zona de galvanização de um galvanizador. A máscara é de preferência uma folha porosa não condutiva que permite que o eletrólito passe, mas diminui a taxa de galvanização. A Figura 6 ilustra esquematicamente um exem- pio de um aparelho galvanizador contínuo 200 para a galvanização de uma tira de espuma contínua 202, incorporando uma porção de catodo de espuma inclinada 204, um primeiro anodo verticalmente orientado 206, um segundo anodo verticalmente orientado 208, uma primeira máscara de redução de corrente 210, e, opcionalmente, uma segunda máscara de redução de corrente 212. A máscara de redução de corrente pode ser feita de qualquer ma- terial apropriado, por exemplo, um material natural, como a fibra de celulose ou a fibra de amianto, ou de um material polimérico sintético, como uma poliolefina, um poliéster, um poli- tetrafluor-etileno, um poliestireno, um policloreto de vinila, uma poliamida e similares. A máscara pode ser em forma de malha, de folha perfurada, de pano tecido ou não tecido. As técnicas para a formação de tais materiais naturais e polímeros sintéticos em malha ou fi- bras de panos tecidos ou não tecidos são bem conhecidas. A corrente elétrica forçada atra- vés da secção transversal limitada da máscara irá produzir uma queda maior da tensão IR na zona superior e forçará mais corrente para a zona inferior. Em uma modalidade preferida, a máscara de redução de corrente se estende por menos que cerca de 75 % do comprimen- to do anodo.

As espumas de células abertas adequadas para uso na presente invenção são bem conhecidas. As que podem ser empregadas incluem quaisquer espumas naturais ou polimé- ricas sintéticas, como, por exemplo, as espumas de celulose, de celulose de hidroxipropila, de poliuretano, incluindo a espuma de poliéter poliuretano ou a espuma de poliéster poliure- tano; de poliéster, de polímeros de olefina, tais como a de polipropíleno ou de polietileno; de polímeros de vinila ou de estireno, de polifenol, de policloreto de vinila ou de poliamida. Es- tes substratos de espuma podem ter um número médio de poros por polegada dentro uma ampla faixa, tipicamente dentro de uma faixa de cerca de 5 a cerca de 100 poros por pole- gada (ppi). Nas modalidades preferidas, a espuma natural ou sintética pode ser vaporizada após a deposição do metal desejado, de modo que apenas o metal seja abandonado no final da produção. A fim de galvanizar a espuma, a mesma deve se tornar pelo menos em parte eletricamente condutiva. A espuma pode se tornar condutiva por meio de qualquer técnica conhecida aos versados na técnica, por exemplo, por meio do revestimento com um grafite de látex; da deposição autocatalítica com um metal, tal como cobre ou níquel; do re- vestimento com uma tinta eletricamente condutiva ou com um pó de carbono contendo tinta, ou com um pó de metal, tal como o pó de prata ou o pó de cobre; e por meio da deposição a vácuo de um metal. Deve-se entender que os materiais não espuma podem também ser empregados como materiais de substrato. Os filamentos, incluindo as fibras e os fios, po- dem também servir como um substrato para a deposição de um metal eletrocondutivo. O material de partida de espuma pode ser feito, contudo, de materiais orgânicos dotados de condutividade elétrica ou consistir de fibras de metal. Neste último caso mencionado, a apli- cação de uma camada de superfície eletricamente condutiva não é necessária e pode ser dispensada. Para fins de conveniência, todos os materiais acima descritos neste parágrafo serão referidos como "espuma".

Em geral, e à guisa de exemplo, um aparelho de galvanização para uso de acordo com a presente invenção pode incluir um tanque de galvanização provido com um meio de suprimento e remoção de banho eletrolítico, guias para orientar a espuma contínua pré- galvanizada tanque abaixo e em seguida em um sentido ascendente entre os anodos, por exemplo, cestas, na direção dos contatos elétricos; um dispositivo para transportar a espu- ma localizada acima do banho; um dispositivo para o suprimento de corrente elétrico para os anodos e contatos de espuma; em que o movimento da espuma pelo anodo (ou entre 2 ou mais anodos) é inclinado da posição vertical de modo a permitir que o eletrólito de densida- de menor, empobrecido, dentro da espuma se eleve e estabeleça um fluxo direcionado no sentido diagonal de convecção natural de eletrólito através da espuma. Em uma modalidade preferida, os anodos são posicionados em torno da tira de espuma de modo a substancial- mente igualar a distribuição de densidade de corrente conforme acima descrito, por exem- pio, o hiato eletrolítico (de espuma a anodo) aumenta da zona de fundo para a zona de topo ou através da utilização de uma máscara de redução de densidade de corrente. Em uma outra modalidade preferida, os anodos são posicionados de tal modo que o hiato entre o anodo que faceia a face superior da espuma é menor que o hiato com relação ao anodo que faceia o lado inferior da espuma. Isto aumenta a densidade de corrente na face superior da espuma quando o eletrólito é mais empobrecido e a eficácia da corrente é reduzida.

Com referência ao exemplo mostrado na Figura 4, a tira de espuma condutiva 12 é alimentada em torno de um rolo de alimentação 20 para um tanque de galvanoplastia 22. O tanque 22 é mantido a um nível 24 com um banho de galvanoplastia padrão 26. O banho de galvanoplastia 26 pode ser qualquer um dentre os vários banhos de galvanoplastia conven- cionais que fazem a galvanoplastia de uma variedade de metais. Estes metais incluem, a título de exemplo, o níquel, o cromo, o zinco, o cobre, o estanho, o chumbo, o ferro, o ouro, a prata, a platina, o paládio, o ródio, o alumínio, o cádmio, o cobalto, o índio, o mercúrio, o vanádio, o tálio, ou o gálio. Ligas podem ser galvanizadas de acordo com a presente inven- ção, tais como as de latão, de bronze, as ligas de níquel e cobalto, as ligas de cobre e zinco ou outras. Alguns metais não são suscetíveis à eletrodeposição a partir de um meio aquoso e requerem banhos de galvanização especiais. Por exemplo, o alumínio e o germânio são mais comumente eletrodepositados a partir de um banho orgânico ou de um meio de sal fundido. Todos estes banhos de eletrodeposição conhecidos são convencionais na técnica e podem ser usados na presente invenção.

A tira de espuma condutiva 12 é direcionada para o banho 26 no sentido descen- dente e faz uma volta em torno de um rolo intermediário imerso inferior 28. O rolo intermedi- ário 28 pode ser feito de qualquer material inerte a um banho de galvanoplastia, por exem- pio, de plástico. Os materiais plásticos adequados incluem o náilon, o policloreto de vinila, o polietileno e o polipropileno. A tira 12 em seguida faz uma trajetória no sentido ascendente a partir do rolo intermediário 28 para a montagem de rolete de tração de catodo metálico 30, eletricamente conectada a uma fonte de alimentação, por exemplo, por meio de um anel coletor convencional (não mostrado). Os anodos 16, 18 podem ser consumíveis ou não con- sumíveis. A porção de espuma de catodo 14 da tira 12 passa entre os anodos no ângulo descrito acima de modo a prover uma convecção diagonal através da porção de espuma de catodo 14. Desta maneira, a porção de espuma de catodo 14 da tira 12 é galvanizada nos dois lados e sai do recipiente 22 como a espuma laminada 15. Deve-se entender que, nas modalidades alternativas, apenas um anodo pode estar presente, o que tende a limitar a galvanização em um lado da tira 12. Em outras modalidades alternativas, os anodos são mantidos a distâncias uniformes do anodo, por exemplo, mais próximo de um lado da espu- ma que o outro, de modo a fazer com que uma cobertura galvanizada mais espessa no lado da espuma fique mais próxima do anodo. Desta forma, podem ser produzidas tiras de es- puma que facilmente se resfriam na direção do lado menos galvanizado.

Com referência ao exemplo mostrado na Figura 5, a tira de espuma condutiva 102 é alimentada em torno de um rolo de alimentação 110 para um tanque de galvanoplastia 112. O tanque 112 é mantido a um nível 114 com um banho de galvanoplastia padrão 116.

O anodo vertical 106 é um elemento essencialmente retangular, podendo ser uma cesta de titânio ou outro metal de válvula de modo que o mesmo se torne resistente à corrosão no banho de galvanoplastia. Exemplos de outros metais de válvula são o tântalo, o zircônio, o nióbio, o tungstênio, e suas ligas, cujas ligas consistem predominantemente de pelo menos um dos metais de válvula. O tamanho da cesta de anodo 106 é otimizado para uma dada aplicação. A largura da porção de cesta que faceia a porção de espuma de catodo inclinada 104 é de preferência aproximadamente igual à largura da tira 102 de espuma que é galvani- zada. A profundidade da cesta pode ser feita com relação à densidade de corrente deseja- da. O anodo cônico 108 tem uma seção transversal longitudinal triangular, podendo ser também uma cesta resistente à corrosão. O hiato entre a porção de espuma de catodo 104 e cada uma das cestas de anodo 106 e 108 aumenta na direção do topo do galvanizador.

A tira 102 de espuma condutiva é direcionada para o banho 116 no sentido des- cendente e faz uma volta em torno de um rolo intermediário imerso inferior 111. A porção de catodo de espuma da tira 104 em seguida faz uma trajetória no sentido ascendente do rolo intermediário 111 para uma montagem de rolete de tração de catodo metálico 118, eletrica- mente conectada a uma fonte de alimentação, por exemplo, por meio de um anel coletor convencional (hão mostrado). Como acima, os anodos 106 e 108 podem ser consumíveis ou não consumíveis. A porção de espuma de catodo 104 da tira 102 passa entre os anodos no ângulo descrito acima de modo a prover uma convecção diagonal através da porção 104. Com referência ao exemplo mostrado na Figura 6, a tira 202 de espuma condutiva é alimentada em torno de um rolo de alimentação 214 para um tanque de galvanoplastia 216. O tanque 216 é mantido em um nível 218 com o banho de galvanoplastia padrão 220. Como acima, o banho de galvanoplastia 220 pode ser qualquer um dentre diversos banhos de galvanoplastia convencionais capazes de galvanizar uma variedade de metais. As más- caras de redução de corrente 210 e 212 são mostradas interpostas, respectivamente, entre os anodos 208 e 206. A tira 202 de espuma condutiva é direcionada para o banho 220 no sentido descendente e faz uma volta em torno de um rolo intermediário imerso inferior 222. A porção de catodo de espuma da tira 204 em seguida faz uma trajetória no sentido ascen- dente do rolo intermediário 222 para uma montagem de rolete de tração de catodo metálico 224, eletricamente conectada a uma fonte de alimentação, por exemplo, por meio de um anel coletor convencional (não mostrado). Como acima, os anodos 206 e 208 podem ser consumíveis ou não consumíveis. A porção de espuma de catodo 204 da tira passa entre os anodos em um ângulo descrito acima de modo a prover uma convecção diagonal através da porção de espuma de catodo 204.

Quando um artigo de metal poroso preferido é produzido, envolvendo a galvano- plastia de uma espuma de célula aberta, a galvanização é, com freqüência, uma galvaniza- ção de níquel e a folha de níquel porosa resultante pode, de modo geral, ter um peso dentro da faixa de, por exemplo, cerca de 300 gramas por metro quadrado a cerca de 5.000 gra- mas por metro quadrado, de uma face principal do artigo. Mais tipicamente, esta terá um peso de folha dentro da faixa de cerca de 400 a cerca de 2.000 gramas por metro quadrado. Para um material poroso muito aberto, o peso da galvanização de níquel será, de modo ge- ral, por exemplo, dentre cerca de 1.000 e cerca de 2.000 gramas por metro quadrado do artigo. Em certas modalidades, as cestas de anodo, para uso com o banho acima descrito, poderão ser enchidas com raspas de níquel consumíveis (não mostradas).

Quando desejado, o método pode também ser suplementado por uma etapa de tra- tamento térmico, após a deposição de metal, cuja finalidade é remover o material de subs- trato de espuma polimérica internamente presente, por exemplo, por meio de pirólise. Por exemplo, após o término da galvanização, o artigo metalizado resultante pode ser lavado, secado, ou pode ser tratado termicamente, por exemplo, para decompor uma substância de núcleo polimérico. Em alguns casos, o artigo pode ser recozido, como, por exemplo, em uma atmosfera de redução ou inerte. Tais tratamentos são bem conhecidos na técnica. Vi- de, por exemplo, a Patente U.S. N. 4 978 431, cujos conteúdos como um todo são incorpo- rados ao presente documento a título de referência. Quando um metal é galvanizado, a de- composição térmica pode ser feita a uma temperatura na faixa de, por exemplo, cerca de 500° C a cerca de 800° C por cerca de 3 horas, dependendo da espuma plástica (polímero) utilizada. O recozimento pode ser feito por meio de quaisquer métodos conhecidos. Por e- xemplo, no caso do níquel, o recozimento pode ser feito, por exemplo, em uma atmosfera de hidrogênio a uma temperatura na faixa de cerca de 800° C a cerca de 1200° C por até cerca de 30 minutos. As condições de tratamento térmico podem também ser escolhidas de tal forma que a sinterização do metal depositado venha a ocorrer, e de modo que a estrutura fique ainda mais reforçada em termos mecânicos.

De acordo com as provisões de costume, são ilustradas e descritas no presente documento as modalidades específicas da presente invenção. Várias modificações podem ser feitas aos exemplos e modalidades aqui apresentadas sem se afastar do âmbito de apli- cação e espírito da presente invenção, que é definida pelas reivindicações em apenso. Por exemplo, inúmeras zonas de galvanização podem ser incorporadas por meio da adição de mais anodos, os quais são passados por meio de uma tira de catodo de espuma inclinada. Os versados na técnica entenderão que mudanças podem ser feitas na forma da presente invenção conforme abrangida pelas reivindicações e que certos aspectos da presente in- venção podem, às vezes, serem usados para proveito sem o uso correspondente de outros aspectos.

Claims (33)

1. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, compreendendo um recipiente, um anodo e um catodo, o aparelho sendo CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo e o ca- todo se localizam dentro do recipiente, o anodo incluindo pelo menos um metal para a gal- vanização do catodo, o catodo incluindo uma espuma polimérica incluindo um material ele- tricamente condutivo, em que o catodo é orientado em um ângulo de cerca de 1 grau a cer- ca de 45 graus com relação à orientação vertical.

2. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o catodo é uma tira de espuma contínua que é alimen- tada para o recipiente, passando pelo anodo e para fora do recipiente por meio de uma ou mais guias.

3. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda um segundo anodo e pelo fato de que a espuma é posicionada entre o primeiro e o segundo anodos.

4. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo e o catodo são substancialmente paralelos.

5. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo é orientado em um sentido substancialmente vertical dentro do recipiente.

6. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo e o catodo possuem respectivas terminações nas quais uma corrente elétrica é aplicada, e a distância entre o catodo e o anodo é maior nas terminações nas quais a corrente elétrica é aplicada do que nas terminações opostas nas quais a corrente não é aplicada.

7. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que os anodos e o catodo possuem respectivas termina- ções nas quais uma corrente elétrica é aplicada, e a distância entre o catodo e pelo menos um dos anodos é maior nas terminações nas quais a corrente elétrica é aplicada do que nas terminações opostas nas quais a corrente não é aplicada.

8. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda uma solução eletrolítica.

9. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a solução eletrolítica contém níquel.

10. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo é uma cesta contendo níquel.

11. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo tem um perfil triangular.

12. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo anodo é inclinado de modo a criar uma dis- tância maior.

13. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro anodo é colocado mais próximo do catodo que o segundo anodo de modo a aumentar a densidade de corrente em uma face superior da espuma com relação a uma face inferior da espuma.

14. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo anodo é colocado mais próximo do catodo que o primeiro anodo de modo a aumentar a densidade de corrente em uma face inferior da espuma com relação a uma face superior da espuma.

15. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo e o catodo têm respectivas terminações nas quais uma corrente elétrica é aplicada, e uma barreira porosa, não condutiva é posicionada entre o anodo e o catodo de modo a reduzir a densidade de corrente entre o anodo e o ca- todo.

16. Aparelho para a galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que a barreira se estende por menos que cerca de 75 % do comprimento do anodo.

17. Método de galvanoplastia de espuma, CARACTERIZADO pelo fato de que compreender um recipiente, um anodo, um catodo de espuma polimérica incluindo um mate- rial eletricamente condutivo, e uma solução contendo um eletrólito, em que o catodo se loca- liza dentro do recipiente de tal modo que, após a aplicação de uma corrente elétrica ao ano- do e ao catodo, a orientação do catodo provoca uma rota de convecção diagonal do eletróli- to através da espuma, e a aplicação de uma corrente elétrica ao anodo e ao catodo a fim de galvanizar a espuma.

18. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo é orientado em um sentido substancialmente vertical e o catodo é orientado em um ângulo de cerca de 1 grau a cerca de 45 graus com relação à orientação vertical.

19. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo e o catodo são substancialmente paralelos.

20. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o catodo é uma tira de espuma contínua que é alimen- tada para o recipiente, passando pelo anodo e para fora do recipiente por meio de uma ou mais guias.

21. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda um segundo anodo, em que a espuma é posicionada entre o primeiro e o segundo anodos.

22. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo e o catodo possuem respectivas terminações nas quais uma corrente elétrica é aplicada, e a distância entre o catodo e o anodo é maior nas terminações nas quais a corrente elétrica é aplicada do que nas terminações opostas nas quais a corrente não é aplicada.

23. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que os anodos e o catodo possuem respectivas termina- ções nas quais uma corrente elétrica é aplicada, e a distância entre o catodo e pelo menos um dos anodos é maior nas terminações nas quais a corrente elétrica é aplicada do que nas terminações opostas nas quais a corrente não é aplicada.

24. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que a solução eletrolítica contém níquel.

25. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo é uma cesta contendo níquel.

26. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo tem um perfil triangular.

27. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 23, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo anodo é inclinado de modo a criar uma dis- tância maior.

28. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro anodo é colocado mais próximo do catodo que o segundo anodo de modo a aumentar a densidade de corrente em uma face superior da espuma com relação a uma face inferior da espuma.

29. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 28, CARACTERIZADO pelo fato de que a densidade de corrente maior na face superior da es- puma provoca uma quantidade maior de deposição metálica nas proximidades da face su- perior em comparação à face inferior.

30. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo anodo é colocado mais próximo do catodo que o primeiro anodo de modo a aumentar a densidade de corrente em uma face inferior da espuma com relação a uma face superior da espuma.

31. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 30, CARACTERIZADO pelo fato de que a densidade de corrente maior na face inferior da es- puma provoca uma quantidade maior de deposição metálica nas proximidades da face infe- rior em comparação à face superior.

32. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o anodo e o catodo têm respectivas terminações nas quais uma corrente elétrica é aplicada, e uma barreira porosa, não condutiva é posicionada entre o anodo e o catodo de modo a reduzir a densidade de corrente entre o anodo e o ca- todo.

33. Método de galvanoplastia de espuma, de acordo com a reivindicação 32, CARACTERIZADO pelo fato de que a barreira se estende por menos que cerca de 75 % do comprimento do anodo.