ES2704672T3 - Electrolytic generation of manganese (III) ions in strong sulfuric acid - Google Patents
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Abstract
Célula electrolítica que comprende: una solución electrolítica que comprende iones de manganeso (III) en una solución de ácido; un cátodo en contacto con la solución electrolítica; y un ánodo en contacto con la solución electrolítica, en la que el ánodo comprende un material seleccionado del grupo que consiste en carbono vítreo, carbono vítreo reticulado, fibras de carbono tejidas y combinaciones de uno o más de los anteriores.Electrolytic cell comprising: an electrolytic solution comprising manganese (III) ions in an acid solution; a cathode in contact with the electrolyte solution; and an anode in contact with the electrolyte solution, wherein the anode comprises a material selected from the group consisting of vitreous carbon, crosslinked vitreous carbon, woven carbon fibers and combinations of one or more of the foregoing.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Generación electrolítica de iones de manganeso (III) en ácido sulfúrico fuerteElectrolytic generation of manganese (III) ions in strong sulfuric acid
Referencia cruzada a aplicaciones relacionadasCross reference to related applications
Esta solicitud es una continuación en parte de la solicitud con número de serie 13/356,004, presentada el 23 de enero de 2012, actualmente en trámite.This application is a continuation in part of the application with serial number 13 / 356,004, filed on January 23, 2012, currently in process.
Campo de la invenciónField of the invention
La presente invención se refiere en general a un proceso para generar electrolíticamente iones de manganeso (III) en ácido sulfúrico fuerte usando un ánodo mejorado.The present invention relates generally to a process for electrolytically generating manganese (III) ions in strong sulfuric acid using an improved anode.
Antecedentes de la invenciónBACKGROUND OF THE INVENTION
Es muy conocido en la técnica el recubrimiento de sustratos no conductores (es decir, plásticos) con metal para una variedad de propósitos. Los moldeados de plástico se pueden producir de forma relativamente económica y los plásticos metalizados se usan para muchas aplicaciones. Por ejemplo, los plásticos metalizados se usan para la decoración y para la fabricación de dispositivos electrónicos. Un ejemplo de un uso decorativo incluye partes de automóviles, tales como el embellecedor. Ejemplos de usos electrónicos incluyen circuitos impresos, en los que el metalizado en un patrón selectivo comprende los conductores de una placa de circuito impreso, y los plásticos metalizados utilizados para blindaje EMI. Las resinas ABS son los plásticos más comúnmente metalizados con fines decorativos, mientras que las resinas fenólicas y epoxi son los plásticos más comúnmente metalizados para la fabricación de placas de circuitos impresos.It is well known in the art to coat non-conductive substrates (ie plastics) with metal for a variety of purposes. Plastic moldings can be produced relatively cheaply and metallized plastics are used for many applications. For example, metallized plastics are used for decoration and for the manufacture of electronic devices. An example of a decorative use includes auto parts, such as the trim. Examples of electronic uses include printed circuit boards, wherein the metallization in a selective pattern comprises the conductors of a printed circuit board, and the metallized plastics used for EMI shielding. ABS resins are the most commonly metallized plastics for decorative purposes, while phenolic and epoxy resins are the most commonly metallized plastics for the fabrication of printed circuit boards.
El metalizado de superficies de plástico se utiliza en la producción de una variedad de artículos de consumo. Las molduras de plástico se pueden producir de forma relativamente económica y el plástico metalizado se usa para muchas aplicaciones, incluyendo molduras de automóviles. Hay muchas etapas involucradas en el metalizado de los plásticos. La primera etapa consiste en el grabado del plástico para proporcionar la adhesión mecánica de los recubrimientos metálicos posteriores y para proporcionar una superficie adecuada para la adsorción del catalizador de paladio que generalmente se aplica para catalizar la deposición de la capa metálica inicial de un procedimiento autocatalítico metalizado con cobre o níquel. A continuación, se pueden aplicar depósitos de cobre, níquel y/o cromo.The metallization of plastic surfaces is used in the production of a variety of consumer goods. Plastic moldings can be produced relatively cheaply and metallized plastic is used for many applications, including automotive moldings. There are many stages involved in the plating of plastics. The first stage consists of etching the plastic to provide the mechanical adhesion of the subsequent metallic coatings and to provide a suitable surface for the palladium catalyst adsorption which is generally applied to catalyze the deposition of the initial metallic layer of a metallized autocatalytic process with copper or nickel. Next, deposits of copper, nickel and / or chromium can be applied.
El grabado inicial de los componentes de plástico es una parte esencial del procedimiento global. Sin embargo, solo ciertos tipos de componentes de plástico son adecuados para el metalizado. Los tipos más comunes de plástico para electrometalizado son el acrilonitrilo/butadieno/estireno (ABS) o una mezcla de ABS con policarbonato (ABS/PC). El ABS consta de dos fases. La primera es una fase relativamente dura que consiste en un copolímero de acrilonitrilo/estireno y la segunda fase es una fase de polibutadieno más blanda.The initial engraving of the plastic components is an essential part of the overall procedure. However, only certain types of plastic components are suitable for metallization. The most common types of plastic for electrometallisation are acrylonitrile / butadiene / styrene (ABS) or a mixture of ABS with polycarbonate (ABS / PC). ABS consists of two phases. The first is a relatively hard phase consisting of an acrylonitrile / styrene copolymer and the second phase is a softer polybutadiene phase.
En la actualidad, el grabado de este material se lleva a cabo usando casi exclusivamente una mezcla de ácidos crómico y sulfúrico, que es altamente eficaz como agente de grabado para ABS y ABS/PC. La fase de polibutadieno del plástico contiene dobles enlaces en la cadena principal del polímero, que se oxida con el ácido crómico, causando así una completa descomposición y disolución de la fase de polibutadieno expuesta en la superficie del plástico que da un grabado eficaz a la superficie del plástico.At present, the etching of this material is carried out using almost exclusively a mixture of chromic and sulfuric acids, which is highly effective as an etchant for ABS and ABS / PC. The polybutadiene phase of the plastic contains double bonds in the polymer's main chain, which is oxidized with chromic acid, thus causing a complete decomposition and dissolution of the polybutadiene phase exposed on the surface of the plastic that gives an effective etching to the surface of plastic.
Un problema con la etapa de grabado con ácido crómico tradicional es que el ácido crómico es un carcinógeno reconocido y está cada vez más regulado, insistiendo la normativa en que, siempre que sea posible, el uso de ácido crómico se sustituya por alternativas más seguras. El uso de un agente de grabado de ácido crómico también presenta inconvenientes conocidos y graves, tales como la toxicidad de los compuestos de cromo, que dificultan su eliminación, al quedar residuos de ácido crómico en la superficie del polímero que inhiben la deposición química, así como la dificultad de enjuagar los residuos de ácido crómico de la superficie del polímero después del tratamiento. Además, las soluciones de ácido sulfúrico de cromo hexavalente caliente son por naturaleza peligrosas para los trabajadores. Las quemaduras y hemorragias de las vías respiratorias superiores son comunes en los trabajadores que manejan de manera rutinaria estas soluciones de grabado de cromo. Por lo tanto, es muy deseable que se desarrollen alternativas más seguras a las soluciones de grabado de cromo ácidas.A problem with the stage of engraving with traditional chromic acid is that chromic acid is a recognized carcinogen and is increasingly regulated, insisting regulations that, whenever possible, the use of chromic acid is replaced by safer alternatives. The use of a chromic acid etching agent also has known and serious drawbacks, such as the toxicity of chromium compounds, which make it difficult to remove them, as chromic acid residues remain on the surface of the polymer that inhibit chemical deposition, as well as the difficulty of rinsing the chromic acid residues from the surface of the polymer after treatment. In addition, solutions of hot hexavalent chromium sulfuric acid are by nature hazardous to workers. Upper respiratory tract burns and hemorrhages are common among workers who routinely handle these chromium etching solutions. Therefore, it is highly desirable that safer alternatives to acid chrome etching solutions be developed.
Los primeros intentos de sustituir el uso de ácido crómico para el grabado de los plásticos se han centrado generalmente en el uso de iones de permanganato como una alternativa al ácido crómico. El uso de permanganato en combinación con ácido se describe en la patente de Estados Unidos n.° 4.610.895 de Tubergen y col. Más tarde, se sugirió el uso de permanganato en combinación con una etapa de activación con paladio iónico en la publicación de patente de Estados Unidos n.° 2005/019958 de Bengston. El uso de soluciones de permanganato ácido en combinación con iones perhalo (por ejemplo, perclorato o peryodato) se describió en la publicación de patente de Estados Unidos n.° 2009/0092757 de Satou. Finalmente, el uso de iones de permanganato en ausencia de cationes de metales alcalinos o alcalinotérreos se describió en la publicación de patente internacional n.° WO 2009/023628 de Enthone.The first attempts to replace the use of chromic acid for the etching of plastics have generally focused on the use of permanganate ions as an alternative to chromic acid. The use of permanganate in combination with acid is described in U.S. Patent No. 4,610,895 to Tubergen et al. Later, the use of permanganate in combination with an ion palladium activation step was suggested in U.S. Patent Publication No. 2005/019958 to Bengston. The use of acid permanganate solutions in combination with perhalo ions (e.g., perchlorate or periodate) was described in U.S. Patent Publication No. 2009/0092757 to Satou. Finally, the use of permanganate ions in the absence of alkali metal or alkaline earth metal cations was described in International Patent Publication No. WO 2009/023628 of Enthone
También se describen soluciones de permanganato en la patente de Estados Unidos n.° 3.625.758 de Stahl y col. Stahl sugiere la idoneidad de un baño de cromo y ácido sulfúrico o una solución de permanganato para la preparación de la superficie. Además, la patente de Estados Unidos n.° 4.948.630 de Courduvelis y col., describe una solución de permanganato alcalina caliente que también contiene un material, tal como hipoclorito de sodio, que tiene un potencial de oxidación más alto que el potencial de oxidación de la solución de permanganato y es capaz de oxidar iones de manganato a iones de permanganato. La patente de Estados Unidos n.° 5.648.125 de Cane, describe el uso de una solución de permanganato alcalina que comprende permanganato de potasio e hidróxido de sodio, en el que la solución de permanganato se mantiene a una temperatura elevada, es decir, entre aproximadamente 74 °C y 93 °C (165 °F y 200 °F). La patente de Estados Unidos n.° 4.042.729 de Polichette y col., describe una solución de grabado que comprende agua, ion de permanganato e ion de manganato, en la que se controla la relación molar entre el ion de manganato y el ion de permanganato y se mantiene el pH de la solución a 11-13.Permanganate solutions are also disclosed in U.S. Patent No. 3,625,758 to Stahl et al. Stahl suggests the suitability of a bath of chromium and sulfuric acid or a solution of permanganate for the preparation of the surface. In addition, U.S. Patent No. 4,948,630 to Courduvelis et al., Discloses a hot alkaline permanganate solution that also contains a material, such as sodium hypochlorite, which has a higher oxidation potential than the oxidation of the permanganate solution and is able to oxidize ions of manganate to permanganate ions. U.S. Patent No. 5,648,125 to Cane, discloses the use of an alkaline permanganate solution comprising potassium permanganate and sodium hydroxide, in which the permanganate solution is maintained at an elevated temperature, i.e. between approximately 74 ° C and 93 ° C (165 ° F and 200 ° F). United States Patent No. 4,042,729 to Polichette et al. Discloses an etching solution comprising water, permanganate ion and manganate ion, in which the molar ratio between the manganate ion and the ion is controlled. of permanganate and the pH of the solution is maintained at 11-13.
Como ya se ha indicado, se han sugerido muchas soluciones de grabado como sustitutas del ácido crómico en los procedimientos de preparación de sustratos no conductores para el metalizado. Sin embargo, ninguno de estos procedimientos ha demostrado ser satisfactorio por diversas razones económicas, de rendimiento y/o medioambientales y, por lo tanto, ninguno de estos procedimientos ha tenido éxito comercial ni ha sido aceptado por la industria como sustituto adecuado para el grabado con ácido crómico. Además, la estabilidad de las soluciones de grabado también puede ser baja, lo que resulta en la formación de lodos de dióxido de manganeso.As already indicated, many etching solutions have been suggested as substitutes for chromic acid in the preparation processes of non-conductive substrates for metallization. However, none of these procedures has proven to be satisfactory for various economic, performance and / or environmental reasons and, therefore, none of these procedures has been commercially successful nor has it been accepted by the industry as a suitable substitute for etching with chromic acid. In addition, the stability of the etching solutions can also be low, resulting in the formation of manganese dioxide sludge.
Los presentes inventores han observado la tendencia de las soluciones basadas en permanganato a formar lodos y experimentar autodescomposición. En condiciones fuertemente ácidas, los iones de permanganato pueden reaccionar con iones de hidrógeno para producir iones de manganeso (II) y agua de acuerdo con la siguiente reacción:The present inventors have observed the tendency of permanganate-based solutions to form sludge and experience self-decomposition. Under strongly acidic conditions, the permanganate ions can react with hydrogen ions to produce manganese (II) ions and water according to the following reaction:
4MnO4- 12-H ^ 4Mn2++ 6H2O 5O2 (1)4MnO4- 12-H ^ 4Mn2 ++ 6H2O 5O2 (1)
Los iones de manganeso (II) formados por esta reacción pueden experimentar una reacción adicional con iones de permanganato formando un lodo de dióxido de manganeso de acuerdo con la siguiente reacción:The manganese (II) ions formed by this reaction can undergo an additional reaction with permanganate ions to form a manganese dioxide sludge according to the following reaction:
2MnO4- 2H2O 3Mn2+^5MnO2 4H+ (2)2MnO4- 2H2O 3Mn2 + ^ 5MnO2 4H + (2)
Por lo tanto, las formulaciones basadas en soluciones de permanganato fuertemente ácidas son intrínsecamente inestables, independientemente de que el ion de permanganato se añada mediante sales de metal alcalino de permanganato o se genere electroquímicamente in situ. En comparación con los agentes de grabado de ácido crómico usados en la actualidad, la baja estabilidad química del permanganato ácido hace que sea efectivamente inútil para aplicaciones comerciales a gran escala. Los agentes de grabado de permanganato alcalinos son más estables y su uso está extendido en la industria de las placas de circuitos impresos para el grabado de placas de circuitos impresos a base de epoxi, pero el permanganato alcalino no es un agente de grabado eficaz para plásticos tales como ABS o ABS/PC. Por lo tanto, es poco probable que el manganeso (VII) obtenga una gran aceptación comercial como agente de grabado para estos materiales.Therefore, formulations based on strongly acidic permanganate solutions are intrinsically unstable, regardless of whether the permanganate ion is added by alkali metal salts of permanganate or generated electrochemically in situ. Compared to the currently used chromic acid etching agents, the low chemical stability of acid permanganate makes it effectively useless for large scale commercial applications. The alkaline permanganate etching agents are more stable and their use is widespread in the printed circuit board industry for the etching of epoxy-based printed circuit boards, but the alkaline permanganate is not an effective etching agent for plastics such as ABS or ABS / PC. Therefore, manganese (VII) is unlikely to obtain wide commercial acceptance as an etching agent for these materials.
Los intentos de grabar ABS sin el uso de ácido crómico han incluido el uso de plata (II) o cobalto (III) generados electroquímicamente. Ciertos metales pueden oxidarse anódicamente a estados de oxidación que son altamente oxidantes. Por ejemplo, el manganeso (II) se puede oxidar a permanganato (manganeso VI), el cobalto se puede oxidar de cobalto (II) a cobalto (III) y la plata se puede oxidar de plata (I) a plata (II).Attempts to burn ABS without the use of chromic acid have included the use of silver (II) or cobalt (III) generated electrochemically. Certain metals can be oxidized anodically to oxidation states that are highly oxidizing. For example, manganese (II) can be oxidized to permanganate (manganese VI), cobalt can be oxidized from cobalt (II) to cobalt (III) and silver can be oxidized from silver (I) to silver (II).
En la actualidad no existe un agente de grabado con éxito comercial adecuado para plásticos basado en permanganato (en forma ácida o alcalina), en manganeso en cualquier otro estado de oxidación o mediante el uso de otros ácidos u oxidantes.At present there is no commercially successful etching agent suitable for plastics based on permanganate (in acid or alkaline form), on manganese in any other oxidation state or by the use of other acids or oxidants.
Por lo tanto, sigue existiendo la necesidad en la técnica de un agente de grabado mejorado para preparar sustratos plásticos para el posterior electrometalizado que no contenga ácido crómico y que sea comercialmente aceptable.Therefore, there remains a need in the art for an improved etching agent to prepare plastic substrates for subsequent electrometallization which does not contain chromic acid and which is commercially acceptable.
Sumario de la invenciónSummary of the invention
Es un objeto de la invención proporcionar un agente de grabado para sustratos plásticos que no contenga ácido crómico.It is an object of the invention to provide an etching agent for plastic substrates that does not contain chromic acid.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un agente de grabado para sustratos plásticos que sea comercialmente aceptable.Another object of the present invention is to provide an etchant for plastic substrates that is commercially acceptable.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un agente de grabado para sustratos plásticos que se base en iones de manganeso. Another object of the present invention is to provide an etching agent for plastic substrates based on manganese ions.
Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un electrodo que sea adecuado para su uso en un electrolito oxidante de ácido fuerte pero que no sea degradado por el electrolitoStill another object of the present invention is to provide an electrode which is suitable for use in a strong acid oxidizing electrolyte but which is not degraded by the electrolyte.
Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un electrodo adecuado para la generación de iones de manganeso (III) en ácido sulfúrico fuerte que sea comercialmente aceptable.Still another object of the present invention is to provide a suitable electrode for the generation of manganese (III) ions in strong sulfuric acid that is commercially acceptable.
A tal fin, la presente invención se refiere en general a un electrodo adecuado para la oxidación electroquímica de iones de manganeso (II) a iones de manganeso (III) en una solución de ácido sulfúrico fuerte.For this purpose, the present invention relates in general to an electrode suitable for the electrochemical oxidation of manganese (II) ions to manganese (III) ions in a strong sulfuric acid solution.
La presente invención proporciona una célula electrolítica según la reivindicación 1, que comprende:The present invention provides an electrolytic cell according to claim 1, comprising:
una solución electrolítica que comprende iones de manganeso (III) en una solución de ácido, que es preferiblemente ácido sulfúrico de 9 a 15 molar;an electrolytic solution comprising manganese (III) ions in an acid solution, which is preferably 9 to 15 molar sulfuric acid;
un cátodo en contacto con la solución electrolítica; ya cathode in contact with the electrolytic solution; Y
un ánodo en contacto con la solución electrolítica, en la que el ánodo comprende un material seleccionado del grupo que consiste en carbono vítreo, carbono vítreo reticulado, fibras de carbono tejidas y combinaciones de uno o más de los anteriores.an anode in contact with the electrolytic solution, wherein the anode comprises a material selected from the group consisting of vitreous carbon, crosslinked vitreous carbon, woven carbon fibers and combinations of one or more of the foregoing.
La presente invención también proporciona un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, de oxidación electroquímica de iones de manganeso (II) a iones de manganeso (III) que comprende las etapas de:The present invention also provides a method according to claim 10, of electrochemical oxidation of manganese (II) ions to manganese (III) ions comprising the steps of:
proporcionar un electrolito que comprende una solución de iones de manganeso (II) en una solución de ácido sulfúrico o una solución de ácido fosfórico en una célula electrolítica en la que la célula electrolítica comprende un ánodo y un cátodo, y en la que el ánodo comprende un material seleccionado del grupo que consiste en carbono vítreo, carbono vítreo reticulado y fibra de carbono tejida;providing an electrolyte comprising a solution of manganese (II) ions in a solution of sulfuric acid or a solution of phosphoric acid in an electrolytic cell in which the electrolytic cell comprises an anode and a cathode, and wherein the anode comprises a material selected from the group consisting of vitreous carbon, crosslinked vitreous carbon and woven carbon fiber;
aplicar una corriente entre el ánodo y el cátodo, estando la densidad de corriente del ánodo entre 0,1 y 0,4 A/dm2; yapplying a current between the anode and the cathode, the current density of the anode being between 0.1 and 0.4 A / dm2; Y
oxidar el electrolito para formar iones de manganeso (III), formando los iones de manganeso (III) un complejo metaestable.oxidize the electrolyte to form manganese (III) ions, the manganese (III) ions forming a metastable complex.
La presente invención también proporciona un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 28 de grabado de una pieza de plástico.The present invention also provides a method according to claim 28 for engraving a plastic part.
Las características preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.The preferred features are defined in the dependent claims.
Descripción detallada de las realizaciones preferidasDetailed description of the preferred embodiments
Los inventores de la presente invención han descubierto que el manganeso trivalente puede producirse fácilmente por electrólisis a baja densidad de corriente de iones de manganeso divalente en ácido sulfúrico fuerte. Más particularmente, los inventores de la presente invención han descubierto que una solución de iones de manganeso trivalente en solución fuertemente ácida es capaz de grabar ABS.The inventors of the present invention have discovered that trivalent manganese can be easily produced by electrolysis at low current density of divalent manganese ions in strong sulfuric acid. More particularly, the inventors of the present invention have discovered that a solution of trivalent manganese ions in strongly acidic solution is capable of etching ABS.
El manganeso trivalente es inestable y altamente oxidante (potencial rédox estándar de 1,51 frente al electrodo de hidrógeno normal). En solución, se desproporciona rápidamente en dióxido de manganeso y manganeso divalente a través de la siguiente reacción:Trivalent manganese is unstable and highly oxidative (standard redox potential of 1.51 against the normal hydrogen electrode). In solution, it is rapidly disproportionated into manganese dioxide and divalent manganese through the following reaction:
2Mn3+ 2H2O ^ MnO2 Mn2+ 4H+ (3)2Mn3 + 2H2O ^ MnO2 Mn2 + 4H + (3)
Sin embargo, en una solución de ácido sulfúrico fuerte, el ion de manganeso trivalente se vuelve metaestable y forma un complejo de sulfato de color púrpura/rojo cereza. Los inventores han descubierto que este complejo de sulfato es un medio adecuado para el grabado de ABS y tiene muchas ventajas con respecto a los agentes de grabado sin cromo descritos anteriormente.However, in a strong sulfuric acid solution, the trivalent manganese ion becomes metastable and forms a purple / cherry red color sulfate complex. The inventors have discovered that this sulfate complex is a suitable medium for ABS etching and has many advantages over the chromium-free etching agents described above.
En el presente documento también se describe un procedimiento de preparación de una solución capaz de grabar un sustrato plástico, comprendiendo el procedimiento las etapas de:A process for preparing a solution capable of etching a plastic substrate is also described herein, the method comprising the steps of:
proporcionar un electrolito que comprende una solución de iones de manganeso (II) en una solución de ácido en una célula electrolítica, en la que la célula electrolítica comprende un ánodo y un cátodo; yproviding an electrolyte comprising a solution of manganese (II) ions in an acid solution in an electrolytic cell, wherein the electrolytic cell comprises an anode and a cathode; Y
aplicar una corriente al ánodo y al cátodo de la célula electrolítica; yapply a current to the anode and the cathode of the electrolytic cell; Y
oxidar el electrolito para formar iones de manganeso (III), formando los iones de manganeso (III) un complejo metaestable.oxidize the electrolyte to form manganese (III) ions, the manganese (III) ions forming a metastable complex.
En una realización preferida, el sustrato de plástico comprende ABS o ABS/PC.In a preferred embodiment, the plastic substrate comprises ABS or ABS / PC.
Si bien se contempla que tanto el ácido fosfórico como el ácido sulfúrico serían adecuados para las composiciones de la presente invención, en una realización preferida, el ácido es ácido sulfúrico. A temperatura ambiente, la vida media de los iones de manganeso (III) en ácido sulfúrico 7M es del orden de 2 años. En comparación, la vida media de concentraciones similares de iones de manganeso (III) en ácido fosfórico 7M fue de alrededor de 12 días. Se sugiere que la estabilidad mucho más alta de los iones de manganeso (III) en el ácido sulfúrico se debe a la formación de complejos de mangano-sulfato y la concentración más alta de concentración de iones de hidrógeno disponibles en la solución de ácido sulfúrico. Un problema adicional con el uso de ácido fosfórico es la solubilidad limitada del fosfato de manganeso (III). Por lo tanto, aunque es posible usar otros ácidos inorgánicos, como el ácido fosfórico, en las composiciones de la presente invención, generalmente se prefiere el uso de ácido sulfúrico.While it is contemplated that both phosphoric acid and sulfuric acid would be suitable for the compositions of the present invention, in a preferred embodiment, the acid is sulfuric acid. At room temperature, life Average of manganese (III) ions in 7M sulfuric acid is of the order of 2 years. In comparison, the half-life of similar concentrations of manganese (III) ions in 7M phosphoric acid was around 12 days. It is suggested that the much higher stability of manganese (III) ions in sulfuric acid is due to the formation of mangano-sulfate complexes and the higher concentration of available hydrogen ions in the sulfuric acid solution. An additional problem with the use of phosphoric acid is the limited solubility of manganese (III) phosphate. Therefore, although it is possible to use other inorganic acids, such as phosphoric acid, in the compositions of the present invention, the use of sulfuric acid is generally preferred.
La notable estabilidad de los iones de manganeso (III) en ácido sulfúrico fuerte proporciona las siguientes ventajas durante su uso:The remarkable stability of manganese (III) ions in strong sulfuric acid provides the following advantages during its use:
1) Debido a que los iones de Mn (III) se forman a una densidad de corriente baja, los requisitos de energía para el procedimiento son generalmente muy bajos.1) Because the Mn (III) ions are formed at a low current density, the energy requirements for the process are generally very low.
2) Debido a que el ánodo funciona a una densidad de corriente muy baja, se puede usar un cátodo pequeño en relación con el área del ánodo para evitar la reducción catódica de los iones de Mn (III). Esto evita la necesidad de una célula dividida y simplifica la ingeniería de la célula de regeneración del agente de grabado.2) Because the anode operates at a very low current density, a small cathode can be used in relation to the anode area to avoid the cathodic reduction of Mn (III) ions. This avoids the need for a split cell and simplifies the engineering of the regeneration cell of the etching agent.
3) Debido a que el procedimiento no produce iones de permanganato, no hay posibilidad de producir heptóxido de manganeso en la solución (esto representa un riesgo de seguridad considerable, ya que produce explosiones violentas).3) Because the process does not produce permanganate ions, there is no possibility of producing manganese heptoxide in the solution (this represents a considerable safety risk, since it produces violent explosions).
4) Debido a la alta estabilidad de los iones de Mn (III) en ácido sulfúrico fuerte, el agente de grabado se puede vender listo para usar. En la producción, el agente de grabado requiere solo una pequeña célula de regeneración en el lado del tanque para mantener el contenido de Mn (III) del grabado y evitar la acumulación de iones de Mn (II).4) Due to the high stability of Mn (III) ions in strong sulfuric acid, the etchant can be sold ready to use. In production, the etching agent requires only a small regeneration cell on the side of the tank to maintain the Mn (III) content of the etch and prevent the accumulation of Mn (II) ions.
5) Debido a que otros procedimientos de grabado se basan en permanganato, el resultado de la reacción del permanganato con iones de Mn (II) causa una rápida “formación de lodos” con el dióxido de manganeso y una vida muy corta del grabado. Esto no debería ser un problema con el grabado basado en Mn (III) (aunque puede haber cierta desproporción con el tiempo).5) Because other etching procedures are based on permanganate, the result of the reaction of permanganate with Mn (II) ions causes a rapid "sludge formation" with manganese dioxide and a very short life of the engraving. This should not be a problem with engraving based on Mn (III) (although there may be some disproportion with time).
6) La producción electrolítica de Mn (III) de acuerdo con la presente invención no produce gases tóxicos. Si bien se puede producir parte de hidrógeno en el cátodo, debido a los requisitos de baja corriente, este sería menos que el producido en muchos procedimientos de metalizado.6) The electrolytic production of Mn (III) according to the present invention does not produce toxic gases. While some hydrogen may be produced at the cathode, due to the low current requirements, this would be less than that produced in many metallizing processes.
Tal como se describe en el presente documento, en una realización preferida, el ácido es ácido sulfúrico. La concentración de ácido sulfúrico está preferiblemente comprendida entre aproximadamente 9 y aproximadamente 15 molar. La concentración de ácido sulfúrico es importante en el procedimiento. Por debajo de una concentración de aproximadamente 9 molar, la velocidad de grabado se vuelve lenta y por encima de aproximadamente 14 molar, la solubilidad de los iones de manganeso en la solución se vuelve baja. Además, las concentraciones muy altas de ácido sulfúrico tienden a absorber la humedad del aire y su manipulación es peligrosa. Por lo tanto, en una realización más preferida, la concentración de ácido sulfúrico está comprendida entre aproximadamente 12 y 13 molar, y lo suficientemente diluida para permitir la adición segura de agua al agente de grabado y lo suficientemente fuerte para optimizar la velocidad de grabado del plástico. A esta concentración de ácido sulfúrico, se pueden disolver hasta aproximadamente 0,08 M de sulfato de manganeso a la temperatura de funcionamiento preferida del grabado. Para un grabado óptimo, la concentración de iones de manganeso en la solución debe ser tan alta como se pueda conseguir.As described herein, in a preferred embodiment, the acid is sulfuric acid. The concentration of sulfuric acid is preferably between about 9 and about 15 molar. The concentration of sulfuric acid is important in the procedure. Below a concentration of approximately 9 molar, the etching rate becomes slow and above about 14 molar, the solubility of the manganese ions in the solution becomes low. In addition, very high concentrations of sulfuric acid tend to absorb moisture from the air and their handling is dangerous. Therefore, in a more preferred embodiment, the concentration of sulfuric acid is between about 12 and 13 molar, and sufficiently dilute to allow safe addition of water to the etchant and strong enough to optimize the etching rate of the etchant. plastic. At this concentration of sulfuric acid, up to about 0.08 M of manganese sulfate can be dissolved at the preferred operating temperature of the etching. For optimal etching, the concentration of manganese ions in the solution should be as high as can be achieved.
Los iones de manganeso (II) se seleccionan preferiblemente del grupo que consiste en sulfato de manganeso, carbonato de manganeso e hidróxido de manganeso, aunque otras fuentes similares de iones de manganeso (II) conocidas en la técnica también se podrían usar en la práctica de la invención. La concentración de iones de manganeso (II) puede oscilar dentro del intervalo de entre aproximadamente 0,005 molar y la saturación. En una realización, el electrolito también comprende dióxido de manganeso coloidal. Este puede formarse en cierta medida como un resultado natural de la desproporción de manganeso (III) en la solución, o puede añadirse de forma deliberada.The manganese (II) ions are preferably selected from the group consisting of manganese sulfate, manganese carbonate and manganese hydroxide, although other similar sources of manganese (II) ions known in the art could also be used in the practice of the invention. The concentration of manganese (II) ions can range from about 0.005 molar to saturation. In one embodiment, the electrolyte also comprises colloidal manganese dioxide. This can be formed to some extent as a natural result of the disproportion of manganese (III) in the solution, or it can be added deliberately.
Los iones de manganeso (III) pueden generarse convenientemente por medios electroquímicos mediante la oxidación de los iones de manganeso (II). Además, generalmente es preferible que el electrolito no contenga iones de permanganato.The manganese (III) ions can be conveniently generated by electrochemical means by oxidation of the manganese (II) ions. In addition, it is generally preferable that the electrolyte does not contain permanganate ions.
En otra realización, la presente invención comprende sumergir el plástico metalizable en un complejo de sulfato metaestable durante un período de tiempo para grabar la superficie del plástico metalizable. En una realización, el plástico metalizable se sumerge en la solución a una temperatura de entre 30 y 80 °C. La velocidad de grabado aumenta con la temperatura y es lenta por debajo de 50 °C. El límite superior de temperatura se determina según la naturaleza del plástico que se va a grabar. El ABS comienza a distorsionarse por encima de 70 °C, por lo que, en una realización preferida, la temperatura del electrolito se mantiene entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 70 °C, especialmente cuando se graban materiales de ABS. El período de tiempo de la inmersión del plástico en el electrolito es preferiblemente de entre aproximadamente 20 y aproximadamente 30 minutos.In another embodiment, the present invention comprises immersing the metallizable plastic in a metastable sulfate complex for a period of time to etch the surface of the metallizable plastic. In one embodiment, the metallizable plastic is immersed in the solution at a temperature of between 30 and 80 ° C. The engraving speed increases with temperature and is slow below 50 ° C. The upper limit of temperature is determined according to the nature of the plastic to be engraved. The ABS starts to distort above 70 ° C, so in In a preferred embodiment, the electrolyte temperature is maintained between about 50 ° C and about 70 ° C, especially when recording ABS materials. The period of time of immersion of the plastic in the electrolyte is preferably between about 20 and about 30 minutes.
Los artículos grabados de esta manera se pueden electrometalizar posteriormente utilizando un pretratamiento convencional para plásticos metalizados o se puede usar la superficie grabada del plástico para mejorar la adherencia de pintura, lacas u otros recubrimientos superficiales.The articles engraved in this way can be subsequently electrometallized using a conventional pretreatment for metallized plastics or the engraved surface of the plastic can be used to improve the adhesion of paint, lacquers or other surface coatings.
Tal como se describe en los ejemplos que siguen, los inventores de la presente invención han determinado por medio de voltametría cíclica que a la concentración de iones de manganeso (II) utilizada en el grabado de la presente invención, la oxidación se controla por difusión de tal forma que es necesaria la agitación eficaz de la solución de grabado durante el procedimiento de oxidación electrolítica.As described in the examples that follow, the inventors of the present invention have determined by means of cyclic voltammetry that at the concentration of manganese (II) ions used in the etching of the present invention, oxidation is controlled by diffusion of such that efficient agitation of the etching solution is necessary during the electrolytic oxidation process.
En otra realización preferida, la presente invención se refiere en general a un electrolito capaz de grabar un plástico metalizable, comprendiendo tal electrolito una solución de manganeso (III) en una solución ácida. La solución ácida es preferiblemente ácido sulfúrico.In another preferred embodiment, the present invention relates generally to an electrolyte capable of etching a metallizable plastic, said electrolyte comprising a solution of manganese (III) in an acid solution. The acid solution is preferably sulfuric acid.
Los cátodos utilizables en la célula electrolítica descrita en el presente documento pueden comprender diversos materiales. El cátodo puede comprender un material seleccionado del grupo que consiste en platino, titanio platinizado, niobio, titanio recubierto con óxido de iridio y plomo. En una realización preferida, el cátodo comprende platino o titanio platinizado. En otra realización preferida, el cátodo comprende plomo.The cathodes usable in the electrolytic cell described herein may comprise various materials. The cathode may comprise a material selected from the group consisting of platinum, platinized titanium, niobium, titanium coated with iridium oxide and lead. In a preferred embodiment, the cathode comprises platinized platinum or titanium. In another preferred embodiment, the cathode comprises lead.
Los inventores de la presente invención han descubierto que el uso de ánodos de carbono vítreos proporciona un electrodo comercialmente adecuado. Los inventores descubrieron que si bien la combinación de iones de manganeso (III) y ácido sulfúrico fuerte (es decir, 9-15 molar) puede grabar plásticos ABS, el agente de grabado también es muy agresivo hacia los electrodos necesarios para producir los iones de manganeso (III). En particular, los ánodos que tienen un sustrato de titanio pueden ser degradados rápidamente por el agente de grabado.The inventors of the present invention have discovered that the use of vitreous carbon anodes provides a commercially suitable electrode. The inventors discovered that while the combination of manganese (III) ions and strong sulfuric acid (ie, 9-15 molar) can burn ABS plastics, the etchant is also very aggressive towards the electrodes needed to produce the ions of manganese (III). In particular, the anodes having a titanium substrate can be rapidly degraded by the etchant.
Por lo tanto, en un intento de determinar un material de electrodo más adecuado, se examinaron otros diversos materiales de electrodo, incluyendo plomo y grafito. Se descubrió que el agente de grabado atacaba rápidamente el plomo cuando se usaba como ánodo (aunque se determinó que era adecuado para su uso como cátodo) y que los ánodos de grafito se desintegraban rápidamente. Sin embargo, se determinó que el carbono vítreo y el carbono vítreo reticulado resultaban más robustos y podían producir iones de manganeso (III) si se aplicaba una corriente eléctrica de entre 0,1 y 0,4 A/dm2 (según el área de superficie nominal). Por lo tanto, tal como se describe en el presente documento, los ánodos hechos de carbono vítreo se pueden usar como electrodos. Además, debido a que el carbono vítreo y el carbono vítreo reticulado pueden no ser rentables para su uso como electrodos en aplicaciones comerciales, se determinó además que el ánodo podía fabricarse de fibra de carbono tejida.Therefore, in an attempt to determine a more suitable electrode material, various other electrode materials, including lead and graphite, were examined. It was found that the etching agent rapidly attacked the lead when it was used as an anode (although it was determined to be suitable for use as a cathode) and that the graphite anodes disintegrated rapidly. However, it was determined that the vitreous carbon and the vitreous carbon crosslinked were more robust and could produce manganese (III) ions if an electric current of between 0.1 and 0.4 A / dm2 was applied (depending on the surface area) nominal). Therefore, as described herein, anodes made of vitreous carbon can be used as electrodes. In addition, because the vitreous carbon and the crosslinked vitreous carbon may not be cost effective for use as electrodes in commercial applications, it was further determined that the anode could be fabricated from woven carbon fiber.
La fibra de carbono se fabrica a partir de fibras de poliacrilonitrilo (PAN). Estas fibras pasan por un procedimiento de oxidación a temperaturas crecientes seguido de una etapa de carbonización a una temperatura muy alta en una atmósfera inerte. Las fibras de carbono se tejen luego en una lámina que normalmente se usa en combinación con varios sistemas de resina para producir componentes de alta resistencia. Las láminas de fibra de carbono también tienen una buena conductividad eléctrica y las fibras tienen generalmente una estructura turbostrática (es decir, de capas desordenadas). Sin querer quedar ligados a la teoría, los inventores de la presente invención creen que es esta estructura la que hace que las fibras de carbono sean tan eficaces como un electrodo. Los átomos de carbono hibridados SP2 en la red proporcionan una buena conductividad eléctrica, mientras que los átomos de carbono hibridados SP3 conectan las capas de grafito entre sí, asegurándolas en su lugar y proporcionando así una buena resistencia química.Carbon fiber is manufactured from polyacrylonitrile fibers (PAN). These fibers go through an oxidation process at increasing temperatures followed by a carbonization step at a very high temperature in an inert atmosphere. The carbon fibers are then woven into a sheet that is normally used in combination with various resin systems to produce high strength components. The carbon fiber sheets also have good electrical conductivity and the fibers generally have a turbostratic (i.e., disordered layer) structure. Without wishing to be bound by theory, the inventors of the present invention believe that it is this structure that makes the carbon fibers as effective as an electrode. The SP2 hybridized carbon atoms in the network provide good electrical conductivity, while the SP3 hybridized carbon atoms connect the graphite layers together, securing them in place and thus providing good chemical resistance.
Un material preferido para uso en los electrodos de la invención comprende una fibra de carbono tejida que contiene al menos un 95 % de carbono y no está impregnada con ninguna resina. Para facilitar la manipulación y el procedimiento de tejido, las fibras de carbono se dimensionan generalmente con una resina epoxi y esto puede comprender hasta el 2 % del peso de la fibra. A este bajo porcentaje, cuando se utiliza como electrodo, el tamaño del epoxi se elimina rápidamente por el alto contenido de ácido sulfúrico del grabado. Esto puede causar una leve decoloración inicial del grabado, pero no afecta al rendimiento. Después de esta etapa inicial de “preparación”, el ánodo parece ser resistente al electrolito y es eficaz en la oxidación de los iones de manganeso (II) a manganesoA preferred material for use in the electrodes of the invention comprises a woven carbon fiber containing at least 95% carbon and not impregnated with any resin. To facilitate the handling and the weaving process, the carbon fibers are generally sized with an epoxy resin and this can comprise up to 2% of the weight of the fiber. At this low percentage, when used as an electrode, the size of the epoxy is quickly eliminated by the high content of sulfuric acid in the engraving. This may cause a slight initial discoloration of the engraving, but does not affect performance. After this initial "preparation" stage, the anode appears to be resistant to the electrolyte and is effective in the oxidation of manganese (II) to manganese ions
Los ánodos pueden construirse montando el material de fibra de carbono tejido en un marco adecuado haciendo una provisión para el contacto eléctrico. También es posible usar fibra de carbono como cátodo en la generación de iones de manganeso (III), pero es más conveniente usar plomo, especialmente porque el cátodo es mucho más pequeño que el ánodo si se usa una célula no dividida.The anodes can be constructed by mounting the woven carbon fiber material in a suitable frame making a provision for electrical contact. It is also possible to use carbon fiber as a cathode in the generation of manganese (III) ions, but it is more convenient to use lead, especially because the cathode is much smaller than the anode if an undivided cell is used.
[0047] Además, para la generación eficaz de iones de manganeso (III), generalmente es necesario usar un área de ánodo que sea grande en comparación con el área del cátodo. Preferiblemente, la relación de área de ánodo a cátodo es de al menos aproximadamente 10:1. De esta manera, el cátodo puede sumergirse directamente en el electrolito y no es necesario tener una célula dividida (aunque el procedimiento funcionaría con una disposición de célula dividida, esto introduciría una complejidad y un gasto innecesarios).[0047] Further, for the efficient generation of manganese (III) ions, it is generally necessary to use an anode area that is large in comparison with the cathode area. Preferably, the anode to cathode area ratio is at least about 10: 1. In this way, the cathode can be immersed directly in the electrolyte and it is not necessary to have a divided cell (although the procedure would work with a split cell arrangement, this would introduce unnecessary complexity and expense).
La presente invención se refiere en general a una célula electrolítica que comprende:The present invention relates generally to an electrolytic cell comprising:
una solución electrolítica que comprende iones de manganeso (III) en una solución ácida;an electrolytic solution comprising manganese (III) ions in an acid solution;
un cátodo en contacto con la solución electrolítica; ya cathode in contact with the electrolytic solution; Y
un ánodo en contacto con la solución electrolítica, en la que el ánodo comprende un material seleccionado del grupo que consiste en carbono vítreo, carbono vítreo reticulado, fibras de carbono tejidas y combinaciones de uno o más de los anteriores.an anode in contact with the electrolytic solution, wherein the anode comprises a material selected from the group consisting of vitreous carbon, crosslinked vitreous carbon, woven carbon fibers and combinations of one or more of the foregoing.
A continuación, la invención se ilustrará con referencia a los siguientes ejemplos no limitativos:Next, the invention will be illustrated with reference to the following non-limiting examples:
Ejemplo comparativo 1:Comparative example 1:
Se calentó una solución 0,08 molar de sulfato de manganeso (II) en 12,5 molar de ácido sulfúrico (500 ml) a 70 °C y se sumergió en la solución una pieza de ABS de tipo metalizable. Incluso después de una hora sumergida en esta solución, no hubo grabado perceptible en el panel de prueba y, tras el enjuague, la superficie no se “humedeció” y no soportaba ninguna película de agua ininterrumpida.A 0.08 molar solution of manganese sulfate (II) in 12.5 molar sulfuric acid (500 ml) was heated to 70 ° C and a piece of metallizable type ABS was immersed in the solution. Even after one hour submerged in this solution, there was no perceptible etching on the test panel and, after rinsing, the surface did not "moisten" and could not stand any film of uninterrupted water.
Ejemplo 1:Example 1:
La solución del Ejemplo Comparativo 1 se electrolizó sumergiendo un ánodo de titanio platinizado de un área de 1 dm2 y un cátodo de titanio platinizado de área superficial de 0,01 dm2 en la solución y aplicando una corriente de 200 mA durante 5 horas.The solution of Comparative Example 1 was electrolyzed by immersing a platinized titanium anode of an area of 1 dm2 and a platinized titanium cathode of surface area of 0.01 dm2 in the solution and applying a current of 200 mA for 5 hours.
Durante este período de electrolisis, se observó que la solución cambió de color desde prácticamente incolora a un color púrpura/rojo muy intenso. Se confirmó que no había iones de permanganato presentes.During this period of electrolysis, it was observed that the solution changed color from practically colorless to a very intense purple / red color. It was confirmed that there were no permanganate ions present.
Esta solución se calentó luego a 70 °C y se sumergió en la solución una pieza de ABS de tipo metalizable. Después de 10 minutos de inmersión, la pieza de prueba se humedeció completamente y pudo soportar una película de agua ininterrumpida después del enjuague. Después de 20 minutos de inmersión, la muestra se enjuagó con agua, se secó y se examinó usando un microscopio electrónico de barrido (SEM). Este examen reveló que la pieza de prueba estaba sustancialmente grabada y que eran visibles muchos hoyos de grabado.This solution was then heated to 70 ° C and a piece of metallizable type ABS was immersed in the solution. After 10 minutes of immersion, the test piece was completely wetted and could withstand a film of uninterrupted water after rinsing. After 20 minutes of immersion, the sample was rinsed with water, dried and examined using a scanning electron microscope (SEM). This examination revealed that the test piece was substantially etched and that many engraving holes were visible.
Ejemplo 2:Example 2:
Se electrolizó una solución que contenía 12,5 M de ácido sulfúrico y 0,08 M de sulfato de manganeso (II) utilizando un ánodo de titanio platinizado a una densidad de corriente de 0,2 A/dm2. Se usó un cátodo de titanio platinizado con un área de menos del 1 % del área del ánodo para evitar la reducción catódica de los iones de Mn (III) producidos en el ánodo. La electrolisis se realizó durante el tiempo suficiente para que pasaran suficientes culombios para oxidar todos los iones de manganeso (II) a manganeso (III). La solución resultante era de un color morado/rojo cereza intenso. No se generaron iones de permanganato durante esta etapa. Esto también se confirmó mediante espectroscopia visible: los iones de Mn (III) produjeron un espectro de absorción completamente diferente del de una solución de permanganato.A solution containing 12.5 M sulfuric acid and 0.08 M manganese sulfate (II) was electrolyzed using a platinized titanium anode at a current density of 0.2 A / dm2. A platinized titanium cathode with an area of less than 1% of the anode area was used to prevent the cathodic reduction of the Mn (III) ions produced at the anode. The electrolysis was carried out long enough for enough coulombs to pass to oxidize all the manganese (II) to manganese (III) ions. The resulting solution was purple / deep cherry red. No permanganate ions were generated during this stage. This was also confirmed by visible spectroscopy: the Mn (III) ions produced an absorption spectrum completely different from that of a permanganate solution.
Ejemplo 3:Example 3:
La solución de grabado preparada tal como se describe anteriormente en el Ejemplo 3 se calentó a 65-70 °C en un agitador magnético/placa caliente y se sumergieron piezas de prueba de ABS en la solución durante períodos de tiempo de 20 y 30 minutos. Algunas de estas piezas de prueba se examinaron por SEM y algunas se procesaron en un metalizado normal en una secuencia de pretratamiento de plástico (reducción en M-neutralize, inmersión previa, activación, aceleración, níquel químico, metalizado de cobre a 25-30 micrómetros). A continuación, estas piezas de prueba se recocieron y se sometieron a una prueba de resistencia al pelado utilizando una máquina Instron.The etching solution prepared as described above in Example 3 was heated to 65-70 ° C on a magnetic stirrer / hot plate and ABS test pieces were immersed in the solution for periods of time of 20 and 30 minutes. Some of these test pieces were examined by SEM and some were processed in a normal metallization in a plastic pretreatment sequence (reduction in M-neutralize, pre-immersion, activation, acceleration, chemical nickel, copper metallization at 25-30 microns ). Next, these test pieces were annealed and subjected to a peel strength test using an Instron machine.
La prueba de resistencia al pelado realizada en las piezas metalizadas durante 30 minutos demostró que la resistencia al pelado variaba entre aproximadamente 1,5 y 4 N/cm.The peel strength test performed on the metallized pieces for 30 minutes showed that the peel strength varied between about 1.5 and 4 N / cm.
Se obtuvieron voltamogramas cíclicos de una solución que contenía 12,5 M de ácido sulfúrico y 0,08 M de sulfato de manganeso usando un electrodo de disco rotatorio de platino (RDE) que tiene un área de superficie de 0,196 cm2 a varias velocidades de rotación. Se usó un potenciostato modelo 263A y un electrodo de referencia de plata/cloruro de plata junto con el RDE.Cyclic voltammograms were obtained from a solution containing 12.5 M sulfuric acid and 0.08 M manganese sulfate using a platinum rotating disk electrode (RDE) having a surface area of 0.196 cm2 at various rotation speeds . A model 263A potentiostat and a silver / silver chloride reference electrode were used together with the RDE.
En todos los casos, la exploración directa presentó un pico en torno a 1,6 V frente a Ag/AgCl seguido de niveles estables en torno a 1,75 V y seguido de un aumento de la corriente. La exploración inversa produjo un nivel estable similar (a una corriente ligeramente más baja y un pico en torno a 1,52 V. La dependencia de estos resultados de la velocidad de rotación del electrodo indica que el control del transporte de masa es un factor principal del mecanismo. El nivel estable indica el intervalo de potencial en el que se forman los iones de Mn (III) por oxidación electroquímica. Se realizó una exploración potenciostática a 1,7V. Se observó que la corriente se redujo inicialmente y luego aumentó transcurrido un período de tiempo. La densidad de corriente a este potencial varió entre 0,15 y 0,4 A/dm2 Después de este experimento, se tomó una medición galvanostática a una densidad de corriente constante de 0,3 A/dm2. Inicialmente, se logró la densidad de corriente aplicada con un potencial de aproximadamente 1,5V, pero, a medida que avanzaba el experimento, después de aproximadamente 2.400 segundos, se observó un aumento del potencial a aproximadamente 1,75V.In all cases, direct exploration presented a peak around 1.6 V versus Ag / AgCl followed by stable levels around 1.75 V and followed by an increase in current. The inverse exploration produced a similar stable level (at a slightly lower current and a peak around 1.52 V. The dependence of these results on the The rotation speed of the electrode indicates that the mass transport control is a main factor of the mechanism. The stable level indicates the potential interval in which the Mn (III) ions are formed by electrochemical oxidation. A potentiostatic exploration at 1.7V was performed. It was observed that the current was initially reduced and then increased after a period of time. The current density at this potential varied between 0.15 and 0.4 A / dm2. After this experiment, a galvanostatic measurement was taken at a constant current density of 0.3 A / dm2. Initially, the applied current density with a potential of approximately 1.5V was achieved, but, as the experiment progressed, after approximately 2,400 seconds, an increase in potential was observed at approximately 1.75V.
Después de un período de grabado durante más de 10 minutos, se observó que la superficie de las piezas de prueba de ABS estaba completamente humedecida y podía soportar una película de agua ininterrumpida tras el enjuague. Después de un período de 20 o 30 minutos, los paneles se grabaron de forma notable.After an engraving period for more than 10 minutes, it was observed that the surface of the ABS test pieces was completely wetted and could withstand a film of uninterrupted water after rinsing. After a period of 20 or 30 minutes, the panels were recorded remarkably.
Ejemplo comparativo 2:Comparative example 2:
Se sumergió un electrodo que comprendía grafito y que tenía un área de superficie nominal medida de 1 dm2 en 500 ml de una solución que contenía 0,08 M de sulfato de manganeso en12,5 M de ácido sulfúrico a una temperatura de 65 °C. El cátodo en esta célula era una pieza de plomo que tenía un área de superficie nominal medida de 0,1 dm2. Se aplicó una corriente de 0,25 amperios a la célula, lo que dio una densidad de corriente nominal del ánodo de 0,25 A/dm2 y una densidad de corriente nominal del cátodo de 2,5 A/dm2.An electrode comprising graphite was immersed and had a nominal surface area measured of 1 dm2 in 500 ml of a solution containing 0.08 M of manganese sulfate in 12.5 M sulfuric acid at a temperature of 65 ° C. The cathode in this cell was a piece of lead having a nominal surface area measured of 0.1 dm2. A current of 0.25 amperes was applied to the cell, which gave a nominal current density of the anode of 0.25 A / dm 2 and a rated current density of the cathode of 2.5 A / dm 2.
Se observó que el ánodo de grafito se desintegró y degradó rápidamente en menos de 1 hora de electrolisis. Además, no se observó oxidación de iones de manganeso (II) a manganeso (III).It was observed that the graphite anode disintegrated and degraded rapidly in less than 1 hour of electrolysis. In addition, oxidation of manganese (II) to manganese (III) ions was not observed.
Ejemplo comparativo 3:Comparative example 3:
Un electrodo que comprendía un recubrimiento de sustrato de titanio con un recubrimiento mixto de óxido de tantalio/iridio (50 % de óxido de tantalio, 50 % de óxido de iridio) y que tenía un área de superficie nominal medida de 1 dm2 se sumergió en 500 ml de una solución que contenía 0,08 M de sulfato de manganeso en 12,5 M de ácido sulfúrico a una temperatura de 65 °C. El cátodo en esta célula era una pieza de plomo que tenía un área de superficie nominal medida de 0,1 dm2. Se aplicó una corriente de 0,25 amperios a la célula, lo que dio una densidad de corriente nominal del ánodo de 0,25 A/dm2 y una densidad de corriente nominal del cátodo de 2,5 A/dm2.An electrode comprising a titanium substrate coating with a mixed coating of tantalum / iridium oxide (50% tantalum oxide, 50% iridium oxide) and having a nominal surface area measured of 1 dm2 was immersed in 500 ml of a solution containing 0.08 M of manganese sulphate in 12.5 M sulfuric acid at a temperature of 65 ° C. The cathode in this cell was a piece of lead having a nominal surface area measured of 0.1 dm2. A current of 0.25 amperes was applied to the cell, which gave a nominal current density of the anode of 0.25 A / dm 2 and a rated current density of the cathode of 2.5 A / dm 2.
Se observó que el manganeso (III) se formó rápidamente en la solución y la solución resultante era capaz de grabar el plástico ABS y producir una buena adherencia en el posterior electrometalizado del plástico tratado. Sin embargo, después de un período de dos semanas de funcionamiento (electrolizando la solución durante 8 horas/día), se observó que el recubrimiento se estaba levantando del sustrato de titanio y que el sustrato de titanio se estaba disolviendo en la solución.It was observed that the manganese (III) formed rapidly in the solution and the resulting solution was able to etch the ABS plastic and produce good adhesion in the electrometalized back of the treated plastic. However, after a period of two weeks of operation (electrolyzing the solution for 8 hours / day), it was observed that the coating was rising from the titanium substrate and that the titanium substrate was dissolving in the solution.
Ejemplo comparativo 4:Comparative example 4:
Se sumergió un electrodo que comprendía un sustrato de titanio recubierto con platino y que tenía un área de superficie nominal medida de 1 dm2 en 500 ml de una solución que contenía 0,08 M de sulfato de manganeso en 12,5 M de ácido sulfúrico a una temperatura de 65 °C. El cátodo en esta célula era una pieza de plomo que tenía un área de superficie nominal medida de 0,1 dm2. Se aplicó una corriente de 0,25 amperios a la célula, lo que dio una densidad de corriente nominal del ánodo de 0,25 A/dm2 y una densidad de corriente nominal del cátodo de 2,5 A/dm2.An electrode comprising a titanium substrate coated with platinum and having a nominal surface area measured of 1 dm2 in 500 ml of a solution containing 0.08 M of manganese sulfate in 12.5 M sulfuric acid was immersed. a temperature of 65 ° C. The cathode in this cell was a piece of lead having a nominal surface area measured of 0.1 dm2. A current of 0.25 amperes was applied to the cell, which gave a nominal current density of the anode of 0.25 A / dm 2 and a rated current density of the cathode of 2.5 A / dm 2.
Se observó que el manganeso (III) se formó rápidamente en la solución y la solución resultante era capaz de grabar el plástico a Bs y producir una buena adherencia en el posterior electrometalizado del plástico tratado. Sin embargo, después de un período de dos semanas de funcionamiento (electrolizando la solución durante 8 horas/día), se observó que el recubrimiento se estaba levantando del sustrato de titanio y que el sustrato de titanio se estaba disolviendo en la solución.It was observed that manganese (III) formed rapidly in the solution and the resulting solution was able to etch the plastic to Bs and produce good adhesion in the electrometalized back of the treated plastic. However, after a period of two weeks of operation (electrolyzing the solution for 8 hours / day), it was observed that the coating was rising from the titanium substrate and that the titanium substrate was dissolving in the solution.
Ejemplo 4:Example 4:
Se sumergió un electrodo que comprendía carbono vítreo y que tenía un área de superficie nominal medida de 0,125 dm2 en 100 ml de una solución que contenía 0,08 M de sulfato de manganeso en 12,5 M de ácido sulfúrico a una temperatura de 65 °C. El cátodo en esta célula era un trozo de alambre de platino que tenía un área de superficie nominal medida de 0,0125 dm2. Se aplicó una corriente de 0,031 amperios a la célula, lo que dio una densidad de corriente nominal del ánodo de 0,25 A/dm2 y una densidad de corriente nominal del cátodo de 2,5 A/dm2.An electrode comprising vitreous carbon and having a nominal surface area measured of 0.125 dm2 in 100 ml of a solution containing 0.08 M of manganese sulfate in 12.5 M sulfuric acid at a temperature of 65 ° was immersed. C. The cathode in this cell was a piece of platinum wire having a nominal surface area measured of 0.0125 dm2. A current of 0.031 amperes was applied to the cell, which gave a nominal current density of the anode of 0.25 A / dm 2 and a rated current density of the cathode of 2.5 A / dm 2.
Se observó que el manganeso (III) se formó rápidamente en la solución y la solución resultante era capaz de grabar el plástico a Bs y producir una buena adherencia en el posterior electrometalizado del plástico tratado. El electrodo no se vio afectado por períodos de electrólisis extendida.It was observed that manganese (III) formed rapidly in the solution and the resulting solution was able to etch the plastic to Bs and produce good adhesion in the electrometalized back of the treated plastic. The electrode it was not affected by periods of extended electrolysis.
Ejemplo 5:Example 5:
Se montó un electrodo que comprendía un trozo de fibra de carbono tejida (Panex 3550K Tow con tamaño de epoxi al 1,5 %, comercializada por Zoltek Corporation) en un marco de plástico construido con polivinilidenofluoruro (PVDF). El electrodo, que tenía un área nominal medida de 1 dm2, se sumergió en 500 ml de una solución que contenía 0,08 M de sulfato de manganeso en 12,5 M de ácido sulfúrico a una temperatura de 65 °C. El cátodo en esta célula era una pieza de plomo que tenía un área de superficie nominal medida de 0,1 dm2. Se aplicó una corriente de 0,25 amperios a la célula, lo que dio una densidad de corriente nominal del ánodo de 0,25 A/dm2 y una densidad de corriente nominal del cátodo de 2,5 A/dm2.An electrode comprising a piece of woven carbon fiber (Panex 3550K Tow with 1.5% epoxy size, marketed by Zoltek Corporation) was mounted on a plastic frame constructed of polyvinylidene fluoride (PVDF). The electrode, which had a measured nominal area of 1 dm2, was immersed in 500 ml of a solution containing 0.08 M manganese sulfate in 12.5 M sulfuric acid at a temperature of 65 ° C. The cathode in this cell was a piece of lead having a nominal surface area measured of 0.1 dm2. A current of 0.25 amperes was applied to the cell, which gave a nominal current density of the anode of 0.25 A / dm 2 and a rated current density of the cathode of 2.5 A / dm 2.
Se observó que el manganeso (III) se formó rápidamente en la solución y la solución resultante era capaz de grabar el plástico ABS y producir una buena adherencia en el posterior electrometalizado del plástico tratado. El electrodo no se vio afectado por períodos de electrolisis extendida. La electrolisis se llevó a cabo durante dos semanas utilizando este electrodo y no se pudo detectar una degradación observable. El bajo coste y la disponibilidad inmediata de este material lo hacen adecuado para muchas aplicaciones comerciales.It was observed that the manganese (III) formed rapidly in the solution and the resulting solution was able to etch the ABS plastic and produce good adhesion in the electrometalized back of the treated plastic. The electrode was not affected by periods of extended electrolysis. The electrolysis was carried out for two weeks using this electrode and an observable degradation could not be detected. The low cost and immediate availability of this material make it suitable for many commercial applications.
Los resultados de estos experimentos demuestran que los iones de manganeso (III) pueden generarse por electrosíntesis usando iones de manganeso (II) en ácido sulfúrico a una concentración relativamente alta y funcionando a bajas densidades de corriente usando un ánodo de platino o de titanio platinizaado y que además se pueden realizar mejoras en el procedimiento usando un ánodo de fibra de carbono o carbono vítreo. The results of these experiments demonstrate that manganese (III) ions can be generated by electrosynthesis using manganese (II) ions in sulfuric acid at a relatively high concentration and operating at low current densities using a platinum or titanium anode platinized and that further improvements can be made in the process using a carbon fiber or glassy carbon anode.
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