鋁的陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

鋁的陽(yáng)極氧化及表面著色甘油添加劑對(duì)氧化膜性能的影響摘要：本實(shí)驗(yàn)探討了在鋁的陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)中，不同濃度的甘油添加劑下鋁形成的氧化膜的性能，包括著色、耐腐蝕性、絕緣性以及氧化膜的厚度。得出了隨著甘油添加劑濃度的增大，鋁表面的氧化膜厚度增加以及在添加劑濃度為5mL/L時(shí)著色效果最好等的結(jié)論。關(guān)鍵詞：鋁的陽(yáng)極氧化 氧化膜 甘油添加劑 Abstract：This study investigated the anodic oxidation of aluminum experiments, at different concentrations of glycerol additive of aluminum oxide film formation properties, including color, corrosion resistance, insulation and the thickness of oxide film. Obtained with the concentration of glycerol additive increases, the aluminum surface of the oxide film thickness and concentration of glycerol additive of 5mL/L and so when the conclusions of the best coloring.Keywords : the Anodic of Aluminum; Oxide film; the Glycerol Additive1研究進(jìn)展 近十年來(lái)，我國(guó)的鋁氧化著色工藝技術(shù)發(fā)展較快，很多工廠已采用了新的工藝技術(shù)，并且在實(shí)際生產(chǎn)中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。已經(jīng)成熟和正在發(fā)展的鋁及其合金陽(yáng)極氧化工藝方法很多，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，從中選取合適的工藝。近幾年來(lái)，國(guó)外在鋁材表面處理方面發(fā)展得很快，原來(lái)的一些費(fèi)人力、費(fèi)電力和資源的老工藝已得到改革，一些新工藝、新技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。 國(guó)內(nèi)已發(fā)展的新工藝：(一)草酸-甲酸混合液交流快速氧化；(二)混合酸氧化；(三)瓷質(zhì)氧化；(四)國(guó)防色氧化；(五)多色氧化；(六)大理石花紋染色工藝；(七)化學(xué)蝕刻氧化；(八) 常溫快速陽(yáng)極氧化；(九)化學(xué)氧化法(又稱(chēng)導(dǎo)電氧化膜) ； 國(guó)外的新工藝有：(一)高速陽(yáng)極氧化法；(二)富田式(高速氧化)法；(三)紅寶石膜；(四)淺田法電解著色；(五)自然著色法。另外鋁或鋁合金材質(zhì)情況質(zhì)量的優(yōu)劣、所含成份的不同，是會(huì)直接影響到鋁制品陽(yáng)極氧化后的質(zhì)量的。 鋁的陽(yáng)極氧化，是指在一定的電解液中，以鋁為陽(yáng)極進(jìn)行電解，從而使其表面形成氧化物薄膜的過(guò)程。通過(guò)鋁陽(yáng)極氧化法可以在鋁表面上獲得足夠厚的氧化膜，且膜層具有硬度高、絕緣性好、耐蝕性強(qiáng)、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)。它被廣泛應(yīng)用于建筑、航空、軍事等領(lǐng)域。隨著工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的陽(yáng)極氧化法已不能滿足人們的需要，因此改善陽(yáng)極氧化鋁膜的性能成為當(dāng)今研究領(lǐng)域的一個(gè)焦點(diǎn)，添加劑法是其中最簡(jiǎn)單易行的方法。本文探討了甘油添加劑對(duì)氧化膜的性能的影響，下面就綜述目前甘油添加劑的研究情況。 電解電壓、電解質(zhì)種類(lèi)以及添加劑等因素對(duì)氧化鋁多孔膜的形成過(guò)程有顯著影響。王為，朱靜1等人對(duì)甘油添加劑對(duì)鋁在草酸溶液中的陽(yáng)極氧化過(guò)程的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在電解液中加入甘油作為添加劑,不但可以增加陽(yáng)極氧化形成的多孔膜的厚度 ,而且有利于增強(qiáng)氧化膜的韌性。采用高純鋁作陽(yáng)極 ,鉑網(wǎng)作為陰極 ,在草酸溶液中進(jìn)行恒壓陽(yáng)極氧化。研究了在3 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 草酸溶液中,添加甘油對(duì)氧化鋁多孔膜形成過(guò)程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn) ,添加甘油并不會(huì)改變氧化鋁多孔膜的形成過(guò)程 ,也不會(huì)改變形成氧化鋁多孔A12O3的非晶態(tài)結(jié)構(gòu) ,但甘油的加入將降低陽(yáng)極氧化時(shí)多孔氧化鋁膜的生長(zhǎng)速度以及氧化鋁阻擋層的形成速度 ,同時(shí)增加了納米孔阻擋層的厚度 ,因此增加阻擋層的形成時(shí)間。在陽(yáng)極氧化電解液中加入甘油還有利于減小氧化鋁多孔膜的納米孔孔徑。2 實(shí)驗(yàn)部分 2.1 實(shí)驗(yàn)原理 2.1.1 陽(yáng)極氧化原理： 防止金屬腐蝕的方法之一是在金屬表面形成氧化膜保護(hù)層。利用電化學(xué)方法，可以使鋁或鋁合金表面生成致密的優(yōu)質(zhì)氧化膜，能有效地提高鋁的耐腐蝕性。另外，由亍所形成的氧化膜存在均勻的孔隙，可以用有機(jī)染料或電解法進(jìn)行著色處理，封密后色澤穩(wěn)定，使鋁材的應(yīng)用更加廣泛。這種使鋁的表面氧化的電化學(xué)工藝稱(chēng)為鋁的陽(yáng)極氧化。 若以Al為陽(yáng)極， Pb為陰極， H2SO4溶液為電解質(zhì)，電解時(shí)的電極反應(yīng)為： 陰極：6H+ 6e- = 3H2 陽(yáng)極：2Al 6e = 2Al3+ 2A13 6H2O = 2Al(OH)3 6H 2Al(OH)3 A12O3 3H2O 同時(shí)，由于陽(yáng)極反應(yīng)生成的H和電解質(zhì)H2SO4中H都能使所形成的氧化膜發(fā)生溶解： Al(OH)3 + 6H+ A13 3H2O 因此，要使A12O3氧化膜順利形成并達(dá)到一定厚度，必須使電極上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶解的速率，這就要求通過(guò)控制一定的氧化條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 鋁的陽(yáng)極氧化和著色工藝要求形成的膜既有一定厚度，又要在膜上有均勻的孔隙，以保證電流的通過(guò)及將來(lái)著色。 影響氧化膜形成的因素有： 電解液的濃度； 陽(yáng)極電流密度； 電解槽溫度； 氧化時(shí)間； 添加劑與雜質(zhì)的影響。 另外，攪拌、電流波形等外界條件也會(huì)對(duì)氧化膜的性質(zhì)、外觀等產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件和課時(shí)安排，選取條件進(jìn)行氧化膜質(zhì)量的探討。并從絕緣性能、耐腐蝕性試驗(yàn)、測(cè)定氧化膜厚度幾方面粗略地檢驗(yàn)氧化膜的性能。 2.1.2 著色的原理 氧化膜的表面是多孔的，在這些孔隙中可吸附染料或結(jié)晶水。為了使鋁的表面形成不同的顏色以滿足裝飾要求，可以在氧化膜形成后進(jìn)行著色處理。 著色原理：有機(jī)染料的著色機(jī)理比較復(fù)雜，一般認(rèn)為：有機(jī)染料只是物理吸附在氧化鋁膜的表面； 有機(jī)染料分子與氧化鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)可以是氧化膜與染料分子上的磺基形成共價(jià)鍵；與酚基形成氫鍵；與染料分子形成絡(luò)合物等。 影響著色的因素： 氧化膜質(zhì)量好壞； 著色液的種類(lèi)、濃度及處理?xiàng)l件。 著色方案有： 有機(jī)染料著色；電解同時(shí)進(jìn)行著色 2.1.3 封閉的原理 氧化膜的表面是多孔的（約為7-9 億個(gè)/cm2 ），在這些孔隙中可吸附染料，也可吸附結(jié)晶水。由于吸附性強(qiáng)，如不及時(shí)處理，也可能吸附雜質(zhì)而被污染，所以要及時(shí)進(jìn)行填充處理，從而提高多孔膜的強(qiáng)度等性能。封閉處理的方法很多，如沸水、高壓蒸氣法，浸漬金屬鹽法和填充有機(jī)物（油、合成樹(shù)脂）等。眾多方法中應(yīng)用最廣的是沸水法。 沸水法是將鋁片放入沸水中煮，其原理是利用無(wú)水三氧化鋁發(fā)生水化作用。 沸水封閉時(shí)，水的pH 應(yīng)控制在4.5-6.5 之間，時(shí)間一般為10min ，煮沸后取出，放入無(wú)水酒精中數(shù)秒后晾干。 A12O3 H2O A12O3H2O A12O3 3H2O A12O33H2O 由于氧化膜表面和孔壁A12O3水化的結(jié)果，使氧化物體積增大，將孔隙封閉。 沸水封閉時(shí)，水的pH要控制好，pH值太高會(huì)造成“堿蝕”。煮沸用水為去離子水，時(shí)間一般為10min ，煮沸后取出，放入無(wú)水酒精中數(shù)秒后再晾干。 2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 2.2.1 探討因素 在固定其他因素為最佳條件(電解液濃度：20%，電流密度：15 mA/cm2 ，通電時(shí)間：20min)的前提下，探討陽(yáng)極氧化時(shí)添加劑的影響，以甘油為添加劑:甘油濃度分別控制在0mL/L, 5mL/L，10mL/L。根據(jù)所用硫酸電解液的量計(jì)算出所需添加的甘油的量分別為0mL、1mL、2mL。其他條件取最佳值。 2.2.2 表征手段 給出每個(gè)條件下得到的氧化膜性能的評(píng)價(jià)手段。 2.2.3 所需儀器藥品 實(shí)驗(yàn)儀器： 電解槽；恒溫水槽； WLS 穩(wěn)流電源；分析天平； 其它：燒杯；鑷子；萬(wàn)用電表；電爐；電吹風(fēng)等。 試劑及電極： 電極：鋁片；鉛片； 鋁表面預(yù)處理試劑：去污粉；氫氧化鈉溶液（3mol/L ）；硝酸溶液（2mol/L ）， 電解液：20%的硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。 著色試劑：染料酸性元青、酸性大紅，直接耐曬翠綠，活性艷橙。2.3 實(shí)驗(yàn)步驟2.3.1 前處理：裁剪鋁片，在三片鋁片上分別裁出3小片有效面積（進(jìn)入電解液的面積）為1.0cm x 3.0cm 的小片,有效面積（進(jìn)入電解液的面積）為3cm2左右。雙面清洗，堿洗、酸洗、蒸餾水洗后蒸餾水中保存。 2.3.2 陽(yáng)極氧化：在最佳工藝條件：電解液濃度：20 % ，電流密度：15 mA/cm2 ， 通電時(shí)間：20min（在前5分鐘，電流密度都要控制在5mA/cm2以下），分別在電解液中添加不同濃度的甘油溶液。 2.3.4 后處理： 陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，得到的氧化鋁膜要分成3片，做三項(xiàng)表征： 有機(jī)染料浸漬著色：將氧化后的鋁片經(jīng)自來(lái)水、蒸餾水沖洗干凈，放入翠綠著色液中著色30分鐘（注意無(wú)需對(duì)著色液進(jìn)行任何調(diào)整）。著色后將表面染料沖洗，放入沸水中封閉10 分鐘。 絕緣性實(shí)驗(yàn)：將氧化后的鋁片經(jīng)自來(lái)水、蒸餾水沖洗干凈后放入沸水中煮，水的pH值應(yīng)控制在4.5-6.5之間，時(shí)間為10min，煮沸后取出，放入無(wú)水酒精中數(shù)秒后再晾干。用萬(wàn)用電表測(cè)定水封后的鋁片表面兩點(diǎn)間電阻的差別來(lái)比較。 膜厚度測(cè)定： a 氧化后的鋁片洗凈吹干后置于分析天平上稱(chēng)重；記錄mi；b 將鋁片于60左右的溶膜液（磷酸和CrO3組成）中煮10 min ；c 取出鋁片用水沖洗，浸入無(wú)水乙醇中，再取出晾干；d 再用天平稱(chēng)出退膜后鋁片的質(zhì)量ms; e 根據(jù)公式=(mi-ms)104/(A) ，計(jì)算膜厚值。 3 結(jié)果與討論 3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表一：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄甘油添加劑的濃度 0mL/L 5mL/L 10mL/L 氧化膜銀色光滑銀色光滑銀色光滑著色均勻、翠綠色 均勻、光亮、翠綠色粗糙、翠綠色滴加耐腐蝕液18min左右變色30min內(nèi)不變色30min內(nèi)不變色絕緣性（電阻） 0（超量程） 0（超量程）0（超量程）表二：膜的厚度計(jì)算甘油添加劑濃度溶膜前質(zhì)量/g 溶膜后質(zhì)量/g膜的質(zhì)量/g膜的厚度/m 0mL/L0.3877 0.3784 0.00935.74 5mL/L0.35400.3450 0.00905.5610mL/L0.3725 0.36540.00714.38 3.2 討論 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，適量的甘油添加劑可以改善氧化膜的質(zhì)量。 適量的甘油添加劑可以提高氧化膜的著色效果，當(dāng)添加劑的濃度為5mL/L時(shí)，氧化膜的著色效果最好，此時(shí)的鋁片呈均勻、光亮的翠綠色；但當(dāng)添加劑的濃度提高到10mL/L時(shí)，膜的著色效果反而降低。 在電解液中添加了甘油添加劑后，氧化膜的耐腐蝕性能得到了提高，延長(zhǎng)了膜的使用壽命。 甘油添加劑對(duì)膜的絕緣性影響不大，無(wú)論是否添加了甘油，膜都有很好的絕緣性。另外，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，隨著甘油添加劑濃度的升高，氧化膜的厚度卻有所降低。當(dāng)添加劑濃度較高時(shí)，所得氧化膜的孔隙率大，膜層光滑均勻，但氧化膜的生長(zhǎng)速度要比低濃度添加劑時(shí)慢得多，這是因?yàn)樵谳^濃添加劑時(shí)生成的氧化膜溶解速度大。添加劑的濃度不能太高，否則生成的氧化膜呈粉狀，且疏松易脫落；添加劑的濃度也不能太低，否則工業(yè)生產(chǎn)中氧化處理液使用壽命短，且零件易被燒壞。實(shí)驗(yàn)表明甘油添加劑的含量直接影響氧化膜的生長(zhǎng)速度和氧化膜的其他性能，當(dāng)其濃度過(guò)高時(shí)，膜層會(huì)明顯變得疏松，氧化膜的溶解速度會(huì)加快，膜層的絕緣性以及其他性能也會(huì)降低。 本實(shí)驗(yàn)所用甘油添加劑的濃度總體來(lái)說(shuō)還是比較小的，所以沒(méi)有出現(xiàn)氧化膜疏松的現(xiàn)象，而且濃度的差距不是很大，所以膜的厚度相差也不是很大，比較接近，但不加甘油添加劑時(shí)，膜的厚度最大，為5.74m。4 結(jié)論 1.適量的甘油添加劑能明顯提高氧化膜的性能； 2.甘油添加劑的濃度對(duì)氧化膜的厚度的影響不是很大，但當(dāng)其濃度超過(guò)5mL/L時(shí),膜層的著色效果會(huì)明顯變差。 3. 甘油添加劑的濃度對(duì)氧化膜的絕緣性的影響不是很大，即使不加添加劑，電解得到的氧化膜仍有很好的絕緣性。參考文獻(xiàn) 1 王為，朱靜，鞏運(yùn)蘭，王媛媛.甘油對(duì)陽(yáng)極氧化鋁納米孔形成過(guò)程的影響J.材料保護(hù),2005,38(1):20-232 何廣平，南俊民，孫艷輝等，鋁的陽(yáng)極氧化及表面著色.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)M.化學(xué)工業(yè)出版社.3 楊哲龍，方海濤，安茂忠等.鋁