鋁的陽極氧化實驗報告.doc

鋁的陽極氧化及表面著色甘油添加劑對氧化膜性能的影響摘要：本實驗探討了在鋁的陽極氧化實驗中，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時著色效果最好等的結(jié)論。關鍵詞：鋁的陽極氧化 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研究進展 近十年來，我國的鋁氧化著色工藝技術發(fā)展較快，很多工廠已采用了新的工藝技術，并且在實際生產(chǎn)中積累了豐富的經(jīng)驗。已經(jīng)成熟和正在發(fā)展的鋁及其合金陽極氧化工藝方法很多，可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要，從中選取合適的工藝。近幾年來，國外在鋁材表面處理方面發(fā)展得很快，原來的一些費人力、費電力和資源的老工藝已得到改革，一些新工藝、新技術已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)。 國內(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)國防色氧化；(五)多色氧化；(六)大理石花紋染色工藝；(七)化學蝕刻氧化；(八) 常溫快速陽極氧化；(九)化學氧化法(又稱導電氧化膜) ； 國外的新工藝有：(一)高速陽極氧化法；(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，是會直接影響到鋁制品陽極氧化后的質(zhì)量的。 鋁的陽極氧化，是指在一定的電解液中，以鋁為陽極進行電解，從而使其表面形成氧化物薄膜的過程。通過鋁陽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、吸附能力強等特點。它被廣泛應用于建筑、航空、軍事等領域。隨著工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的陽極氧化法已不能滿足人們的需要，因此改善陽極氧化鋁膜的性能成為當今研究領域的一個焦點，添加劑法是其中最簡單易行的方法。本文探討了甘油添加劑對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)種類以及添加劑等因素對氧化鋁多孔膜的形成過程有顯著影響。王為，朱靜1等人對甘油添加劑對鋁在草酸溶液中的陽極氧化過程的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)在電解液中加入甘油作為添加劑,不但可以增加陽極氧化形成的多孔膜的厚度 ,而且有利于增強氧化膜的韌性。采用高純鋁作陽極 ,鉑網(wǎng)作為陰極 ,在草酸溶液中進行恒壓陽極氧化。研究了在3 %(質(zhì)量分數(shù)) 草酸溶液中,添加甘油對氧化鋁多孔膜形成過程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn) ,添加甘油并不會改變氧化鋁多孔膜的形成過程 ,也不會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極氧化時多孔氧化鋁膜的生長速度以及氧化鋁阻擋層的形成速度 ,同時增加了納米孔阻擋層的厚度 ,因此增加阻擋層的形成時間。在陽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 實驗部分 2.1 實驗原理 2.1.1 陽極氧化原理： 防止金屬腐蝕的方法之一是在金屬表面形成氧化膜保護層。利用電化學方法，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，可以用有機染料或電解法進行著色處理，封密后色澤穩(wěn)定，使鋁材的應用更加廣泛。這種使鋁的表面氧化的電化學工藝稱為鋁的陽極氧化。 若以Al為陽極， Pb為陰極， H2SO4溶液為電解質(zhì)，電解時的電極反應為： 陰極：6H+ 6e- = 3H2 陽極：2Al 6e = 2Al3+ 2A13 6H2O = 2Al(OH)3 6H 2Al(OH)3 A12O3 3H2O 同時，由于陽極反應生成的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，這就要求通過控制一定的氧化條件來實現(xiàn)。 鋁的陽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，以保證電流的通過及將來著色。 影響氧化膜形成的因素有： 電解液的濃度； 陽極電流密度； 電解槽溫度； 氧化時間； 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對氧化膜的性質(zhì)、外觀等產(chǎn)生影響。本實驗根據(jù)實驗室條件和課時安排，選取條件進行氧化膜質(zhì)量的探討。并從絕緣性能、耐腐蝕性試驗、測定氧化膜厚度幾方面粗略地檢驗氧化膜的性能。 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行著色處理。 著色原理：有機染料的著色機理比較復雜，一般認為：有機染料只是物理吸附在氧化鋁膜的表面； 有機染料分子與氧化鋁發(fā)生化學反應，這種反應可以是氧化膜與染料分子上的磺基形成共價鍵；與酚基形成氫鍵；與染料分子形成絡合物等。 影響著色的因素： 氧化膜質(zhì)量好壞； 著色液的種類、濃度及處理條件。 著色方案有： 有機染料著色；電解同時進行著色 2.1.3 封閉的原理 氧化膜的表面是多孔的（約為7-9 億個/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，如不及時處理，也可能吸附雜質(zhì)而被污染，所以要及時進行填充處理，從而提高多孔膜的強度等性能。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物（油、合成樹脂）等。眾多方法中應用最廣的是沸水法。 沸水法是將鋁片放入沸水中煮，其原理是利用無水三氧化鋁發(fā)生水化作用。 沸水封閉時，水的pH 應控制在4.5-6.5 之間，時間一般為10min ，煮沸后取出，放入無水酒精中數(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，水的pH要控制好，pH值太高會造成“堿蝕”。煮沸用水為去離子水，時間一般為10min ，煮沸后取出，放入無水酒精中數(shù)秒后再晾干。 2.2 實驗方案設計 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 ，通電時間：20min)的前提下，探討陽極氧化時添加劑的影響，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 給出每個條件下得到的氧化膜性能的評價手段。 2.2.3 所需儀器藥品 實驗儀器： 電解槽；恒溫水槽； WLS 穩(wěn)流電源；分析天平； 其它：燒杯；鑷子；萬用電表；電爐；電吹風等。 試劑及電極： 電極：鋁片；鉛片； 鋁表面預處理試劑：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)量分數(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 實驗步驟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（進入電解液的面積）為1.0cm x 3.0cm 的小片,有效面積（進入電解液的面積）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： 陽極氧化實驗結(jié)束后，得到的氧化鋁膜要分成3片，做三項表征： 有機染料浸漬著色：將氧化后的鋁片經(jīng)自來水、蒸餾水沖洗干凈，放入翠綠著色液中著色30分鐘（注意無需對著色液進行任何調(diào)整）。著色后將表面染料沖洗，放入沸水中封閉10 分鐘。 絕緣性實驗：將氧化后的鋁片經(jīng)自來水、蒸餾水沖洗干凈后放入沸水中煮，水的pH值應控制在4.5-6.5之間，時間為10min，煮沸后取出，放入無水酒精中數(shù)秒后再晾干。用萬用電表測定水封后的鋁片表面兩點間電阻的差別來比較。 膜厚度測定： a 氧化后的鋁片洗凈吹干后置于分析天平上稱重；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，浸入無水乙醇中，再取出晾干；d 再用天平稱出退膜后鋁片的質(zhì)量ms; e 根據(jù)公式=(mi-ms)104/(A) ，計算膜厚值。 3 結(jié)果與討論 3.1 實驗結(jié)果 表一：實驗現(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 實驗現(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，當添加劑的濃度為5mL/L時，氧化膜的著色效果最好，此時的鋁片呈均勻、光亮的翠綠色；但當添加劑的濃度提高到10mL/L時，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，延長了膜的使用壽命。 甘油添加劑對膜的絕緣性影響不大，無論是否添加了甘油，膜都有很好的絕緣性。另外，實驗中還發(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。當添加劑濃度較高時，所得氧化膜的孔隙率大，膜層光滑均勻，但氧化膜的生長速度要比低濃度添加劑時慢得多，這是因為在較濃添加劑時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。實驗表明甘油添加劑的含量直接影響氧化膜的生長速度和氧化膜的其他性能，當其濃度過高時，膜層會明顯變得疏松，氧化膜的溶解速度會加快，膜層的絕緣性以及其他性能也會降低。 本實驗所用甘油添加劑的濃度總體來說還是比較小的，所以沒有出現(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，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氧化膜的厚度的影響不是很大，但當其濃度超過5mL/L時,膜層的著色效果會明顯變差。 3. 甘油添加劑的濃度對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 1 王為，朱靜，鞏運蘭，王媛媛.甘油對陽極氧化鋁納米孔形成過程的影響J.材料保護,2005,38(1):20-232 何廣平，南俊民，孫艷輝等，鋁的陽極氧化及表面著色.物理化學實驗M.化學工業(yè)出版社.3 楊哲龍，方海濤，安茂忠等.鋁