鋁的陽(yáng)極氧化和著色

鋁的陽(yáng)極氧化和著色著色染料溫度和種類的影響摘要：本實(shí)驗(yàn)中主要介紹了在固定鋁的陽(yáng)極氧化的其他最佳工藝條件下，探討在對(duì)氧化膜進(jìn)行有機(jī)著色時(shí)著色染料溫度和種類的影響。關(guān)鍵詞：鋁陽(yáng)極氧化氧化膜染料Abstract：Thisexperimentexploresthetemperatureandkindofdyeonthepropertiesofoxidefilminafixedoptimumconditionoftheanodizedaluminum.Keywords：AluminumAnodizingOxidefilmDye研究進(jìn)展鋁由于其比重小，加工性能好，導(dǎo)電、熱性能優(yōu)良，塑性好，抗大氣腐蝕能力強(qiáng)，易于成形，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)在輕工，建材，航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。鋁在空氣中可自然形成一層氧化膜，起到一定的防護(hù)作用，但這種在空氣中自然形成的膜性能并不足以真正地保護(hù)鋁基體。因而人們研究了各類方法以制得性能優(yōu)良的氧化膜，陽(yáng)極氧化法是其中最為常用的一種。陽(yáng)極氧化膜不僅具有良好的力學(xué)性能、很高的耐蝕性，同時(shí)還具有較強(qiáng)的吸附性，可對(duì)其進(jìn)行著色處理獲得誘人的裝飾外觀。鋁陽(yáng)極氧化的方法可以根據(jù)是電解液的不同分為硫酸法、草酸法、鉻酸法、磷酸法、有機(jī)酸法和混合酸法等。陽(yáng)極氧化使用的電源從開始時(shí)的直流電，發(fā)展到交流電、交直流疊加、方波脈沖電源等。用硫酸配電解液直流電進(jìn)行陽(yáng)極氧化，是最為經(jīng)典的方法，此法具有工藝簡(jiǎn)單、溶液穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便和成本低等優(yōu)點(diǎn)。硫酸具有強(qiáng)導(dǎo)電性，所以氧化時(shí)所需的電壓低，而且它對(duì)新生成的氧化膜有較強(qiáng)的溶解作用，不宜長(zhǎng)時(shí)間通電，通電10-15min即可獲得厚度為5-20“m的氧化膜，膜的硬度高、孔隙多、吸附力強(qiáng)、易著色，將孔隙封閉后有較高的抗蝕能力。用硫酸配電解液直流電進(jìn)行陽(yáng)極氧化時(shí)，鋁的陽(yáng)極氧化膜性能受到諸多因素的影響，主要包括電流密度、硫酸濃度、氧化時(shí)間、添加劑等。鋁在陽(yáng)極氧化時(shí)，電流密度對(duì)氧化膜的生長(zhǎng)關(guān)系很大：在相同條件下，一定范圍內(nèi)提高電流密度，有利于氧化膜的生長(zhǎng)，其膜厚隨電流密度的增大而增大；提高電流密度有利于氧化膜的生長(zhǎng)，但電流密度增大的同時(shí)，電流效率下降，微孔內(nèi)的熱效應(yīng)加大，促使膜的孔隙率也增大，導(dǎo)致氧化膜的硬度和比耐蝕性下降。在工業(yè)生產(chǎn)上，鋁的陽(yáng)極氧化通常采用的電流密度為1.5-2.0A/dm2。實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)原理鋁的陽(yáng)極氧化鋁制品作陽(yáng)極，以硫酸等酸為電解液進(jìn)行陽(yáng)極氧化，形成較厚的AlO氧化23膜：陰極：2H++2e-~Ht2陽(yáng)極：Al+3e-fAh+Al3++3H0—Al(0H)+3H+23Al(OH)—AlO+3HO3 23 2由于酸的作用，生成的氧化膜的最弱點(diǎn)會(huì)發(fā)生局部溶解(AlO+6H+=2Al3+23+3H0),出現(xiàn)的孔隙使得鋁與電解液接觸，又重新氧化生成氧化膜。隨著氧化2時(shí)間的延長(zhǎng)，膜不斷溶解與修補(bǔ)，氧化反應(yīng)不斷縱深發(fā)展，從而使制品表面生成薄而致密的內(nèi)層和厚而多孔的外層所組成的氧化膜。要使AlO氧化膜順利形成,23必須使電極上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶解的速率，因此在鋁的陽(yáng)極氧化過(guò)程中，要控制好氧化條件。鋁氧化膜的著色由于氧化膜表面是由多孔層構(gòu)成且比表面積大，具有很高的化學(xué)活性，因而可以對(duì)氧化膜進(jìn)行表面著色。浸漬著色(翠綠著色)氧化膜對(duì)翠綠色有機(jī)著色液的物理吸附和化學(xué)吸附，其化學(xué)吸附是指氧化鋁與有機(jī)著色液官能團(tuán)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。電解著色(CuSO電解液)4以已經(jīng)陽(yáng)極氧化好的鋁片為陰極，鉛網(wǎng)為陽(yáng)極，電解CuSO溶液：4陰極：Cu2++2e－—Cu陽(yáng)極：HO－2e－—1/2O+2H+22已經(jīng)氧化好的鋁片作為陰極，電解時(shí)生成致密均勻的Cu附著在其表面，形成紫紅色銅膜。2.1.3氧化膜的封閉處理氧化膜的表面多孔，在這些孔隙中可以吸附染料也可以吸附結(jié)晶水?？梢杂梅兴▽⒅玫匿X片進(jìn)行封閉處理，其原理是利用無(wú)水AlO發(fā)生水化作用：23AlO+HO=AlO?H023 2 23 2AlO+3HO=AlO?3HO23 2 23 2由于氧化膜表面和孔壁的AlO水化結(jié)果，使氧化物體積增大，將孔隙封閉。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)探討因素固定電解液的硫酸濃度為20%、電流密度為15mA/cm2、通電時(shí)間為15min、室溫條件、無(wú)添加劑的情況下，探討著色染料溫度和種類的影響。染料溫度分別為常溫、50°C、100°C；染料種類為翠綠色、酸性大紅。表征手段絕緣性：萬(wàn)用電表測(cè)氧化膜的電阻，通常都很大，測(cè)不出具體值。耐腐蝕性檢測(cè):在氧化后的膜表面滴加1-2滴耐腐蝕液，觀察并記錄冒氣泡的時(shí)間和溶液變綠色的時(shí)間。如果大于30min無(wú)現(xiàn)象，說(shuō)明膜很致密，可不再跟蹤時(shí)間。膜厚度測(cè)定：溶膜液溶解10min，溶膜液溫度控制在60C左右。通過(guò)溶解前后的質(zhì)量變化計(jì)算膜厚度。測(cè)定公式為：(m-m)X104is6二 PA式中，6為膜的厚度，卩m；m為成膜后鋁片的質(zhì)量，g；m為退膜后鋁片的is質(zhì)量，g;P為氧化膜的密度，2.7g/cm3；A為膜表面積，cm2。著色表征。所需儀器藥品電極與試劑電極：鋁片(1cmX2cm,9片)，鉛網(wǎng)；鋁片表面預(yù)處理試劑：氫氧化鈉溶液(3mol/L)，硝酸溶液(2mol/L)；電解液：硫酸溶液；著色試劑：翠綠著色液，酸性大紅；溶膜液；重鉻酸鉀的鹽酸溶液。儀器電解槽；WLS穩(wěn)流電源；分析天平；鑷子；電爐；電吹風(fēng)等。實(shí)驗(yàn)步驟2.3.1鋁片的預(yù)處理鋁片的裁剪：剪下3組(3片/組)共9片1cmX2cm的鋁片；

2cm2cm鋁片的清洗：堿洗：3mol/L的氫氧化鈉溶液浸洗15s；酸洗：2mol/L的硝酸溶液浸洗1min；水洗：去離子水清洗，洗后將鋁片保存在去離子水中。2.3.2鋁片的陽(yáng)極氧化以20%的硫酸為電解液、電流密度為15mA/cm2、室溫條件、無(wú)添加劑的情況下，將3片為一組的鋁片為陽(yáng)極(只將有效面積內(nèi)的鋁片浸入電解液)，鉛網(wǎng)為陰極，調(diào)節(jié)WLS穩(wěn)流電源上的電流為0.06A(即電流密度為15mA/cm2),電解15min。平行反應(yīng)三組。注意：每組鋁片進(jìn)行陽(yáng)極氧化的前五分鐘，電流密度控制在5mA/cm2以下。2.3.3鋁片的著色各取一片陽(yáng)極氧化完畢的鋁片，經(jīng)自來(lái)水、去離子水沖洗干凈后，分別放入翠綠著色液、酸性大紅中著色10min；各取一片陽(yáng)極氧化完畢的鋁片，經(jīng)自來(lái)水、去離子水沖洗干凈后，分別放入室溫的翠綠著色液、50°C的翠綠著色液、100°C的翠綠著色液中著色10min。將著色后的鋁片表面染料沖洗干凈，放入沸水中進(jìn)行封閉處理10min。2.3.4鋁片的絕緣性實(shí)驗(yàn)取一片陽(yáng)極氧化完畢的鋁片，用萬(wàn)用電表測(cè)氧化膜的電阻。2.3.5鋁片的耐腐蝕實(shí)驗(yàn)取一片陽(yáng)極氧化完畢的鋁片，在氧化后的膜表面滴加1滴重鉻酸鉀的鹽酸溶液，觀察并記錄冒氣泡的時(shí)間和溶液變綠色的時(shí)間。2.3.6鋁片的膜厚測(cè)定取一片陽(yáng)極氧化完畢的鋁片，洗凈后吹干，用分析天平稱重并記錄m；i溶膜處理：將鋁片浸于60度左右的溶膜液(磷酸和cro組成)中煮310min；取出鋁片用水沖洗、吹干后用天平稱出退膜后鋁片的質(zhì)量ms；計(jì)算鋁片的膜厚5值。結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果（包括數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)象描述）3.1.1鋁片的翠綠著色（染料溫度改變）著色后觀察到鋁片表面變?yōu)榫鶆虻拇渚G色，染料溫度為室溫、50°C、100°C的鋁片顏色依次變淡；進(jìn)行封閉處理后，鋁片顏色都稍微變淡。其中，染料溫度為室溫的鋁片著色效果最佳，50C次之，100C著色效果最差。從左到右依次為染料溫度為室溫、50°C、100°C的鋁片3.1.2鋁片的著色（染料種類改變）著色后觀察到，翠綠染料的著色效果比酸性大紅要好，翠綠染料著色后鋁片呈現(xiàn)均勻的翠綠色，酸性大紅著色后的鋁片紅色很淡，且顏色不均勻。鋁片的絕緣性實(shí)驗(yàn)用萬(wàn)用電表測(cè)鋁片的電阻后，發(fā)現(xiàn)最大量程的20MQ都沒(méi)有讀數(shù)，可見其電阻大于20MQ。鋁片的耐腐蝕實(shí)驗(yàn)在陽(yáng)極氧化后的鋁片上滴加一滴重鉻酸鉀的鹽酸溶液，3min12s后，鋁片上開始有小氣泡產(chǎn)生，接著KCrO溶液有點(diǎn)變綠了。反應(yīng)后的鋁片表面上有兩三個(gè)27小裂痕。3.1.5鋁片的膜厚測(cè)定氧化膜膜厚記錄及計(jì)算（我們將在同一電解條件下得到的兩塊鋁片都進(jìn)行膜厚測(cè)定）m/gim/gsA/cm26/pm10.76580.765440.3720.73940.738241.11計(jì)算公式:(m-m)X104is6= (P=2.7g/cm3A=4cm2)PA討論本實(shí)驗(yàn)采用的化學(xué)著色就是氧化膜吸附著色。色料被吸附在金屬表面的膜孔內(nèi)，所顯示的顏色是色料本身的顏色。著色效果主要取決于膜層質(zhì)量及著色工藝。要求氧化膜必須均勻，有足夠的厚度、足夠的孔隙和吸附能力。在氧化工藝確定的情況下，著色工藝如染料種類、染色液溫度等就是決定性因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以清楚看到在固定的電解條件下，鋁片的著色效果(著翠綠色)隨著染料溫度的升高而變差，至Uioo°c時(shí)基本染不上色。據(jù)查閱文獻(xiàn)，溫度太低，著色速度慢，顏色淺；溫度升高，著色速度加快，顏色深；溫度太高(>4Oc)，著色速度反而降低，顏色淺，均勻性差，甚至著不上色。這是由于氧化膜水瞬作用加快，局部被封閉，膜孔活性降低。翠綠染料的著色效果比酸性大紅要好。原本老師覺得是酸性大紅的PH有問(wèn)題，所以我們測(cè)了一下酸性大紅的PH,符合我們查閱得到的有機(jī)染料著色的工藝規(guī)范。對(duì)比了一下其他組同學(xué)的著色效果，發(fā)現(xiàn)都是翠綠染料的著色效果相對(duì)較好。說(shuō)明著色效果與染料本身性質(zhì)有關(guān)。表有機(jī)染料著色的工藝規(guī)范染料顏色質(zhì)量濃度/(g/L)溫度/°c時(shí)間/minpH值直接耐曬翠綠3-5室溫5-104.5-5酸性大紅6-8室溫2-154.5-5.5另外，我們還將在同一電解條件下得至的兩塊鋁片都進(jìn)行膜厚測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩塊鋁片的氧化膜厚度不同，甚至相差甚遠(yuǎn)。我們認(rèn)為這是因?yàn)殡娊鈺r(shí)鋁片表面并不是很平整，鋁片也可能傾斜了，沒(méi)有與鉛網(wǎng)完全平行所導(dǎo)致的。結(jié)論固定電解液的硫酸濃度為20%、電流密度為15mA/cm2、通電時(shí)間為15min、室溫條件、無(wú)添加劑的情況下，探討著色染料溫度和種類的影響：鋁片的著色效果隨著染料溫度的升高而變差，翠綠染料的著色效果比酸性大紅要好。參考文獻(xiàn)何廣平等.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).化