《鋁的陽極氧化和電解著色》實驗講義

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1、實驗二鋁的陽極氧化和電解著色一、內(nèi)容提要采用直流陽極氧化技術(shù)在鋁表面生成陽極氧化膜，并對其進行染色或電解著色處理。二、目的要求通過實驗掌握鋁的硫酸陽極氧化基本原理，并了解鋁的裝飾性陽極氧化及染色和電解著色的一般工藝過程。三、實驗關(guān)鍵1.掌握鋁的硫酸陽極氧化技術(shù)和鋁陽極氧化過程中氧化膜的生長規(guī)律。2.掌握鋁陽極氧化膜的染色或電解著色原理。四、實驗原理鋁及其合金在大氣中其表面會自然形成一層厚度為40~50A薄的氧化膜。后者雖然能使金屬稍微有些鈍化，但由于它太薄，孔隙率大，機械強度低，不能有效地防止金屬腐蝕。用電化學(xué)方法即陽極氧化處理后，可以在其表面上獲得厚達幾十到幾百微米的氧化膜。

2、后者的耐蝕能力很好。硫酸陽極氧化法所得的氧化膜厚度在5-20微米之間，硬度較高，孔隙率大，吸附性強，容易染色和封閉。而且具有操作簡便、穩(wěn)定、成本低等特點，故應(yīng)用最為廣泛。當(dāng)把零件掛在陽極上，陰極用鉛棒，通入電流后，發(fā)生如下反應(yīng)陰極上2H++2e→H2↑陽極上Al-3e→Al3+6OH-→3H2O+3O2-2Al3++3O2-→Al2O3+399(卡)硫酸還可以與Al、Al2O3發(fā)生反應(yīng)2Al+2H2SO4→Al2(SO4)3+3H2↑Al2O3+H2SO4→AL2(SO4)3+3H3O鋁陽極氧化膜的生長是在“生長”和“溶解”這對矛盾中發(fā)生和發(fā)展的。通電后的最初數(shù)秒鐘首先生成無孔

3、的致密層(叫無孔層，或阻擋層)，它雖只有0.01~0.015mm，可是具有很高的絕緣性。硫酸對膜產(chǎn)生腐蝕溶解。由于溶解的不均勻性，薄的地方(孔穴)電阻小，離子可通過，反應(yīng)繼續(xù)進行，氧化膜生長，又伴隨著氧化膜溶解。循環(huán)往復(fù)?？刂埔欢ǖ墓に嚄l件特別是硫酸濃度和溫度可使膜的生長占主導(dǎo)地位。必須注意，氧化膜的生成和成長過程是由于氧離子穿過無孔層與鋁離子結(jié)合成氧化膜的，與電鍍過程恰恰相反，電極反應(yīng)是在氧化膜與金屬鋁的交界處進行，膜向內(nèi)側(cè)面生長。鋁陽極氧化膜的生長和溶解規(guī)律可用其電壓－時間曲線來說明。見圖一、圖二。A區(qū)：在最初10秒鐘內(nèi)曲線直線上升，電壓激劇增高，說明生成了無孔層電阻增大，

4、這時成膜占主導(dǎo)，阻礙了反應(yīng)繼續(xù)進行。當(dāng)外電壓高時，[O2-]能穿過薄的地方繼續(xù)反應(yīng)。故無孔層的厚度取決于電壓，即電壓高時，無孔層相應(yīng)增厚，反之亦然。B區(qū)：陽極電位達到最高值開始下降，說明無孔層達到極限(一定電壓下)，由于硫酸腐蝕溶解造成孔穴，電阻下降，電壓降低。圖1.氧化膜生長階段示意圖1―鋁；2―無孔層；3―多孔層。圖2.時間―電壓曲線C區(qū)：20秒鐘后，電壓穩(wěn)定，這時膜在不斷增厚(多孔層)，無孔層則生長和溶解達到動態(tài)平衡，溶解和生成在孔穴底部進行，時間延長孔穴變成孔隙，遂形成一定厚度的氧化膜。硫酸氧化膜，多孔隙，有很強的化學(xué)活性，利用這一特點，人們在鋁陽極氧化膜上進行染色或電

5、解著色，達到耐蝕和裝飾雙重目的。有機染色是將氧化制品放入有機染色槽中，利用氧化膜的化學(xué)和物理吸附作用，將染料分子吸附于氧化膜微孔中而成色。有機染色色種多，艷麗是其優(yōu)點，但耐磨，耐曬，耐光性能差，只適合于室內(nèi)裝飾和日用五金制品之裝飾。電解著色是將氧化制品浸入含有金屬鹽的水溶液中，通入低壓交流電，由于氧化膜的阻擋層具有整流作用，金屬離子在鋁陰極的阻擋層上還原成金屬膠態(tài)粒子，由于金屬鹽種類不同，或由于金屬沉積量不同，膠態(tài)粒子大小和粒度分布不同，對光波產(chǎn)生選擇性吸收和散射作用而顯示出不同顏色。電解著色膜耐曬、耐熱、耐光、耐磨性好、耐蝕性高，廣泛用作建筑鋁材，交通車輛等室內(nèi)防護一裝飾。鋁

6、陽極氧化膜無論著色與否，用于何場合，都必須進行封孔處理，以達到防蝕，抗沾污等目的。常用的封孔法有沸水法和常溫法兩類。沸水法是將鋁制品浸入純水中煮沸約30分鐘，氧化膜與水反應(yīng)生成Al2O3×H2O，體積膨脹而將孔封閉。當(dāng)水溫低于30oC時，可能生成Al2O3×3H2O，這是不穩(wěn)定的，可塑性的水化物，耐蝕性差，所以沸水法一定要在95~100oC下進行。為節(jié)省能源，提高封閉質(zhì)量和速度，八十年代研制出常溫快速封閉劑，它是利用金屬的水能作用，氧化膜的水化作用以及形成表面絡(luò)合物等三種作用的綜合，可在常溫下迅速達到封之目的，其速度可提高1～倍。質(zhì)量亦明顯提高，我校研制的GKG－F封閉劑已在國

7、內(nèi)普及應(yīng)用。五、儀器與裝置圖3.鋁陽極氧化裝置和線路圖4.電解著色裝置圖六、實驗步驟1.純鋁片經(jīng)過化學(xué)除油―熱水洗―冷水洗―化學(xué)拋光―熱水洗―冷水洗―存放于盛蒸餾水的容器中?；瘜W(xué)除油配方：Na2CO310~20g/LNa3PO410~20g/LNa2SiO310~20g/LOP-10乳化劑1~3g/L溫度60~30oC時間5~10分鐘化學(xué)拋光液：H3PO4(d=1.70)300ml溫度90~110oCH2SO4(d=1.34)120ml時間20~30秒HNO3(d=1.46)80ml/L2.