铝的阳极氧化和着色

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1、1 铝的阳极氧化和着色 着色染料温度和种类的影响 摘 要： 本实验中主要介绍了在固定铝的阳极氧化的其他最佳工艺条件下，探 讨在对氧化膜进行有机着色时着色染料温度和种类的影响。 关键词：铝 阳极氧化 氧化膜 染料 Abstract：This experiment explores the temperature and kind of dye on the properties of oxide film in a fixed optimum condition of the anodized aluminum. Keywords：Aluminum Anodizing Oxide film Dy

2、e 1 研究进展 铝由于其比重小，加工性能好，导电、热性能优良，塑性好，抗大气腐蚀 能力强，易于成形，价格便宜等优点在轻工，建材，航天等领域广泛应用。 铝在空气中可自然形成一层氧化膜，起到一定的防护作用，但这种在空气 中自然形成的膜性能并不足以真正地保护铝基体。因而人们研究了各类方法以 制得性能优良的氧化膜，阳极氧化法是其中最为常用的一种。阳极氧化膜不仅 具有良好的力学性能、很高的耐蚀性，同时还具有较强的吸附性，可对其进行 着色处理获得诱人的装饰外观。 铝阳极氧化的方法可以根据是电解液的不同分为硫酸法、草酸法、铬酸法、 磷酸法、有机酸法和混合酸法等。阳极氧化使用的电源从开始时的直流电，发 展到

3、交流电、交直流叠加、方波脉冲电源等。用硫酸配电解液直流电进行阳极 氧化，是最为经典的方法，此法具有工艺简单、溶液稳定、操作简便和成本低 等优点。硫酸具有强导电性，所以氧化时所需的电压低，而且它对新生成的氧 化膜有较强的溶解作用，不宜长时间通电，通电10-15min即可获得厚度为5- 20m的氧化膜，膜的硬度高、孔隙多、吸附力强、易着色，将孔隙封闭后有 较高的抗蚀能力。 用硫酸配电解液直流电进行阳极氧化时，铝的阳极氧化膜性能受到诸多因 素的影响，主要包括电流密度、硫酸浓度、氧化时间、添加剂等。铝在阳极氧 化时，电流密度对氧化膜的生长关系很大：在相同条件下，一定范围内提高电 流密度，有利于氧化膜的

4、生长，其膜厚随电流密度的增大而增大；提高电流密 度有利于氧化膜的生长，但电流密度增大的同时，电流效率下降，微孔内的热 效应加大，促使膜的孔隙率也增大，导致氧化膜的硬度和比耐蚀性下降。在工 业生产上，铝的阳极氧化通常采用的电流密度为1.5-2.0A/dm 2 。2 2 实验部分 2.1 实验原理 2.1.1铝的阳极氧化 铝制品作阳极，以硫酸等酸为电解液进行阳极氧化，形成较厚的Al 2 O 3 氧化 膜： 阴极：2H 2e H 2 阳极：Al3e Al 3 Al 3 3H 2 OAl(OH) 3 3H Al(OH) 3 Al 2 O 3 3H 2 O 由于酸的作用，生成的氧化膜的最弱点会发生局部溶

5、解 （Al 2 O 3 6H =2Al 3 3H 2 O） ，出现的孔隙使得铝与电解液接触，又重新氧化生 成氧化膜。随着氧化时间的延长，膜不断溶解与修补，氧化反应不断纵深发展， 从而使制品表面生成薄而致密的内层和厚而多孔的外层所组成的氧化膜。要使 Al 2 O 3 氧化膜顺利形成，必须使电极上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶解的速率， 因此在铝的阳极氧化过程中，要控制好氧化条件。 2.1.2铝氧化膜的着色 由于氧化膜表面是由多孔层构成且比表面积大，具有很高的化学活性，因 而可以对氧化膜进行表面着色。 浸渍着色（翠绿着色） 氧化膜对翠绿色有机着色液的物理吸附和化学吸附，其化学吸附是指氧化 铝与有机着

6、色液官能团发生络合反应。 电解着色（CuSO 4 电解液） 以已经阳极氧化好的铝片为阴极，铅网为阳极，电解CuSO 4 溶液： 阴极：Cu 2 2e Cu 阳极：H 2 O2e 1/2O 2 +2H + 已经氧化好的铝片作为阴极，电解时生成致密均匀的Cu附着在其表面，形 成紫红色铜膜。 2.1.3氧化膜的封闭处理 氧化膜的表面多孔，在这些孔隙中可以吸附染料也可以吸附结晶水。可以 用沸水法将着色好的铝片进行封闭处理，其原理是利用无水Al 2 O 3 发生水化作用： Al 2 O 3 H 2 O=Al 2 O 3 H 2 O Al 2 O 3 3H 2 O=Al 2 O 3 3H 2 O 由于氧化

7、膜表面和孔壁的Al 2 O 3 水化结果，使氧化物体积增大，将孔隙封闭。3 2.2 实验方案设计 2.2.1 探讨因素固定电解液的硫酸浓度为20%、电流密度为15mA/cm 2 、通电时间为15min、 室温条件、无添加剂的情况下，探讨着色染料温度和种类的影响。染料温度分 别为常温、50、100；染料种类为翠绿色、酸性大红。 2.2.2 表征手段 绝缘性：万用电表测氧化膜的电阻，通常都很大，测不出具体值。 耐腐蚀性检测:在氧化后的膜表面滴加1-2滴耐腐蚀液，观察并记录冒气 泡的时间和溶液变绿色的时间。如果大于30min无现象，说明膜很致密，可不 再跟踪时间。 膜厚度测定：溶膜液溶解10min，

8、溶膜液温度控制在60左右。通过溶 解前后的质量变化计算膜厚度。测定公式为：（m i -m s ）10 4 =A 式中，为膜的厚度，m；m i 为成膜后铝片的质量，g；m s 为退膜后铝片 的质量，g；为氧化膜的密度，2.7g/cm 3 ；A为膜表面积，cm 2 。 着色表征。 2.2.3 所需仪器药品 （1）电极与试剂 电极：铝片（1cm2cm，9片） ，铅网； 铝片表面预处理试剂：氢氧化钠溶液（3mol/L） ，硝酸溶液（2mol/L） ； 电解液：硫酸溶液； 着色试剂：翠绿着色液，酸性大红； 溶膜液； 重铬酸钾的盐酸溶液。 （2）仪器 电解槽；WLS稳流电源；分析天平；镊子；电炉；电吹风等

9、。 2.3 实验步骤 2.3.1铝片的预处理 （1）铝片的裁剪：剪下3组（3片/组）共9片1cm2cm的铝片；4 1cm 2cm （2）铝片的清洗： 碱洗：3mol/L的氢氧化钠溶液浸洗15s； 酸洗：2mol/L的硝酸溶液浸洗1min； 水洗：去离子水清洗，洗后将铝片保存在去离子水中。 2.3.2铝片的阳极氧化 以20%的硫酸为电解液、电流密度为15mA/cm 2 、室温条件、无添加剂的情 况下，将3片为一组的铝片为阳极（只将有效面积内的铝片浸入电解液） ，铅网 为阴极，调节WLS稳流电源上的电流为0.06A（即电流密度为 15mA/cm 2 ） ，电解 15min。平行反应三组。 注意：每

10、组铝片进行阳极氧化的前五分钟，电流密度控制在 5 mA/cm 2 以下。 2.3.3铝片的着色 （1）各取一片阳极氧化完毕的铝片，经自来水、去离子水冲洗干净后，分 别放入翠绿着色液、酸性大红中着色10min； （2）各取一片阳极氧化完毕的铝片，经自来水、去离子水冲洗干净后，分 别放入室温的翠绿着色液、50的翠绿着色液、100的翠绿着色液中着色 10min。 （3）将着色后的铝片表面染料冲洗干净，放入沸水中进行封闭处理 10min。 2.3.4铝片的绝缘性实验 取一片阳极氧化完毕的铝片，用万用电表测氧化膜的电阻。 2.3.5铝片的耐腐蚀实验 取一片阳极氧化完毕的铝片，在氧化后的膜表面滴加1滴重铬

11、酸钾的盐酸 溶液，观察并记录冒气泡的时间和溶液变绿色的时间。 2.3.6铝片的膜厚测定 （1）取一片阳极氧化完毕的铝片，洗净后吹干，用分析天平称重并记录 m i ； （2）溶膜处理：将铝片浸于 60度左右的溶膜液（磷酸和 组成）中煮 3 CrO5 10 min； （3）取出铝片用水冲洗、吹干后用天平称出退膜后铝片的质量 m s ； （4）计算铝片的膜厚值。 3 结果与讨论 3.1 实验结果（包括数据处理，现象描述） 3.1.1铝片的翠绿着色(染料温度改变) 着色后观察到铝片表面变为均匀的翠绿色，染料温度为室温、50、100 的铝片颜色依次变淡；进行封闭处理后，铝片颜色都稍微变淡。其中，染料温

12、度为室温的铝片着色效果最佳，50次之，100着色效果最差。 从左到右依次为染料温度为室温、50、100的铝片 3.1.2铝片的着色(染料种类改变) 着色后观察到，翠绿染料的着色效果比酸性大红要好，翠绿染料着色后铝 片呈现均匀的翠绿色，酸性大红着色后的铝片红色很淡，且颜色不均匀。 左为着翠绿染料的铝片，右为着酸性大红的铝片 3.1.3铝片的绝缘性实验 用万用电表测铝片的电阻后，发现最大量程的20M都没有读数，可见其 电阻大于20M。 3.1.4铝片的耐腐蚀实验 在阳极氧化后的铝片上滴加一滴重铬酸钾的盐酸溶液，3min12s后，铝片 上开始有小气泡产生，接着K 2 CrO 7 溶液有点变绿了。反应

13、后的铝片表面上有两 三个小裂痕。 3.1.5铝片的膜厚测定 氧化膜膜厚记录及计算（我们将在同一电解条件下得到的两块铝片都进行6 膜厚测定） m i /g m s /g A/cm 2 /m 1 0.7658 0.7654 4 0.37 2 0.7394 0.7382 4 1.11 计算公式:（m i -m s ）10 4 = （=2.7g/cm 3 A=4cm 2 ）A 3.2 讨论 本实验采用的化学着色就是氧化膜吸附着色。色料被吸附在金属表面的膜 孔内，所显示的颜色是色料本身的颜色。着色效果主要取决于膜层质量及着色 工艺。要求氧化膜必须均匀，有足够的厚度、足够的孔隙和吸附能力。在氧化 工艺确定

14、的情况下，着色工艺如染料种类、染色液温度等就是决定性因素。 根据实验结果，我们可以清楚看到在固定的电解条件下，铝片的着色效果 （着翠绿色）随着染料温度的升高而变差，到100时基本染不上色。据查阅文 献，温度太低，着色速度慢，颜色浅；温度升高，着色速度加快，颜色深；温 度太高(4O)，着色速度反而降低，颜色浅，均匀性差，甚至着不上色。这是 由于氧化膜水瞬作用加快，局部被封闭，膜孔活性降低。 翠绿染料的着色效果比酸性大红要好。原本老师觉得是酸性大红的PH有问 题，所以我们测了一下酸性大红的PH，符合我们查阅得到的有机染料着色的工 艺规范。对比了一下其他组同学的着色效果，发现都是翠绿染料的着色效果相

15、 对较好。说明着色效果与染料本身性质有关。 表 有机染料着色的工艺规范 染料颜色 质量浓度/(g/L) 温度/ 时间/min pH值 直接耐晒翠绿 3-5 室温 5-10 4.5-5 酸性大红 6-8 室温 2-15 4.5-5.5 另外，我们还将在同一电解条件下得到的两块铝片都进行膜厚测定，结果 发现两块铝片的氧化膜厚度不同，甚至相差甚远。我们认为这是因为电解时铝 片表面并不是很平整，铝片也可能倾斜了，没有与铅网完全平行所导致的。 4 结论 固定电解液的硫酸浓度为20%、电流密度为15mA/cm 2 、通电时间为 15min、室温条件、无添加剂的情况下，探讨着色染料温度和种类的影响：铝片 的着色效果随着染料温度的升高而变差，翠绿染料的着色效果比酸性大红要好。7 参考文献 1 何广平等.物理化学实验.化学工业出版社，2007.12:150-155. 2 刘长久等.铝材化学法不同着色效果条件的研究.表面技术，33（3） 3 唐春华.影响铝和铝合金电解着色的因素.电镀与环保，1992，12（1） 4 旷亚非,张平等.铝阳极氧化着色工艺的研究.电镀与环保,2006,26(2) 5 徐桂英,周晓霜.铝材的阳极化及染色工艺探讨.辽宁师范大学学报（自然科 学版）,2005,28(2) 6 宋曰海,郭忠诚. 铝及铝合金阳极氧化、着色及封闭的现状和发展趋势.电 镀与涂饰,2002,21(6)