铝及铝合金氧化膜的制备与着色:实验原理

铝及铝合金阳极氧化是最常见的铝表面处理方法之一,目前已成为铝表面处理领域中最为重要的处理方法,得到了广泛的应用。它是利用电化学方法在铝表面形成一层转化膜。这种转化膜具有一定的硬度、耐磨性和耐蚀性,而且还具有一定装饰性,能够满足许多应用领域的技术要求。

1.基本原理

以铝或铝合金制品为阳极置于电解质溶液中,利用电解作用,使其表面形成氧化铝薄膜的过程,称为铝及铝合金的阳极氧化处理。其装置中阴极为在电解溶液中化学稳定性高的材料,如铅、不锈钢、铝等。铝阳极氧化的原理实质上就是水电解的原理。当电流通过时,在阴极上,放出氢气;在阳极上,析出的氧不仅是分子态的氧,还包括原子氧(O)和离子氧,通常在反应中以分子氧表示。作为阳极的铝被其上析出的氧所氧化,形成无水的氧化铝膜,生成的氧并不是全部与铝作用,一部分以气态的形式析出。

铝及合金阳极氧化过程的电极反应

氧化膜是以针孔为中心的两层六棱体蜂窝结构组成的,外层是厚的多孔质层与基体金属之间的活性层,它是致密的Al 层,有阻挡电流通过的作用。又叫阻挡层(或叫作屏蔽层)。氧化膜是两种不同的化学反应同时作用的结果。一种是电化学反应,铝与阳极析出的氧作用生成Al ,构成氧化膜的主要成分;另一种是化学反应,电解液将Al 不断地溶解。只有当生成速度大于溶解速度时,氧化膜才能顺利生长,并保持一定厚度。其形成过程可利用阳极氧化测得的电压时间曲线分析(见图13-1),过程分三个阶段: AB 段阻挡层形成、 BC 段膜孔的出现、 CD 段多孔层增厚。

图13-1 铝及铝合金阳极氧化生成过程示意图

阳极氧化电解溶液的选择:阳极氧化膜生长的一个先决条件是电解液对氧化膜应有溶解作用。但这并非说在所有存在溶解作用的电解液中阳极氧化都能生成氧化膜或生成的氧化膜性质相同。阳极氧化早已在工业上得到广泛的应用。常用的阳极氧化方法,按电解液分有硫酸阳极氧化法、硬质阳极氧化法、瓷质阳极氧化法、铬酸阳极氧化法、磷酸和草酸阳极氧化法等。本实验采用硫酸阳极氧化法。

2.着色工艺

铝阳极氧化膜具有多孔性和可吸附性,是最理想的着色载体。通过着色不仅可以提高产品的装饰性和耐蚀性,同时给铝制品表面以各种功能特征,增加商业价值。

铝及其合金阳极氧化膜着色技术主要有化学着色法和电解着色法,化学着色法是基于多孔膜层有如纺织纤维一样的吸附染料能力而得以进行的,着色时染料被吸附在孔隙表面上并向孔内扩散、堆积,而且与氧化铝进行离子键、氢键结合而使膜层着色,经封孔处理,染料被固定在孔隙内。化学着色的目的在于装饰、标色,能获得范围广泛的色调,色泽鲜艳,但颜色的结合力及耐光性稍差,主要用于室内装饰、日常用小型铝制品的着色处理。电解着色法是通过电解使金属盐颗粒沉积在氧化膜孔隙的底部而着色,颜色的结合力和耐光性较好,但着色的均匀性、鲜艳程度和颜色品种都不及化学着色法。

3.封闭处理

为了提高铝件质量和染着色牢固,着色后必须将氧化膜层的微细孔隙予以封闭,经过封闭处理后表面变得均匀无孔,形成致密的氧化膜。染料沉积在氧化膜内再也擦不掉,且经封闭后的氧化膜不再具有吸附性,可避免吸附有害物质而被污染或早期腐蚀,从而提高了阳极氧化膜的防污染、抗蚀等性能。封闭处理的目的在于将其多孔质层加以封闭,从而提高氧化膜的耐蚀、防污染、电绝缘等性能。常用的着色后的封孔方法有水合封孔、无机盐溶液封孔、透明有机涂层封孔。

4.氧化膜性能检测

主要检查氧化膜的厚度、绝缘性和耐蚀性。

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