铝的阳极氧化与表面着色(华师版)

华南师范大学实验报告学生姓名：学号：专业：化学年级班：2008学年化4班课程名称：物理化学实验实验项目：铝阳极氧化和表面着色实验时间：2010年10月27日实验指导老师：sun yanhui实验分数：铝阳极氧化和表面着色选择：铝的阳极氧化膜特性主要受电流密度、电解质浓度、氧化时间、添加剂等多种因素的影响。本文主要讨论了氧化时间在选择文献最佳值时对铝阳极氧化的影响。abstract:a nodic aluminum oxide film properties affected by many factors，including current density，electroolyte solution concentration1.研究进展铝阳极氧化膜的应用最初希望它具有良好的耐蚀性、耐磨性、电绝缘性等，直到20世纪30年代中期，才开始对铝氧化膜的多孔结构感兴趣，实现了着色材料在多孔膜上的析出。直到60年代，铝型材的电解着色才被正式用于生产，因此彩色铝合金型材被广泛使用。近10年来，铝阳极氧化技术取得了很多新成就，包括采取了加快铝阳极氧化的新措施，或者加快了2-3倍的速度。提出了常温氧化的新技术，解决了消耗大量能源的冷却要求。脉冲阳极氧化的新工艺可以大大提高氧化膜的质量。AC氧化还具有高效、低成本、低功耗等诸多优点，但由于膜的薄层(小于10m)、颜色黄色和低硬度等问题，因此被广泛使用。最近添加了添加剂，膜层质量达到了直流氧化水平，随着这些新的发展，铝阳极氧化工艺得到了明显的更新和变形。相信在新世纪，这方面的工作还会有新的突破。但是从80年代末开始，对铝阳极氧化技术最感兴趣的是对铝氧化膜孔隙率的研究开发以及具有多种功能性的膜材料的制造。氧化铝膜的孔直径只有10纳米到10纳米，因此对各种纳米材料的需求可以起到重要的作用。关于膜纳米微孔的大作文章是将21世纪铝阳极氧化技术发扬青春，使之成为适合高科技的有希望的新事物。2.实验部分2.1实验原理2.1.1铝阳极氧化原理(1)以铝产品为阳极，以硫酸、铬酸、磷酸、草酸等电解质阳极氧化，形成厚氧化膜，膜的主要成分为Al2O3，反应过程比较复杂。介绍了al为阳极，Pb为阴极，H2SO4溶液对电解质的反应原理。电解电极反应如下：阴极：节点：(氧化膜形成)阳极上的Al被氧化，在表面形成氧化铝膜层的过程中，阳极反应生成的h和电解质H2SO4的h可以溶解结果氧化膜：(2)成膜机制：在阳极氧化铝产品的硫酸电解质中，阳极氧化、阳极处理初期短时间内，其表面均匀氧化，产生非常薄、非常致密的膜，由于硫酸溶液的作用，晶界、杂质密集点、晶格缺陷或结构变形等薄膜的最弱点在局部溶解，有很多空隙，即一次氧化中心，使基板金属接触进入空隙的电解质。(3)影响因素：A.氧化时间：随着氧化时间的延长，膜持续溶解或修复，氧化反应发展到纵深，可以在产品表面形成由薄、致密内层和厚、多孔外层组成的氧化膜。内层(阻隔层、介电层、活性层)的厚度基本上不会改变，但位置会继续向深处流动。在一定的氧化时间内，随着时间的推移变厚。B.电解质浓度：要使Al2O3氧化膜变软并达到一定厚度，必须控制特定的氧化条件，以大于氧化膜在电极上溶解的速度形成。如果是强酸电解质，阳极的金属离子在金属本体中不断溶解，不能形成氧化膜。在弱酸性中，如果阳极产物不能溶于电解质，氧化膜很快就会形成，复盖金属，电阻增加，产生电化学反应不能形成所需厚度的氧化膜，因此必须严格控制硫酸浓度。(4)胶片的质量要求：铝的阳极氧化及着色过程需要具有一定厚度和均匀气孔的膜的形成，保证电流的通过和未来的着色。这是随着现有膜的生长，膜溶解的电极过程。由于膜的持续增长和强化，阻力不断增加，因此膜的生长速度减慢，此时膜的形成速度和膜的溶解速度达到动态平衡，因此膜的厚度保持不变。2.2.2氧化膜着色原理(1)着色目的：氧化膜的表面由表面积大、化学活性高的多孔层组成。利用这个特性，可以在阳极氧化膜表面进行多种着色处理。着色的目的在于提高产品的装饰和耐腐蚀性，同时在铝产品表面提供多种功能性。(2)着色方法：阳极氧化膜着色方法有三种：浸渍着色、电解着色、全局着色。这个实验着重于浸渍着色。氧化膜着色应在氧化结束后进行。用阳极氧化获得的新鲜氧化膜铝片直接用水冲洗，立即放到着色液中上色。着色时注意染料的纯度，水温约为313.2 333.2k，不能太高。适当的加热可以加速染色，但是水温太高，氧化膜的气孔关闭得太早，吸附染料性能下降，pH值在4.5到7.0之间，着色时间根据颜色的浓度适当。染色铝片用水冲洗后，作为水封闭处理。(3)着色原理：浸渍着色原理主要是氧化膜对色素体的物理和化学吸附。无机盐浸渍着色主要由多孔层化学反应沉积。有机染料的着色通常被认为是物理吸附和有机染料官能团与氧化铝的络合反应一起形成的。(4)影响氧化膜着色质量主要是阳极氧化膜的质量，其次是着色液的种类、浓度和处理条件两个方面。颜色取决于厚度，色调较厚。孔隙率要大，均匀。由于多孔膜的独特特性，除了可以应用于着色以外，近年来还用于将金属或半导体材料充孔，以准备磁记录材料、功能电极、电或光学装置等。2.2.3氧化膜关闭(1)封闭处理的目的：氧化膜的表面是多孔的，可以在这种空隙上吸附染料，也可以吸附结晶水。如果不及时处理，会吸附杂质污染的强吸附性，要及时充电，提高多孔膜的强度等性能。(2)闭合方法：密封处理的方法有沸水法、高压蒸汽法、浸渍金属盐法、有机物(油、合成树脂)等多种。许多方法中最广泛使用的方法是开水方法。(3)封闭原则：开水方法是将铝片放入沸水中煮，原则是利用无水三氧化二铝进行水合。沸水关闭时通常10分钟，煮沸后取出晾干。Al2O3 H2O Al2O3 H2OAl2O3 3H2O Al2O33H2O(4)影响因素：氧化膜表面和孔壁的水合作用导致氧化物体积增加，气孔关闭。开水关闭时，必须将水的pH值控制在4.5和6.5之间，如果pH值太高，可能会发生“碱侵蚀”。如果在沸腾时使用去离子水，时间一般为10分钟，煮沸后取出，放入无水酒精中烘干几秒钟。2.2实验程序设计2.2.1讨论因素本设计性实验分为6组，我们组负责调查阳极氧化时间对阳极氧化膜性能的影响。具体设计包括：讨论阳极氧化时间：分别10分钟、20分钟和30分钟。其他条件是阳极氧化时电流密度为15mA/cm2，电解质浓度为20%的硫酸溶液不需要添加剂。2.2.2表征手段(1)绝缘实验：用通配符计量器比较铝表面两点之间的电阻差。(2)防腐实验：观察铝表面滴一滴重铬酸钾的盐酸溶液，产生气泡和变成液滴绿色的时间。(3)氧化膜厚度的测定测量公式为：表达式中是薄膜的厚度( m)。Mi是成膜后铝(g)的质量。Ms是撤退后铝片的质量(g)。氧化膜密度，2.7g/cm2；a是膜面积，cm2测量方法：将铝片放在分析天平上测量重量。 363.2 373.2k的液膜液(磷酸和CrO3组成：CrO3(固体)15g；H3PO4(液体)30厘米3；H2O 20cm3)中煮10分钟。取出铝精制，用水冲洗，浸泡在无水乙醇中，取出后烘干。再次使用铝质量ms的平衡。计算膜厚值。2.2.3所需的器械药品(1)电极和试剂电极：铝、铅或铂片铝表面预处理试剂：洗涤剂、氢氧化钠溶液(3mol/L)、硝酸溶液(2mol/L)。电解质：25%的硫酸(质量分数)或自行设计着色试剂：染料酸性原青，酸性红，直接耐日光青，活性艳橙；电解着色可用作五水合硫酸铜，硫酸镍。其他：氨、氧化铬、重铬酸钾、盐酸、屏幕胶、无水酒精等。(2)仪表电解槽；温度计WLS正常流电源；分析天平；恒温器；其他：计量纸、剪刀、镊子、万用米、电炉、吹风机等2.3实验阶段(1)铝表面预处理表面预处理的目的是清洁铝的表面。步骤：用洗涤剂擦洗铝精制后，用自来水冲洗干净。在3mol/L的氢氧化钠溶液中加入铝片，浸泡30s，去除后用自来水冲洗，如果去除了油，铝表面的水滴不会挂。将铝精制放入2mol/L硝酸溶液中，去除60s后，用自来水冲洗，去除碱处理时铝表面沉积的杂质和吸附在那里的碱。用蒸馏水冲洗。洗净的铝片保存在盛水的烧杯里。(2)铝的阳极氧化铝的阳极氧化有两种方法，一种是直流电流，铝总是作为阳极。二是用交流电直流电叠加，铝间断地制造阳极，阴极。后者的工艺条件控制不好，这个实验是电子进行的。直流电源、铝合金阳极、铅或铂阴极。首先将电源的正极和负极连接到1组铝和铅网，将电流密度调整为小于5 mA/cm2(小于0.09mA)，电解5min。将电流密度调整回15 mA/cm2(即电流强度为0.270mA)时，传5min。其他条件不变。阳极变成组2中的3个铝，重复上述步骤。电解15分钟；其他条件不变。阳极变成3组的3个铝，重复上述步骤。电解25分钟；参考进程条件：电解质的硫酸浓度约为20%。b电流密度15 mA/cm2c温度是常温的(3)氧化膜着色和封闭氧化膜着色应在氧化结束后进行。分别取阳极氧化后的铝1，2，3组，用自来水和去离子水冲洗，在青色着色液中着色10分钟。冲洗彩色铝表面染料，放入沸水中密封10分钟。(4)质量检查比较绝缘实验和防腐实验：a分别取阳极氧化铝1，2，3组，用自来水和去离子水冲洗，放入沸水中煮10分钟，密封。b关闭后取出晾干。用万用表测量铝片的电阻。c在铝片上滴入一滴重铬酸钾盐酸溶液，观察气泡产生和液滴绿色的时间。氧化膜厚度的测定测量公式为：表达式中是薄膜的厚度( m)。Mi是成膜后铝(g)的质量。Ms是撤退后铝片的质量(g)。氧化膜密度，2.7g/cm2；a是膜面积，cm2测量方法：a分别取阳极氧化铝1，2，3组，用去离子水冲洗，晾干，用分析天平计量仪表，记录mi；b铝片为溶解膜溶液(由磷酸和CrO3组成：CrO3(固体)15g；H3PO4(液体)30厘米3；H2O 20cm3)中煮10分钟。c用去离子水冲洗并去除烘干的铝片。d再次使用铝质量ms的平衡。计算e膜厚度值。3.结果和讨论3.1实验结果3.1.1铝预处理铝型材裁剪：如下图所示，切割3组(3组/组)共9块1cm3cm的铝型材。3厘米1厘米铝板材清洗：经洗涤后观察，铝板材表面为银白色金属光泽，干净。3.1.2铝板材的阳极氧化阳极氧化后，铝表面金属光泽消失，观察到亮白色；三组氧化铝瓷砖在颜色上无明显差异。在三组条件下得到的铝氧化膜的表面均匀细致。3.1.3绝缘实验和防腐实验铝3组的电阻是无穷的，在防腐实验中，铬酸钾溶液恶化后，整个实验过程中没有变色或气泡。3.1.4铝青色着色铝表面着色成均匀的翡翠绿色后，组1、2、3的铝板材颜色依次变深；封闭处理后，铝1组颜色稍淡，铝2、3组颜色没有明显变化。3.1.5铝膜厚度测量(1)数据记录和处理组Mi/gMs/gA/cm2/m10.36830.364262.5320.37170.362065.9930.36890.360465.25表1氧化膜厚度记录和计算(2)计算公式：3.2讨论：3.2.1见文献值随着时间的推移(30分钟)，膜层变厚，铝表面形成屏障，在这个阶段氧化