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陽極氧化鋁

陽極氧化鋁是指在鋁及鋁合金表面鍍一層致密氧化鋁為了防止進一步氧化,其化學性質與氧化鋁相同。但是與一般的氧化膜不同,陽極氧化鋁可以用電解著色加以染色。
 
 

1制備原理

陽極氧化鋁的制備原理是陽極效應(又名陽極化處理)。

反應機理

陽極效應熔鹽電解特有的現象,而以電解鋁生產表現猶為明顯。生產中當陽極效應發生時,電解槽電壓急劇升高,達到20~50V,有時甚至更高。它的發生對整個電解系列產生很大影響,使電流效率降低,影響電解的各技術指標,且使鋁的產量和質量降低,破壞了整個電解系列的平穩供電。在處理的方法上,不外
乎有兩種:用效應棒(木棒)熄滅,或降低陽極,增加氧化鋁的下料量,以達到熄滅陽極效應的目的。到目前還未發現有更好的處理方法。
陽極效應的發生是由于隨著電解過程的進行,電解質中含氧離子逐漸減少,當達到一定程度后,則有氟析出且與陽極炭作用生成炭的氟化物,炭的氟化物在分解時又析出細微的炭粒,這些炭粒附在陽極表面上,阻止了電解質與陽極的接觸,使電解質不能很好地濕潤陽極,就像水不能濕潤涂油的表面一樣,使電解質-陽極間形成一層導電不良的氣膜,陽極過電壓增大,引起陽極效應。當加入新的氧化鋁后,在陽極上又析出氧,氧與炭粉反應,逐漸使陽極表面清靜,電阻減小,電解過程又趨于正常。

危害

在生產方面當陽極效應發生時,電解質的溫度急劇升高,由正常值的940℃~955℃急速升高到980℃~990℃,爐幫熔化變薄,增加了側部炭塊被侵蝕的可能性。電壓的急劇升高,使系列電流波動,影響電解槽的產量。電耗增加。生產中陽極效應的熄滅方法是:將效應棒即(大約2~3米直徑2~4cm的樹枝)插入鋁液中使木棒燃燒排除陽極底掌的氣體薄膜,清潔陽極底部,實際是在燃燒鋁液,整個過程大約持續3~5分鐘,而此時電解的電化學過程是停止的,這也就是電解職工常說的"效應時間不產鋁,而且還要跑電耗的"原因所在。因此造成鋁液的嚴重損失。以300KA中間下料預焙槽為例:效應系數0.3次/槽日,效應時間5min,電流效率93%,一個陽極效應少產原鋁:300×0.3355×5÷60=8.4kg,每噸鋁電耗增加158kwh。 這種能量在生產中大多轉化為熱能,使電解槽極距間溫度急劇升高,進而向陽極四周傳導,使的電解槽溫度升高,引起電解質中氟化鋁的大量揮發。因此傳統的陽極效應法已不能適應當今現代電解槽生產。
在環境方面鋁電解生產中,陽極效應還伴隨著對大氣臭氧層有破壞性的PFCs(CF4·C2F6)氣體的產生。當今西方發達國家對鋁電解的環保要求極為嚴格。

2車間生產工藝

1. 機械拋光;
2. 化學處理去掉某些合金表面的銅成分;
3. 清洗去油(對于已經陽極化的零件,若需要重新陽極化,氏用堿或者專用藥劑去掉原來的陽極化表層);
4. 放入稀硫酸中作為陽極進行通電,生成表面氧化層(是多孔性的,為白色半透明薄膜);
5. 染色;
6. 固定(加熱或者用鉻酸鹽溶液使表面氧化層的孔封閉)。
具體參見陽極氧化鋁膜

3鋁合金陽極氧化膜著色的意義和發展史

電解著色的發明

1936年意大利人Caboni蕞早提出了陽極氧化膜的電解著色專利技術,德國人Elssner 進一步改進了這個方法,在1940 年申請了專利。這使電解著色工藝成為工藝化的基礎。但是當時正處于第二次世界大戰的紛亂之中,而戰爭后的混亂也使這項工藝發明被忽略了相當一段時間。 電解著色的工業化1960 年淺田太平改進并注冊了電解著色專利。該專利的特征是,利用交流電為電源,著色溶液采用Co、Ni、Cu、Ag、Se 的鹽類,以及他們的含氧鹽作為主成分。淺田已經明確鑒別出電解著色工藝過程的幾個階段。包括金屬離子進入陽極氧化膜的微孔中,由于電解還原轉化成著色的物質等。全球技術轉讓權由ALCAN公司獲得,通過它所屬的鋁實驗室有限公司以高標名稱Anolok-1 向全世界很多國家轉讓推廣這個技術,從此二次電解著色法得到普及。二十世紀六十年代中期至七十年代中期的10年間掀起了電解著色法的研究高潮,每年有數百篇的專利文獻被發表,研究涉及到元素周期表上幾乎所有的可溶性金屬鹽。

陽極氧化技術的意義

陽極氧化可顯著改善鋁合金的耐蝕性能,提高鋁合金的表面硬度和耐磨性,經過適當的著色處理后具有良好的裝飾性能。鋁及其合金陽極氧化膜著色技術可分為3 種:化學染色、電解著色及電解整體著色。化學染色是利用氧化膜層的多孔性與化學活性吸附各種色素而使氧化膜著色,根據著色機理和工藝可分為有機染料著色、無機染料著色、色漿印色、套色染色和消色染色等。電解著色是將陽極氧化后的鋁及其合金在含有金屬鹽的水溶液中進行交流電解,在氧化膜多孔層的底部沉積金屬、金屬氧化物金屬化合物,由于電沉積物對光的散射作用而呈現各種色彩。電解整體著色指鋁及其合金在陽極氧化的同時被著色,其特點是氧化與著色一步完成,著色膜具有良好的耐光性、耐熱性、耐蝕性及耐磨性。電解整體著色又分為自然發色、電解發色和電源發色法,其中電解發色占主導,自然發色次之,電源發色正在開發中。

陽極氧化的發展

經過40 年的開發研究,電解著色不斷向深度和廣度發展。由一般的防護-裝飾用途發展具有特殊物理化學性質的功能膜;由單鹽著色發展到混合鹽著色;由單一均勻色發展到多彩色、多感色等等。當前使多孔氧化鋁膜朝著功能化方向發展的研究主要從兩方面著手,一個是利用它的多孔結構,研制新型的超精密分離
膜;另一個是通過在其納米級微孔中沉積各種性質不同的物質,如金屬半導體、高分子材料等,來制備新型的功能材料。
(1)近年來利用電解著色沉積磁性金屬或磁性合金如鐵、鈷、鎳及合金,這種電解著色膜具有磁性。能夠用于數據儲存或其他磁記錄。在微電子工業得到廣泛應用。
(2)電解沉積超硬質和自潤滑的電解著色膜。由于鋁本身相當軟,而陽極氧化提供了一個表面硬化的方法。低剪應力的金屬填充在陽極氧化鋁的微孔中,就是一個提供自潤滑性能的有效方法。在機械工程上有十分重要的使用價值。
(3)電解著色膜作太陽能的吸收板。為了更加有效地利用太陽能,要求太陽能吸收膜的材料在太陽光放射譜域有較高的吸收率,而在熱放射譜域的放射率要盡可能地小。例如 :在磷酸溶液制得的氧化鋁膜的納米級微孔中電沉積Ni,制成了對太陽能具有選擇性吸收的功能性膜。通過測定反射率,發現這種膜具有較理想的選擇性吸收特性。實驗結果表明,向膜孔中分別電沉積Fe、Ni 等金屬均能使膜的耐熱性比由其他材料制備的選擇性吸收膜明顯的增強。但其耐蝕性還不夠理想,可望通過封孔或在膜表面涂敷耐蝕性涂層以及改變周邊環境條件等方法加以改進。
(4)在光電方面的應用。主要是通過在多孔膜孔中填充熒光物質來制備光電元件,采用浸泡與熱處理相結合的方法,在多孔膜內引入Tb3+制得的功能化膜,在外加電場的作用發出綠色光。這種功能化多孔膜所能獲得的高的發光強度,表明多孔膜的功能化將成為研制光電元件的又一新途徑。而且由于多孔膜的孔徑極為細小,更可進一步開發出超微細發光元件。電解著真黑色,還可以作光學儀器,相機消光及其他裝飾用途。
(5)抗菌性氧化鋁膜:抗菌性氧化鋁膜是將抗菌成分浸透到膜的孔中并在膜孔中析出,從而使之具有抗菌性作用。人們早就知道,銀、銅、鋅等金屬離子具有抗菌作用,通過用含有這些金屬離子的熱水進行封孔處理就能具有抗菌性。蕞近,備受關注的抗菌物質是TiO2。TiO2 通過紫外線的作用,在表面生成活性氧類,而此活性氧顯示出抗菌作用。除了抗菌作用之外,它還有脫臭、防塵、分解室內揮發性有機化合物(VOC)的作用等,所以又開發了通過在鋁建材表面涂覆涂料,而獲得具有防污性的產品。目前,主要是涂覆含TiO2 涂料的方法,也正在開發在陽極氧化膜孔中析出TiO2 的方法。4,還可以進行一些電化學測試分析,比如極化曲線測測氧化膜的耐蝕性,交流阻抗測測氧化膜的電阻

4硫酸陽極氧化鋁合金成分對氧化膜的影響

鋁合金的化學成分除影響生成氧化膜的抗蝕能力之外,對生成的氧化膜厚度也有一定影響。如在同樣氧化處理條件下,純鋁所得氧化膜要比鋁合金的厚。鋁硅合金較難氧化,氧化膜層發暗發灰。因此,有包鋁層的和沒有包鋁層的鈑金件要分別進行陽極氧化處理。因為同槽氧化處理時純鋁的氧化膜生成得快而厚,裸鋁的氧化膜生成得慢而薄。
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