華師物化實驗-鋁的陽極氧化和著色實驗報告資料

1、物理化學(xué)實驗報告學(xué)生姓名：_dxh 學(xué)號：專 業(yè)： 年級、班級：2011級化教6班課程名稱：物理化學(xué)實驗小組組員：實驗項目：鋁的陽極氧化與表面著色添加劑草酸對氧化膜性能的影響 指導(dǎo)老師：孫艷輝老師鋁的陽極氧化和著色添加劑草酸對氧化膜性能的影響摘要：鋁的陽極氧化膜性能受到諸多因素的影響，主要包括電流密度、硫酸濃度、氧化時間、添加劑等。本文主要探討了其它因素選擇文獻(xiàn)最優(yōu)值的情況下，添加劑草酸對鋁的陽極氧化的影響。關(guān)鍵詞：鋁陽極氧化氧化膜染料Abstract : Ano die alumi num oxide film properties affected by many factors, in

2、cludi ng current density, sulfuric acid concentration, oxidation time, additives and other factors. This paper discusses the literature of other factors that select the optimal value of the case, the curre nt den sity on ano dic oxidati on of alu minum.Keywords : AluminumAnodizingOxide film Dye1研究進(jìn)展

3、鋁作為自然界中比較活潑的金屬，在空氣中能形成一層厚度為0.01 一 0.1的氧化膜，這層天然的氧化膜為非晶態(tài)，薄而多孔，機械強度低1。它雖然對鋁具有一定的防護(hù)能力，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人們對鋁及其合金在裝飾，防護(hù)與功能性應(yīng)用等方面的要求。因此，鋁在電解液中的陽極氧化處理工藝得到了不斷的發(fā)展。自從Keller 2通過電鏡得到氧化鋁多孔膜結(jié)構(gòu)模型開始，鋁的陽極氧化膜的使用價值越來越高。最近，由于其良好的結(jié)構(gòu)特性，在很多領(lǐng)域又有了新的用途。陽極氧化是利用電解作用使金屬制件表面形成氧化物薄膜的過程。金屬表面形成的致密的氧化物具有阻止金屬與空氣的接觸，達(dá)到保護(hù)金屬的目的。近幾十年來，鋁陽極氧化技術(shù)有了很多新的

4、突破，在硬質(zhì)陽極氧化方面，通過在電解液中添加有機酸或多元醇川或利用脈沖電流與直流疊加3等方法，提高氧化膜的耐蝕性和耐磨性。在復(fù)合陽極氧化方面，通過在電解液中添加具有特殊性能的微粒，象磁性物質(zhì)，導(dǎo)電體 和超硬粉體，從而提高了氧化膜的耐蝕獲得具有良好耐蝕性，耐和硬度。進(jìn)入70年代后期，人們由最初追求勝及電絕緣性的氧化膜而轉(zhuǎn)向以多孔膜為基礎(chǔ)的各類功能性膜材料的應(yīng)用研究。鋁在酸性條件下陽極氧化，形成具有特殊結(jié)構(gòu)的氧化膜。這種膜孔徑均一，孔徑范圍窄，孔隙率高，孔道嚴(yán)格垂直于表面，具有大的表面積，其良好的排 列方向性，表現(xiàn)出不同尋常的物理，化學(xué)特性，兼具深層膜和篩網(wǎng)膜的特點。這種特殊的孔結(jié)構(gòu)能夠滿足過濾的

5、要求，使其成為一種新的制膜方法。該膜屬于無機膜，較目前普遍使用的有機膜具有較高的耐熱性，耐有機溶劑，機械強度高等特點，具有良好的應(yīng)用前景。目前，國外己經(jīng)生產(chǎn)出性能優(yōu)良的陽極氧化鋁膜，Alca可Anotec公司生產(chǎn)的Anopore膜就是利用該法生產(chǎn)出來的，但其具體工藝過程仍屬商業(yè)機密，且價格昂貴。國內(nèi)陽極氧化鋁膜的研究剛剛起步，且處于基礎(chǔ)研究階段。對硫酸陽極氧化影響的大部分因素也適用于草酸陽極氧化，草酸陽極氧化可采用直流電、交流電或者交直流電迭加。用交流電氧化比直流電在相同條件下獲得膜層軟、彈性較?。挥弥绷麟娧趸壮霈F(xiàn)孔蝕，采用交流電氧化則可防止，隨著交流成分的增加，膜的抗蝕性提高，但顏色加深，

6、著色性比硫酸膜差。電解液中游離草酸濃度為3%-10% 般為3%-5%在氧化過程中每 Ah約消耗0.13-0.14g，同時每Ah有0.08-0.09g 的鋁溶于電解液生成草 酸鋁，需要消耗 5倍于鋁量的草酸。溶液中的鋁離子濃度控制在20g/L以下，當(dāng)含30g/L鋁時，溶液則失效。草酸電解液對氯化物十分敏感，陽極氧化純鋁或鋁合金時，氯化物的含 量分別不應(yīng)超過 0.04-0.02g/L ，溶液最好用純水配制。電解液溫度升高，膜層減薄。為得 到厚的膜，則應(yīng)提高溶液的pH值。直流電陽極氧化用鉛、石墨或不銹鋼做陰極，其與陽極的面積比為(1: 2) - (1:1)之間。草酸是弱酸，溶解能力低，鋁氧化時，必須

7、冷卻制品 及電解液。草酸膜層的厚度及顏色依合金成分而不同，純鋁的膜厚呈淡黃或銀白色，合金則膜薄色深如黃色、黃銅色。氧化后膜層經(jīng)清洗， 若不染色可用3.43 X 10的4次方Pa壓力的 蒸汽封孔30-60分鐘。2實驗部分2.1實驗原理2.1.1鋁的陽極氧化鋁制品作陽極，以硫酸等酸為電解液進(jìn)行陽極氧化，形成較厚的AI2Q氧化膜：陰極：2H+ 2eT H4陽極：Al +Al3+Al + + 3HzCH Al(OH) 3+ 3H+Al(OH)AI2Q + 3fO由于酸的作用，生成的氧化膜的最弱點會發(fā)生局部溶解( AI2C3+ 6H+ =2Al3 + + 3fO),出現(xiàn)的孔隙使得鋁與電解液接觸，又重新氧

8、化生成氧化膜。隨著氧化時間的延長，膜不斷溶解與修補，氧化反應(yīng)不斷縱深發(fā)展，從而使制品表面生成薄而致密的內(nèi)層和厚而多孔的外層所組成的氧化膜。要使 AI2Q氧化膜順利形成，必須使電極上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶 解的速率，因此在鋁的陽極氧化過程中，要控制好氧化條件。2.1.2鋁氧化膜的著色由于氧化膜表面是由多孔層構(gòu)成且比表面積大，具有很高的化學(xué)活性，因而可以對氧化膜進(jìn)行表面著色。 浸漬著色（酸性大紅著色）氧化膜對紅色有機著色液的物理吸附和化學(xué)吸附，其化學(xué)吸附是指氧化鋁與有機著色液官能團(tuán)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。 電解著色（CuSQ電解液）以已經(jīng)陽極氧化好的鋁片為陰極，鉛網(wǎng)為陽極，電解CuSQ溶液：陰極：Cu

9、2+ 2e_i Cu陽極：HO 2eT I/2O2+2M已經(jīng)氧化好的鋁片作為陰極，電解時生成致密均勻的 Cu附著在其表面，形成紫紅色銅膜。2.1.3氧化膜的封閉處理氧化膜的表面多孔，在這些孔隙中可以吸附染料也可以吸附結(jié)晶水?？梢杂梅兴▽⒅玫匿X片進(jìn)行封閉處理，其原理是利用無水AI2O3發(fā)生水化作用：AI2O+ HO=Al2Q HOAI2O+ 3H2O=Al2Q 3HO由于氧化膜表面和孔壁的Al 203水化結(jié)果，使氧化物體積增大，將孔隙封閉。2.2實驗方案設(shè)計2.2.1 探討因素固定電解液的硫酸濃度為 20%通電時間為20min、電流密度15mA/cmi、室溫條件的情 況下，探討添加劑草酸對

10、陽極氧化膜的影響：1g/L、2g/L、3g/L三個濃度。2.2.2表征手段 腐蝕性檢驗：對三個電流密度下進(jìn)行陽極氧化過的鋁片分別用沸水封閉之后滴加腐蝕劑進(jìn)行耐腐蝕性檢測； 酸性大紅著色：對三個電流密度下進(jìn)行陽極氧化過的鋁片分別進(jìn)行紅色著色10min ,并作封閉處理； 氧化膜厚度測定：對三個電流密度下進(jìn)行陽極氧化過的鋁片分別作氧化膜厚度測定，測定公式為：4(m ms)燈0/小,3、1 s(r=2.7g/cm3)PA式中，3為膜的厚度，卩m； m為成膜后鋁片的質(zhì)量，g; m為退膜后鋁片的質(zhì)量，g; P為氧化膜的密度，2.7g/cm ; A為膜表面積，cm。2.2.3所需儀器藥品(1) 電極與試劑

11、電極：鋁片(3cmX 1.5cm, 9片)，鉛網(wǎng)； 鋁片表面預(yù)處理試劑：氫氧化鈉溶液( 3mol/L )，硝酸溶液(2mol/L ); 腐蝕劑：重鉻酸鉀的鹽酸溶液； 著色試劑：酸性大紅著色液； 溶膜液(磷酸和 CrQ)組成：CrQ15g ; HPQ30ml; HO 20ml 草酸試劑(2) 儀器電解槽；WLS穩(wěn)流電源；分析天平；鑷子；電爐；電吹風(fēng)等。2.3實驗步驟2.3.1鋁片的預(yù)處理(1) 鋁片的裁剪：剪下 3組(3片/組)共9片3cmX 1.5cm的鋁片；(2) 鋁片的清洗： 用去污粉刷洗鋁片，然后用自來水清洗干凈； 堿洗：用3mol/L的氫氧化鈉溶液浸洗 30s，取出后用自來水清洗干凈；

12、 酸洗：用2mol/L的硝酸溶液浸洗1min，取出后用自來水清洗干凈； 水洗：去離子水清洗，洗后將鋁片保存在去離子水中。2.3.2鋁片的陽極氧化(說明：因為我們那臺儀器出現(xiàn)問題，無法調(diào)節(jié)電流大小。)(1) 以20%的硫酸為電解液，加入 0.2g草酸，攪拌至草酸溶解于電解液中，第1組的3片鋁片為陽極(只將有效面積內(nèi)的鋁片浸入電解液，浸入部分高度為3cm),鉛網(wǎng)為陰極，電解20min;(2) 其他條件不變，加入 0.4g草酸，攪拌至草酸溶解于電解液中，陽極改為第2組的 3片鋁片，電解20min ;(3) 其他條件不變，加入 0.6g草酸，攪拌至草酸溶解于電解液中陽極改為第3組的3 片鋁片，電解20

13、min;注意：每組鋁片進(jìn)行陽極氧化的前五分鐘，電流密度控制在5 mA/cm 2以下，即控制在0.135A以下。(儀器出現(xiàn)故障，故無法調(diào)節(jié)電流大小)2.3.3鋁片耐腐蝕性表征(1) 分別取第1、2、3組陽極氧化完畢的鋁片各一片，經(jīng)自來水、去離子水沖洗干凈后，放入沸水中進(jìn)行圭寸閉處理10mi n;(2) 將水封閉鋁片表面滴加一滴重鉻酸鉀的鹽酸溶液，觀察氣泡產(chǎn)生與液滴變綠的時間。234鋁片的酸性大紅著色(1) 分別取第1、2、3組陽極氧化完畢的鋁片各一片，經(jīng)自來水、去離子水沖洗干凈后，放入酸性大紅著色液中著色10min ；(2) 將著色后的鋁片表面染料沖洗干凈，放入沸水中進(jìn)行封閉處理10min。2.

14、3.5鋁片的膜厚測定(1) 分別取第1、2、3組陽極氧化完畢的鋁片各一片，洗凈后吹干，用分析天平稱重 并記錄m;(2) 溶膜處理：將鋁片分別浸于60C左右的溶膜液(磷酸和CrO3)組成中溶膜10 min ；(3) 取出鋁片用水沖洗、吹干后用天平稱出退膜后鋁片的質(zhì)量ms；(4) 分別計算第1、2、3組鋁片的膜厚3值。3結(jié)果與討論3.1實驗結(jié)果(包括數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)象描述)3.3.1鋁片的預(yù)處理(1)鋁片的裁剪：剪下 3組(3片/組)共9片3cmX 1.0cm的鋁片:1.0cm(2)鋁片的清洗：觀察到經(jīng)清洗后的鋁片表面變潔凈呈銀白色金屬光澤。3.3.2鋁片的陽極氧化觀察到陽極氧化后的鋁片表面金屬光澤消

15、失，呈淺白色；三組氧化后的鋁片在色澤上無明顯區(qū)別，第1、2、3組條件下所得的鋁氧化膜表面均勻細(xì)致。3.3.3鋁片的腐蝕性表1鋁片的腐蝕性表征組第一組第二組第三組腐蝕性半個小時后鋁片表面綠色斑點鋁片表面呈現(xiàn)綠色涂層鋁片表面出現(xiàn)黃綠色表面3.3.4鋁片的酸性大紅著色1、2、3組的鋁片顏色依次變深；進(jìn)行封著色后觀察到鋁片表面變?yōu)榫鶆虻募t色，第閉處理后，第1、2、3組鋁片顏色都稍微變淡，3組都出現(xiàn)了著色不均勻的現(xiàn)象，可能是因為儀器出現(xiàn)問題，無法調(diào)節(jié)電流，導(dǎo)致電流過大，產(chǎn)生了孔洞的原因。335鋁片的膜厚測定(1)數(shù)據(jù)記錄及處理表2氧化膜膜厚記錄及計算組m/gm/gm-ms/gA/cm23 /m10.66

16、930.66130.0282617.40720.77180.75920.0230614.19730.61550.59550.0270616.666由上表可知，膜厚： S 1 3 3 S 2(2)計算公式4,(m-ms) 10(_27g/cm3)3.2討論3.2.1文獻(xiàn)值參考(1)工業(yè)生產(chǎn)上，鋁的陽極氧化通常采用的電流密度為1.5-2.0A/dm 2。5提高電流密度可提高生產(chǎn)效率，但電源容量必須增大，還容易產(chǎn)生制品各部分膜(3)厚不均。膜層具有足夠的厚度和孔隙率以及最大的透明度，就能獲得最佳染色質(zhì)量。如果氧化膜的孔徑過大，易使工件表面粗糙，粗糙的膜層吸附能力差，得到色彩不鮮艷，孔隙率 低的氧化膜

17、吸附染料量少，得到的色淺。3.2.2分析討論對于三個組陽極氧化后的氧化膜，通過腐蝕性、酸性大紅著色、膜厚測定三個表征手 段，可知：(1 )第1、2、3組的鋁片顏色依次變深；進(jìn)行封閉處理后，第1、2、3組鋁片顏色都變淡；組鋁片著色都不均勻。(2) 三個組中第3組的氧化膜酸性大紅著色效果最佳；(3) 從表3可知，氧化膜的膜厚沒有隨著草酸濃度的增加呈現(xiàn)某種規(guī)律，但可能是因 為儀器出現(xiàn)問題，無法調(diào)節(jié)電流，電流過大，導(dǎo)致沒辦法研究出膜厚隨草酸濃度 的變化關(guān)系：表3膜厚隨草酸濃度的變化關(guān)系草酸濃度/ g/L123膜厚/卩m17.40714.19716.666探討以上得出三個實驗結(jié)果分析：（1）耐腐蝕性：氧

18、化鋁的耐腐性第 2組是最差的，出現(xiàn)了氣泡和鋁片表面呈現(xiàn)綠色涂層的現(xiàn)象，而第1組半個小時后鋁片表面綠色斑點，第3組鋁片出現(xiàn)黃綠色表面的現(xiàn)象，說明耐腐蝕性不好，說明在大電流下鍍的膜較不好。（2）著色效果：著色后的鋁片呈均勻紅色，水洗之后沸水水封，則紅色變淡，且鋁片兩名的著色程度不同。草酸濃度越大，著色效果越好，第三片鋁片的著色比較勻且顏色很深。（3）膜厚：理論上，在一定時間范圍內(nèi)，鋁氧化膜的膜厚隨添加劑的濃度的增加而增加，而結(jié)果顯示膜厚不隨氧化時間的增加而增加，這由于在實驗中儀器出現(xiàn)問題，無法調(diào)節(jié)電流，電流過大，導(dǎo)致沒辦法得出膜厚隨草酸濃度的變化關(guān)系。原因分析：從著色的結(jié)果看，隨著草酸濃度的增加，

19、著色的效果是越來越好的，即是從側(cè)面反映陽 極氧化的效果也逐漸提高。第一片的顏色偏淺，且不均勻，第三片效果最好，顏色深且均勻，第二片介于中間。但是三片都存在一個相同的狀況，即鋁片兩面的著色效果是不同的，一面較好，一面較次。分析的原因是可能跟固定通電擺放的方向及位置有關(guān)，由于沒有對每一片擺放的朝向做出比較，初步估計是向著陰極的那一面著色效果較好。鑒于著色的效果分析，預(yù)測隨著草酸濃度的增加， 鋁氧化膜的厚度及結(jié)構(gòu)都會隨之提高。 第二片的厚度明顯高于第一片， 但是第三片卻低于第一片， 出現(xiàn)明顯的不同。分析結(jié)果如下：若根據(jù)著色效果的預(yù)測沒有錯誤，則第三片膜厚度應(yīng)該最厚，但實驗結(jié)果不是，可能是溶膜的操作出現(xiàn)失誤， 一是溶膜液濃度下降， 二是溶膜溫度發(fā)生改變， 三是溶膜時間控制出 現(xiàn)失誤，三者出現(xiàn)的概率較小，初步分析是由于實驗中儀器出現(xiàn)問題，無法調(diào)節(jié)電流，電流過大，導(dǎo)致沒辦法得出膜厚隨草酸濃度的變化關(guān)系。4結(jié)論（1 ）隨著草酸的添加，著色的效果有所提高。（2）預(yù)測：草酸的添加應(yīng)該有一個濃度的限制，即是超過某濃度之后，效果反而下降。多孔陽極氧化膜的形成是由膜的生成和溶