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铝型材阳极氧化膜为何要进行封孔处理
1:铝型材阳极氧化膜的结构
用手指触摸未封孔的铝型材阳极氧化膜时,好像有些发黏或者有吸附的感觉;这是因为在铝型材阳极氧化膜的表面存在无数的微孔;铝型材阳极氧化发明初期,人们就知道铝型材阳极氧化膜是由无数微孔组成的多孔型阳极氧化膜结构;随着电子显微镜的发展,证明了阳极氧化膜存在多孔型表层和靠近铝型材基体的极薄致密层;1953年,Keller提出的阳极氧化膜结构模型即使在今天仍然是阳极氧化膜的基础;
铝型材阳极氧化膜如下图所示,是由无数的六棱柱状单元胞在铝型材基体上垂直致密排列形成,其六棱柱单元胞的中心位置有到达铝型材表面的微孔(导电孔);在微孔的底部靠近铝型材的位置存在极薄且致密的弧状的阻挡层;单元胞尺寸=单元胞直径(C),由孔径(P)和其两侧的孔壁(W’)的厚度相加得到;(计算公式:C=P+2W’=P+2WE)式中,C为单元胞直径;P为孔径;W’为壁厚(和电压成比例);W为壁厚系数;E为电压;
(120V磷酸阳极氧化膜的单元胞底部模型)
表1和表2所示微孔的通电孔直径与阳极氧化电压无关,磷酸阳极氧化膜的微孔直径约为33nm,草酸阳极氧化膜的微孔直径约为17nm,硫酸阳极氧化膜的微孔直径约为12nm,这些是一定的;一个单元胞的尺寸大小可用下列公式表示:
单元胞(nm)=2×壁厚系数(nm/V)×电压(V)+孔径(nm)
壁厚系数因阳极氧化溶液而不同,一般为1nm/V;然后,可计算得到阳极氧化膜表面的单元胞或微孔的数量,硫酸阳极氧化膜中每平方厘米存在200亿~700亿个或更多的单元胞或微孔;
电解质
|
浓度/%
|
温度/℃
|
孔径/nm
|
壁厚洗漱/(nm/V)
|
硫酸
|
15
|
10
|
12
|
0.80
|
草酸
|
2
|
24
|
17
|
0.97
|
铬酸
|
3
|
38
|
24
|
1.09
|
磷酸
|
4
|
24
|
33
|
1.00
|
电解质
|
浓度/%
|
温度/℃
|
电压/V
|
单元胞或微孔量
|
硫酸
|
15
|
10
|
15
|
77.2
|
硫酸
|
15
|
10
|
20
|
51.8
|
硫酸
|
15
|
10
|
30
|
27.7
|
草酸
|
2
|
24
|
20
|
35.6
|
草酸
|
2
|
24
|
40
|
11.6
|
草酸
|
2
|
24
|
60
|
5.7
|
铬酸
|
3
|
49
|
20
|
21.7
|
铬酸
|
3
|
49
|
40
|
8.1
|
铬酸
|
3
|
49
|
60
|
4.2
|
磷酸
|
4
|
24
|
20
|
18.8
|
磷酸
|
4
|
24
|
40
|
7.8
|
磷酸
|
4
|
24
|
60
|
4.2
|
(铝型材阳极氧化膜单元胞或微孔数量)
12μm厚的硫酸阳极氧化膜的微孔直径和膜厚的比约为1:1000;可以认为铝型材阳极氧化膜是由铝型材上与阳极氧化膜厚度等长的毛细管,以每平方厘米数十亿个到数百亿个微孔排列而成;
因此很容易推断,这是由毛细现象赋予吸附性的阳极氧化膜;
而且,有研究表明,微孔的孔径也不是一定的,它与氧化电压成比例增加;
2:未封孔处理阳极氧化膜的性能
未封孔阳极氧化膜的优点列举如下:
①与铝型材相比,硬度和耐磨性能格外优异;
②可通过外加阳极氧化电压控制阳极氧化膜结构,得到附着性良好的阳极氧化膜;
③利用阳极氧化膜的微孔,能够很容易进行染色或电解着色;
此外,由于未封孔阳极氧化膜具有无数微孔的多孔结构,因此也具有以下缺点:
①容易附着指纹、污染物,也容易吸附腐蚀性物质,因此耐腐蚀性差;
②容易被阳极氧化溶液污染,发生腐蚀,形成沾染、垂纹、斑点等;
③染料有时溢出,耐光性差;
④因湿度高导致电性能不稳定;
阳极氧化膜在开发之初是作为耐热绝缘材料而被研发的;但是,在所希望的防腐蚀用途上,由于具有上述缺点而不能使用,铝型材阳极氧化膜的用途也因此受到了限制;
3:封孔处理方法的开发
如上所述,由于铝型材阳极氧化膜极富吸附性,如果不进行封孔,容易产生污染或腐蚀等缺陷,也就看不到铝型材阳极氧化工业的发展了;
漱藤象二、宫田聪在偶然的机会中发明了使用高压水蒸气处理的封孔处理方法,并于1929年5月在日本召开的万国工业会议上发表了;将铝型材阳极氧化膜放入高压水蒸气中进行处理,因为氧化铝的水合反应而使其体积膨胀阻塞微孔;因此,铝型材阳极氧化膜的吸附性降低,耐腐蚀性和耐污染性得以明显提升;
受世界领先发明“高压水蒸气处理方法”的启发,随后在欧美相继开发了铬酸盐/重铬酸盐封孔处理方法、沸水封孔处理法、镍盐封孔处理法等方法;使用高压水蒸气处理的封孔处理方法的发展,使铝型材阳极氧化膜的应用成为可能;可以毫不夸张地说,它关系到今天铝型材阳极氧化工业的崛起;
4:典型的封孔处理方法
铝型材阳极氧化膜的微孔被封闭后就失去了活性,改善了耐腐蚀性、耐污染性、耐酸性、耐候性和耐光性等物理化学性质的处理就是所谓的封孔处理;在阳极氧化处理的工艺中,封孔处理作为必需的后处理工艺;而典型的封孔处理方法,如初期开发的高压水蒸气处理法、沸水处理法、铬盐酸/重铬酸盐处理法、镍盐处理法等处理方法现在依然在使用着;
但是近年来,需要考虑对环境和健康的影响,开始采用三价铬酸盐代替含六价铬的铬酸盐/重铬酸盐进行铝型材封孔处理,镍盐等重金属盐封孔也成为问题;这就需要开发高温、长时间水合处理的替代方法,开始使用尽可能节约能耗型氟化镍处理的常温封孔,更节能且速度更快的锂盐封孔处理也开始被研究;
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