实验八铝的阳极氧化法表面修饰

铝的阳极氧化法表面修饰与着色
一实验目的
1．了解铝阳极氧化法表面修饰的基本原理及方法。

2．了解铝阳极氧化后氧化膜的质量检验方法，以及着色技术。

二实验原理
铝及其合金在空气中都会在其表面自然生成一层极薄的氧化膜（0.01～0.5μm）。

这层氧化膜是无定形的，因此使表面失去原有的光泽，而且因氧化膜疏松多孔不均匀，它虽有一定的抗腐蚀作用，但不可能有效地防止铝及其合金遭受进一步的氧化、腐蚀。

用电化学方法在铝或铝合金表面生成较厚的致密氧化膜，该过程称为阳极氧化。

这种人工氧化膜经过适当处理（封闭）后，无定形氧化膜转化为晶形氧化膜，孔隙被消除，膜层硬度增高，耐磨性、抗腐蚀性、电绝缘性也大大提高，光泽度增强，能经久不变，还可经适当染色处理而得到理想的外观。

因此，铝的表面氧化处理在许多工程技术中得到广泛的应用。

工业上，铝阳极氧化采用的电解液主要有三种：硫酸、草酸和铬酸。

采用不同的电解液，可以获得不同厚度的具有不同机械性能和物理化学性能的氧化膜。

以铅（或石墨）为阴极、铝为阳极，在H2SO4溶液中进行电解，两极反应如下：
阴极：6H+＋6e一= 3 H2↑
阳极：2Al －6e－= 2Al3+
2A13＋＋ 6H2O = 2Al(OH)3＋ 6H＋
2Al(OH)3＝ A12O3＋3H2O
电解过程中，H2SO4又可以使形成的A12O3膜部分溶解，所以氧化膜的生长依赖于金属氧化速度和A12O3膜溶解的速度。

要得到一定厚度的氧化膜，必须控制适当的氧化条件，使氧化膜形成速度大于溶解速度。

阳极氧化所得的膜是整片玻璃状的无水氧化铝（Al2O3），其厚度一般在0.01～0.1μm之间。

膜的外层较软，是由水合氧化铝（Al2O3·H2O）组成的，膜层空隙率高，吸附能力强，容易染色。

因此，把氧化后的铝制件用有机染料或无机染料的水溶液来染色，可得到各种鲜艳的颜色，提高表面的美观度。

因氧化膜呈正电性，故应选用负电性而且易溶于水的阴离子染料。

例如直接染料、酸性染料和活性染料，它们分别带有亲水的磺酸基-SO3Na、羧酸基-COONa，能溶于水，且带负电性。

三仪器药品
1．仪器
烧杯（500 cm3，1只；150 cm3，3只）、量筒（100 cm3，200cm3）、玻璃棒（两根）、电流表（3～5A）、恒流恒压仪、导线若干（带鳄鱼夹）、电极挂钩（可用粗的铜导线自己做）、万用表、电子天平、温度计、镊子、电炉、石棉网、秒表。

2．药品
酸：HNO3（2 mol/dm3，公用）、H2SO4（15％，自行配制）
碱：NaOH（10%，自行配制）
盐：腐蚀试液（K2Cr2O7的盐酸溶液，公用）
其它：铝片、铅片、无水酒精、溶膜液（公用）、着色液（公用）。

四实验步骤
1．配制10％NaOH溶液100 g
将1个150 cm3小烧杯放在电子天平上称重，再放入固体NaOH g（计算量），然后再加入水cm3溶解。

注意：NaOH固体有强腐蚀性，不能用手直接拿，要用镊子夹取。

溶解时会产生大量的热，注意切勿溅到眼中或皮肤上（若溅到眼中或皮肤上应该立即如何处理？）。

2．配制15％H2SO4溶液500 cm3
按实验室浓硫酸的比重及百分浓度计算所需浓硫酸及水的体积。

浓硫酸：比重，百分浓度。

需要该浓硫酸cm3，加水cm3。

用量筒量取水倒入烧杯，再量取浓H2SO4缓缓倒入烧杯中，并不断搅拌，直到全部混合均匀。

注意：先加水再加浓硫酸，顺序绝对不能颠倒！（为什么？）
3．铝片表面清洗
只有把铝片表面处理干净，阳极氧化后才能生成致密的氧化膜。

（1）取两块铝片，用去污粉刷洗，然后用自来水冲洗。

（2）碱洗：将铝片放在60～70℃ 10%的NaOH溶液中浸1min，取出后用自来水冲洗。

油除净的铝片表面应不挂水珠。

（3）酸洗：为了除去碱处理时铝表面沉积出的杂质和中和吸附的碱，将铝片放在2mol/dm3的HNO3溶液中浸泡1min，取出用自来水冲洗。

经过清洗后的铝片不能再用手接触，以免玷污。

洗净的铝片可存放于盛水的烧杯中待用。

4．铝的阳极氧化
（1）计算铝片浸入电解液部分（尚留一部分不浸入电解液）的总面积（应计算铝片的两面），按照电流密度为10～15 mA/cm2计算所需的电流强度大小：mA。

（2）将两个铝片作为阳极，铅为阴极，15％H2SO4为电解液，按图1接好线路。

通电后，调节恒流源，开始时用较小电流密度（不大于5 mA/cm2，计算所需的电流强度大小：mA）氧化1min，而后逐渐调整电流到所需的数值，观察两极反应的情况。

（3）通电30 min（电解液温度不超过25℃）后切断电源，取出铝片，用自来水冲洗。

图1 铝的阳极氧化装置图2 绝缘性检验装置
（4）水封：由于铝氧化膜具有高的孔隙率和吸附性，因此很容易被污染，所以氧化后要进行封闭处理。

处理方法是将铝片放入沸水中煮，其原理是利用无水A12O3发生水化作用，反应如下：
A12O 3 + H 2O → A12O 3·H 2O
A12O 3 + 3H 2O → Al 2O 3·3H 2O
由于氧化膜表面和孔壁的三氧化二铝水化的结果，使氧化物体积增大，将孔隙封闭。

将氧化后的一块铝片放在沸水（去离子水）中煮10 min ，取出放入无水酒精中数秒钟，再晾干，准备进行质量检验。

5．质量检验
（1）绝缘性检验：利用自行设计的串联小灯泡的电路或万用表（见图2），试验铝片氧化部分与未氧化部分的绝缘性能。

（2）氧化膜厚度测定：用溶膜法，溶膜液由H 3PO 4和CrO 3组成。

此溶液可将氧化膜溶解，但不与铝反应。

溶膜液配方：H 3PO 4 35ml ，CrO 3 20g ，加水至100 ml 。

实验步骤如下：
① 将铝片放于电子天平上称重，记下重量W 1 g （称重后先做耐腐蚀实验，然后再进行溶膜）。

② 将铝片浸入90～100℃溶膜液中浸泡15 min ，取出后用水冲洗，再浸入无水酒精后取出晾干。

③ 用同一电子天平称重，记下重量W 2 g 。

④ 计算氧化膜厚度：设氧化膜的平均密度d = 2.7 g/cm 3，W 1－W 2为氧化膜重量。

根据氧化膜的面积A 就可以计算出氧化膜的厚度： μm 。

计算公式如下：
Ad
W d 21W -= （3）耐腐蚀性（注意此实验在溶膜试验称重①后进行）：
在铝片阳极氧化处理的部分和未阳极氧化部分各加一滴K 2Cr 2O 7盐酸溶液，观察反应。

比较这两部分产生气泡和液滴变绿时间的快慢。

写出反应方程式。

6．铝阳极氧化膜的着色
经过阳极氧化处理得到的新氧化膜，因有孔隙和较高的吸附性能，可经过一定的工艺处理染上各种鲜艳的色彩。

按如下配方可获得18K 、14K 金色。

① 配方和工艺条件
② 将未水封处理的铝片经阳极氧化后用水冲洗干净，立即放入着色液中着色（着色液放在电炉上，在
40～60℃下着色，着色时间随所需颜色深浅而定）。

染色过的铝片经过水冲洗干净后，放入煮沸的去离子水中煮沸5 min 进行封闭处理后取出。

五 预习要点
1．了解配制10％NaOH溶液的方法和操作时应注意的事项，计算所需固体NaOH的质量及所需水的量。

2．了解配制15％H2SO4溶液的方法和操作时应注意的事项；计算所需浓硫酸和水的体积。

3．了解如何测定和计算阳极氧化后氧化膜的厚度，掌握阳极氧化电路装置的设计和分析天平的基本使用。

六思考题
1．本实验是怎样进行铝的阳极氧化的？
2．能否用较浓的NaCl溶液代替15％H2SO4作电解液进行铝的阳极氧化？
3．用什么方法检验铝阳极氧化后氧化膜的绝缘性及耐腐蚀性？
4．影响表面处理质量的主要因素有哪些？。