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鋁型材陽(yáng)極氧化膜為何要進(jìn)行封孔處理
1:鋁型材陽(yáng)極氧化膜的結(jié)構(gòu)
用手指觸摸未封孔的鋁型材陽(yáng)極氧化膜時(shí),好像有些發(fā)黏或者有吸附的感覺(jué);這是因?yàn)樵阡X型材陽(yáng)極氧化膜的表面存在無(wú)數(shù)的微孔;鋁型材陽(yáng)極氧化發(fā)明初期,人們就知道鋁型材陽(yáng)極氧化膜是由無(wú)數(shù)微孔組成的多孔型陽(yáng)極氧化膜結(jié)構(gòu);隨著電子顯微鏡的發(fā)展,證明了陽(yáng)極氧化膜存在多孔型表層和靠近鋁型材基體的極薄致密層;1953年,Keller提出的陽(yáng)極氧化膜結(jié)構(gòu)模型即使在今天仍然是陽(yáng)極氧化膜的基礎(chǔ);
鋁型材陽(yáng)極氧化膜如下圖所示,是由無(wú)數(shù)的六棱柱狀單元胞在鋁型材基體上垂直致密排列形成,其六棱柱單元胞的中心位置有到達(dá)鋁型材表面的微孔(導(dǎo)電孔);在微孔的底部靠近鋁型材的位置存在極薄且致密的弧狀的阻擋層;單元胞尺寸=單元胞直徑(C),由孔徑(P)和其兩側(cè)的孔壁(W’)的厚度相加得到;(計(jì)算公式:C=P+2W’=P+2WE)式中,C為單元胞直徑;P為孔徑;W’為壁厚(和電壓成比例);W為壁厚系數(shù);E為電壓;
(120V磷酸陽(yáng)極氧化膜的單元胞底部模型)
表1和表2所示微孔的通電孔直徑與陽(yáng)極氧化電壓無(wú)關(guān),磷酸陽(yáng)極氧化膜的微孔直徑約為33nm,草酸陽(yáng)極氧化膜的微孔直徑約為17nm,硫酸陽(yáng)極氧化膜的微孔直徑約為12nm,這些是一定的;一個(gè)單元胞的尺寸大小可用下列公式表示:
單元胞(nm)=2×壁厚系數(shù)(nm/V)×電壓(V)+孔徑(nm)
壁厚系數(shù)因陽(yáng)極氧化溶液而不同,一般為1nm/V;然后,可計(jì)算得到陽(yáng)極氧化膜表面的單元胞或微孔的數(shù)量,硫酸陽(yáng)極氧化膜中每平方厘米存在200億~700億個(gè)或更多的單元胞或微孔;
電解質(zhì)
|
濃度/%
|
溫度/℃
|
孔徑/nm
|
壁厚洗漱/(nm/V)
|
硫酸
|
15
|
10
|
12
|
0.80
|
草酸
|
2
|
24
|
17
|
0.97
|
鉻酸
|
3
|
38
|
24
|
1.09
|
磷酸
|
4
|
24
|
33
|
1.00
|
電解質(zhì)
|
濃度/%
|
溫度/℃
|
電壓/V
|
單元胞或微孔量
|
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
|
鉻酸
|
3
|
49
|
20
|
21.7
|
鉻酸
|
3
|
49
|
40
|
8.1
|
鉻酸
|
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
|
(鋁型材陽(yáng)極氧化膜單元胞或微孔數(shù)量)
12μm厚的硫酸陽(yáng)極氧化膜的微孔直徑和膜厚的比約為1:1000;可以認(rèn)為鋁型材陽(yáng)極氧化膜是由鋁型材上與陽(yáng)極氧化膜厚度等長(zhǎng)的毛細(xì)管,以每平方厘米數(shù)十億個(gè)到數(shù)百億個(gè)微孔排列而成;
因此很容易推斷,這是由毛細(xì)現(xiàn)象賦予吸附性的陽(yáng)極氧化膜;
而且,有研究表明,微孔的孔徑也不是一定的,它與氧化電壓成比例增加;
2:未封孔處理陽(yáng)極氧化膜的性能
未封孔陽(yáng)極氧化膜的優(yōu)點(diǎn)列舉如下:
①與鋁型材相比,硬度和耐磨性能格外優(yōu)異;
②可通過(guò)外加陽(yáng)極氧化電壓控制陽(yáng)極氧化膜結(jié)構(gòu),得到附著性良好的陽(yáng)極氧化膜;
③利用陽(yáng)極氧化膜的微孔,能夠很容易進(jìn)行染色或電解著色;
此外,由于未封孔陽(yáng)極氧化膜具有無(wú)數(shù)微孔的多孔結(jié)構(gòu),因此也具有以下缺點(diǎn):
①容易附著指紋、污染物,也容易吸附腐蝕性物質(zhì),因此耐腐蝕性差;
②容易被陽(yáng)極氧化溶液污染,發(fā)生腐蝕,形成沾染、垂紋、斑點(diǎn)等;
③染料有時(shí)溢出,耐光性差;
④因濕度高導(dǎo)致電性能不穩(wěn)定;
陽(yáng)極氧化膜在開(kāi)發(fā)之初是作為耐熱絕緣材料而被研發(fā)的;但是,在所希望的防腐蝕用途上,由于具有上述缺點(diǎn)而不能使用,鋁型材陽(yáng)極氧化膜的用途也因此受到了限制;
3:封孔處理方法的開(kāi)發(fā)
如上所述,由于鋁型材陽(yáng)極氧化膜極富吸附性,如果不進(jìn)行封孔,容易產(chǎn)生污染或腐蝕等缺陷,也就看不到鋁型材陽(yáng)極氧化工業(yè)的發(fā)展了;
漱藤象二、宮田聰在偶然的機(jī)會(huì)中發(fā)明了使用高壓水蒸氣處理的封孔處理方法,并于1929年5月在日本召開(kāi)的萬(wàn)國(guó)工業(yè)會(huì)議上發(fā)表了;將鋁型材陽(yáng)極氧化膜放入高壓水蒸氣中進(jìn)行處理,因?yàn)檠趸X的水合反應(yīng)而使其體積膨脹阻塞微孔;因此,鋁型材陽(yáng)極氧化膜的吸附性降低,耐腐蝕性和耐污染性得以明顯提升;
受世界領(lǐng)先發(fā)明“高壓水蒸氣處理方法”的啟發(fā),隨后在歐美相繼開(kāi)發(fā)了鉻酸鹽/重鉻酸鹽封孔處理方法、沸水封孔處理法、鎳鹽封孔處理法等方法;使用高壓水蒸氣處理的封孔處理方法的發(fā)展,使鋁型材陽(yáng)極氧化膜的應(yīng)用成為可能;可以毫不夸張地說(shuō),它關(guān)系到今天鋁型材陽(yáng)極氧化工業(yè)的崛起;
4:典型的封孔處理方法
鋁型材陽(yáng)極氧化膜的微孔被封閉后就失去了活性,改善了耐腐蝕性、耐污染性、耐酸性、耐候性和耐光性等物理化學(xué)性質(zhì)的處理就是所謂的封孔處理;在陽(yáng)極氧化處理的工藝中,封孔處理作為必需的后處理工藝;而典型的封孔處理方法,如初期開(kāi)發(fā)的高壓水蒸氣處理法、沸水處理法、鉻鹽酸/重鉻酸鹽處理法、鎳鹽處理法等處理方法現(xiàn)在依然在使用著;
但是近年來(lái),需要考慮對(duì)環(huán)境和健康的影響,開(kāi)始采用三價(jià)鉻酸鹽代替含六價(jià)鉻的鉻酸鹽/重鉻酸鹽進(jìn)行鋁型材封孔處理,鎳鹽等重金屬鹽封孔也成為問(wèn)題;這就需要開(kāi)發(fā)高溫、長(zhǎng)時(shí)間水合處理的替代方法,開(kāi)始使用盡可能節(jié)約能耗型氟化鎳處理的常溫封孔,更節(jié)能且速度更快的鋰鹽封孔處理也開(kāi)始被研究;
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