采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法

摘要

本发明公开了一种采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化着色膜孔的方法。该方法是将铝合金基体材料进行阳极氧化、电解着色以及用纳米的二氧化钛凝胶封孔，阳极氧化使其表面生成致密层和多孔层结构的氧化膜，提高其耐腐蚀性，电解着色在多孔层内沉积纳米金属的抗菌粒子，赋予其抗菌性能，二氧化钛凝胶封孔将具有自洁、杀菌作用的纳米二氧化钛稳定的存在于铝合金表面，使其具有自洁性，并且与纳米金属抗菌粒子一起使铝合金具有双重抗菌性，同时也具有装饰作用。本发明制备的多功涂层具有装饰、耐蚀、耐擦拭、抗菌、自洁等多种功能，可用于食品、医疗、烟草等铝合金制备行业。可有效扩大铝合金的应用范围。

说明书

技术领域

本发明公开了一种封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，特别是指一种采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法。属于表面处理技术领域。 

技术背景

铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中大量运用。由于铝合金质轻、价廉，毒性极小，相比不锈钢和钛合金，铝合金在医学、食品、烟草机械等应用或家用器具上的价格优势是显而易见的，因此这些方面仍有很大的发展空间。 

铝是比较活泼的金属，标准电位是-1.66V(vs.S.H.E)，因此铝合金在空气中也能被氧化生成一层0.01-0.1微米的自然氧化层，但是这层氧化膜比较薄，耐磨性、耐蚀性等均不稳定，所以对铝合金进行表面处理，可以显著提高其耐磨、耐腐蚀性能等。 

铝合金经阳极氧化后能生成内层致密层、外层多孔层的特殊结构的氧化膜，这种氧化膜具有很高的孔隙率和吸附能力，容易受污染和腐蚀介质侵蚀，特别是侵蚀性阴离子(如Clˉ、S2ˉ、含阳离子等)以及水分子等仍然能够透过氧化膜，导致耐蚀性(特别是小孔腐蚀)和耐磨性变差，因此必须进行封孔处理， 来提高其耐蚀性。 

发明人于2012年6月申请的申请号为：“201210212975.1”名称为：“一种医学外用铝合金多功能涂层的电化学制备方法”发明专利；通过对铝合金基材进行阳极氧化处理和电解着色，使铝合金表面形成多孔氧化膜并在膜孔中含有一定的银、铜、锌等金属，最后，通过水煮的方式采用含纳米二氧化钛颗粒的沸水对铝合金表面形成的多孔氧化膜孔进行封闭；使氧化膜表层中既含有具备杀菌、防腐的银、铜、锌等金属，同时又含有具备自洁功能的纳米二氧化钛，使铝合金具有装饰、耐蚀、杀菌和自洁等功能。满足了铝合金在医学外用方面的各项要求，拓展了铝合金在医学器械等诸多领域的应用范围。但上述方法制备的铝合金多功能涂层，还存在以下缺陷： 

1、由于封孔是采用含纳米二氧化钛颗粒的沸水封孔，沸水封孔虽然能利用扩散作用使部分二氧化钛粒子在封孔过程中扩散到氧化膜孔内，但通过扩散被嵌入封孔层的二氧化钛颗粒的数量有限，光解和自清洁能力不高； 

2、由于二氧化钛颗粒与膜层之间无法结合，因此，只能存在于膜孔内，而不能附着在氧化膜表面，也就是说，采用含纳米二氧化钛颗粒沸水封孔处理后的多孔氧化膜，只在其膜孔中存在二氧化钛颗粒，膜层表面没有二氧化钛存在，进一步限制了其光解和自清洁能力。 

3、由于阳极氧化处理和电解着色后，在铝合金表面形成的多孔氧化膜主要为勃姆体(羟基氧化铝)，勃姆体本身耐强酸、强碱腐蚀性差，导致采用二氧化钛颗粒沸水封孔后的氧化膜层迅速被腐蚀，导致铝合金表面色泽美观度迅速下降，耐磨性、耐蚀性降低。 

4、采用沸水封孔，能耗比较高。 

关于二氧化钛凝胶作为铝合金氧化膜封孔材料，至今还没有看到公开报道。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，本发明方法工艺简单，操作简便，孔隙封闭率高，封孔涂层与基体结合良好，具有较好的力学性能，有效提高铝合金的耐蚀、耐磨性，同时，使铝合金表面具备杀菌、抑菌、自洁、装饰等多种功能。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

本发明采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，包括下述步骤： 

第一步：铝合金表面电解阳极氧化 

以铝合金、石墨、不锈钢、铅、钛合金中的一种作为阴极，以需表面氧化保护的铝合金作阳极进行阳极氧化，在铝合金表面形成多孔氧化膜； 

阳极氧化工艺为： 

阳极氧化电解液由硫酸、铝离子组成，每升阳极氧化电解液中含硫酸的质量体积浓度为120-180g/L，每升阳极氧化电解液中含铝离子的质量体积浓度为5-20g/L；所述铝离子选自硫酸铝、偏铝酸盐、氢氧化铝中的一种； 

阳极氧化电流密度为40-60mA/cm²； 

第二步：表面封孔 

将第一步得到的铝合金氧化着色膜表面用水冲洗干净后，置于二氧化钛凝胶中浸泡20-50min，取出于80-98℃干燥；在铝合金表面获得二氧化钛凝胶封孔膜层。 

本发明采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，在第一步 铝合金表面电解氧化后，对铝合金表面进行电化学着色，然后，进行表面封孔。 

本发明采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，铝合金表面进行电化学着色的工艺参数为： 

以石墨为阳极，以经过阳极氧化后的铝合金为阴极，电解温度为40-80℃，电流密度为5—100mA/cm²，电解液的pH值控制在0.5-2，电解液由着色剂、配位剂、溶剂组成，每升溶剂中含着色剂的质量体积浓度为5-50g/L，含配位剂的质量体积浓度为20-60g/L。 

本发明采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，所述配位剂选自酒石酸、柠檬酸、焦磷酸、乙二胺四乙酸、酒石酸盐、柠檬酸盐、焦磷酸盐、乙二胺四乙酸盐中的至少一种；所述着色剂选自金属银、铜、锌的无机盐中的至少一种；所述溶剂为蒸馏水。 

本发明采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，阳极氧化电解温度10-40℃，电解氧化时间为20-40min。 

本发明采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，电化学着色的电解时间为30-300s。 

本发明采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，二氧化钛凝胶制备过程是：将钛酸丁酯加入无水乙醇中，混合均匀得到A溶液；再另取冰醋酸与乙醇混合得到B溶液；然后将A缓慢倒入B中，搅拌，得到二氧化钛凝胶。 

本发明采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，A溶液由5-30mL钛酸丁酯加入10-100ml的无水乙醇中，混合均匀得到；B溶液由5-30ml冰醋酸与10-100ml体积百分浓度为95％的乙醇混合得到；将A缓慢倒入B中后， 搅拌30min，得到二氧化钛凝胶。 

本发明采用二氧化钛凝胶封闭铝合金表面阳极氧化膜孔的方法，所述阳极氧化电解工艺与电化学着色工艺均采用直流电源；所述直流电源为恒压直流电源或者恒流直流电源。 

本发明采用二氧化钛凝胶封孔，实现了二氧化钛与氧化膜层的化学结合，由于氧化膜本身是氧化铝结构，而溶胶制备二氧化钛可以与之形成牢固的Ti-O-Al键，这种结合由于形成化学键，因此与氧化膜结合的非常好，封孔凝胶与氧化膜本身结合非常牢固，可以防止因为使用时的多次清洗、擦拭表面颜色被擦除。另外，采用二氧化钛凝胶封孔，替代常规的沸水封孔，一方面，可以节约电能和水资源，另一方面，由于二氧化钛凝胶中二氧化钛密度比沸水中大，二氧化钛的含量大大提高，并且它的粘性和连续性可以让二氧化钛方便的进入到铝合金表面阳极氧化膜孔底部、内壁以及铝合金表面；可以更好的发挥二氧化钛的特性。使二氧化钛封孔膜层与基体结合性好，耐蚀性较沸水封孔提高，并且具有抑菌自洁性能； 

另外，本发明在铝合金表面电解阳极氧化生成内层致密、外层多孔层的特殊结构的氧化膜后，采用电化学着色工艺，在氧化膜外层多孔层中沉积具有杀菌效果的金属粒子如银、铜、锌，不仅可以使铝合金表面呈现不同的颜色，具有优良的装饰性，同时，可以大幅度提高铝合金的耐擦拭性和耐腐蚀性能，特别是，利用银、铜、锌的杀菌性能，极大的提高铝合金表面的杀菌、自洁性能。由于膜孔是纳米级别，通过理论计算每平方厘米大概需要沉积的金属只有十几毫克，因此成本很低，并且纳米级金属粒子(如纳米银)的杀菌功能是通过纳米金属粒子侵入细菌体内，阻碍细菌体内某种酶的合成来杀死细菌的，可以重 复利用，不会随使用次数而失去杀菌性能，因此沉积杀菌粒子，达到低成本而大幅度提高杀菌、装饰的效果。 

本发明采用直流电源阳极氧化和电解着色，工艺简单，氧化着色一步完成，并且着色工艺能随电解时间变化而呈现不同的颜色，具有优良的装饰性，同时工艺环保无毒，并具有抗菌、杀菌性能。最后，采用二氧化钛凝胶封孔技术，工艺简单，节约了大量的电能和水资源，并且能使二氧化钛稳定存在于铝合金表面，使铝合金具有自洁性和双层抗菌性的效果。 

本发明制备的金黄色氧化膜具颜色金黄饱满，装饰性好，同时具有抑菌、抗菌、自洁、装饰等多功能。 

溶胶封孔的金黄色氧化膜与基体结合强度好，采用试纸擦拭，至少1万次以上才开始脱色。含二氧化钛纳米粒子的沸水封孔氧化膜耐擦拭性为3000次左右。 

金黄色氧化膜抗盐腐蚀性好，在5％的氯化钠溶液中的腐蚀速度在10^-6-10^-7A/cm²。较铝合金基体(10^-4A/cm²)提高2-3个数量级。含二氧化钛纳米粒子的沸水封孔氧化膜耐蚀为10^-6A/cm²。 

金黄色氧化膜抗碱腐蚀性好，在150g/L的氢氧化钠的点滴抗碱腐蚀性实验中，抗腐蚀达40min。含二氧化钛纳米粒子的沸水封孔氧化膜耐此碱蚀为20min左右，而同等条件下铝合金氧化膜的抗腐蚀时间只有十几秒钟。 

金黄色氧化膜涂层抗菌性强，馒头接触性抗菌性实验，至少5天不会发生霉变，7天以上也不会完全霉变，具有良好的抗菌性。而同等环境下铝合金基体表面的馒头在24h内长霉。含二氧化钛纳米粒子的沸水封孔氧化膜对霉菌的抑制可以达到3天。 

金黄色氧化膜涂层光解自洁性能强，在光解甲基橙实验中，太阳光下60min后分解率为40-88％以上，有很好的光解自洁性能。含二氧化钛纳米粒子的沸水封孔氧化膜对甲基橙的光解率可以达50％以上。 

综上所述，本发明处理后的铝合金多功能氧化膜不仅与基体具有优良的结合性，还具有非常优异的抗腐蚀性，耐擦拭、抑菌，杀菌、装饰性能等多种性能，膜层经久耐用，性能保持不变。可以大大提高铝合金的各种性能，为拓展铝合金的应用范围开辟了新的应用领域，能使铝合金符合医用器材等的需要，应用于医学器材(如担架、扶手、床架、手术用具等)、日用器皿(如厨房用具、盛放食物用具等)、婴儿用品等领域；能在盛放食物的时候抑制细菌的生长等，提高人民的生活水准，开拓新的铝合金应用市场。 

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。当然，本领域技术人员可能根据下述描述方案，提出相应修改或变化，这些修改或变化均应包含在本发明的包含范围之内。 

实施例1 

第一步：按照常规铝合金抛光除锈、水洗、酸洗除油、水洗工序后，将铝合金浸入180g/L的硫酸溶液中，其中含有10g/L的硫酸铝，把需要氧化的铝合金作为阳极，阴极也为铝合金，反应环境温度为20℃，采用恒流电源，电流密度为40mA/cm²，氧化时间为30min，取出氧化后的铝合金在流动的清水中冲洗，除去氧化膜表面的电解液，在铝合金表面得到银灰色的氧化膜； 

第二步：将第一步所得铝合金做为阴极，以石墨为阳极，电解液为10g/L 硝酸银、5g/L硫酸镁和10g/L柠檬酸钠，以硝酸调节pH到0.5，然后将第一步氧化后的银灰色铝合金浸泡在电解液中进行电解着色，阴极电流密度为60mA/cm²，沉积时间90s后得到金黄色的氧化膜。然后取出金黄色铝合金在流动的清水中冲洗，除去残留的电解液； 

第三步：首先配置二氧化钛凝胶：先将20mL钛酸丁酯加入70ml的无水乙醇，混合均匀得到A溶液；再另取8ml冰醋酸与35ml的质量体积浓度为95％的乙醇混合得到B溶液；然后将A缓慢倒入B中，迅速搅拌30min，得到二氧化钛凝胶。然后，将第二步得到的金黄色铝合金在二氧化钛凝胶中浸泡30min后，取出，于90℃的干燥箱中干燥30min后冷却至室温，用清水冲洗干净，烘干，即可得到二氧化钛凝胶封孔膜层。 

本实施例制备的金黄色氧化膜具颜色金黄饱满，装饰性好，同时具有抑菌、抗菌、自洁、装饰等多功能。采用试纸擦拭，超过10000次，才开始脱色；在5％的氯化钠溶液中的腐蚀速度在10^-6-10^-7A/cm²，较铝合金基体(10^-4A/cm²)提高2-3个数量级；在150g/L的氢氧化钠的点滴抗碱腐蚀性实验中，抗腐蚀达30min以上，而同等条件下铝合金氧化膜的抗腐蚀时间只有几秒钟；涂层的抗菌性强，在馒头接触性抗菌性实验中，同等环境下铝合金基体表面的馒头在24h内长霉，而本发明处理的铝合金可以坚持72h，并且120小时以上也不会完全霉变；光解甲基橙实验中，在太阳光下60min后分解率达到88％，有很好的光解自洁性能。 

对比例1 

采用含纳米二氧化钛沸水封孔获得铝合金多功能涂层的工艺第一、二步与实例1一致。分别是阳极氧化铝合金和对铝合金氧化膜进行电解着色银。第三 步封孔工艺如下，将氧化和电解着色后的铝合金浸入到含有纳米二氧化钛的沸水中20分钟，然后取出，烘干，得到含纳米二氧化钛粒子的沸水封孔氧化膜。 

本对比例制备的金黄色氧化膜具颜色金黄饱满，装饰性好，同时具有抑菌、抗菌、自洁、装饰等多功能。采用试纸擦拭，超过3000次左右，才开始脱色；在5％的氯化钠溶液中的腐蚀速度在10^-6A/cm²，较铝合金基体(10^-4A/cm²)提高2个数量级；在150g/L的氢氧化钠的点滴抗碱腐蚀性实验中，抗腐蚀达20min以上，而同等条件下铝合金氧化膜的抗腐蚀时间只有十几秒钟；涂层的抗菌性强，在馒头接触性抗菌性实验中，同等环境下铝合金基体表面的馒头在24h内长霉，而含纳米二氧化钛粒子的沸水处理的铝合金可以坚持3天；光解甲基橙实验中，在太阳光下60min后分解率达到50％左右，有较好的光解自洁性能。 

通过实施例1与对比例1的封孔实例比较可以发现，采用二氧化钛凝胶封孔的工艺也可以获得色泽饱满的装饰性涂层，在耐蚀、耐擦拭、杀菌和自洁等性能方面较沸水封孔的涂层的性能更好，更适用于医学外用等方面。 

实施例2 

第一步：按照常规铝合金抛光除锈、水洗、酸洗除油、水洗工序后，将铝合金浸入100g/L的硫酸溶液中，其中含有10g/L的硫酸铝，把需要氧化的铝合金作为阳极，阴极也为铝合金，反应环境温度为20℃，采用恒流电源，电流密度为60mA/cm²,氧化时间为30min，取出氧化后的铝合金在流动的清水中冲洗，除去氧化膜表面的电解液，在铝合金表面得到银灰色的氧化膜； 

第二步：将第一步所得铝合金做为阴极，以石墨为阳极，电解液为50g/L硝酸银、5g/L硫酸镁和50g/L柠檬酸钠，以硝酸调节pH到0.5，然后将第一步氧化后的银灰色铝合金浸泡在电解液中进行电解着色，阴极电流密度为60 mA/cm²，沉积时间30s后得到金黄色的氧化膜。然后取出金黄色铝合金在流动的清水中冲洗，除去残留的电解液； 

第三步：首先配置二氧化钛凝胶：先将20mL钛酸丁酯加入100ml的无水乙醇，混合均匀得到A溶液；再另取8ml冰醋酸与20ml的95％的乙醇混合得到B溶液；然后将A缓慢倒入B中，迅速搅拌30min，得到二氧化钛凝胶。然后，将第二步得到的金黄色铝合金浸泡在二氧化钛凝胶中40min，在98℃的干燥箱中干燥30min，再取出来冷却并用清水冲洗干净，烘干，即可得到二氧化钛凝胶封孔膜层。

本实施例制备的金黄色氧化膜具颜色金黄饱满，装饰性好，同时具有抑菌、抗菌、自洁、装饰等多功能。采用试纸擦拭，超过4000次，才开始脱色；在5％的氯化钠溶液中的腐蚀速度在10^-5-10^-6A/cm²，较铝合金基体(10^-4A/cm²)提高1-2个数量级；在150g/L的氢氧化钠的点滴抗碱腐蚀性实验中，抗腐蚀达10min，而同等条件下铝合金氧化膜的抗腐蚀时间只有几秒钟；涂层的抗菌性强，在馒头接触性抗菌性实验中，同等环境下铝合金基体表面的馒头在24h内长霉，而本发明处理的铝合金可以坚持72h，并且120小时以上也不会完全霉变；光解甲基橙实验中，在太阳光下60min后分解率达到40％以上，有很好的光解自洁性能。 

实施例3 

第一步：按照常规铝合金抛光除锈、水洗、酸洗除油、水洗工序后，将铝合金浸入100g/L的硫酸溶液中，其中含有20g/L的硫酸铝，把需要氧化的铝合金作为阳极，阴极也为铝合金，反应环境温度为20℃，采用恒流电源，电流密度为50mA/cm²,氧化时间为30min，取出氧化后的铝合金在流动的清水中冲洗，除去氧化膜表面的电解液，在铝合金表面得到银灰色的氧化膜； 

第二步：将第一步所得铝合金做为阴极，以石墨为阳极，电解液为25g/L硝酸银、5g/L硫酸镁和25g/L柠檬酸钠，以硝酸调节pH到0.5，然后将第一步氧化后的银灰色铝合金浸泡在电解液中进行电解着色，阴极电流密度为40mA/cm²，沉积时间300s后得到红色的氧化膜。然后取出此铝合金在流动的清水中冲洗，除去残留的电解液； 

第三步：首先配置二氧化钛凝胶：先将20mL钛酸丁酯加入80ml的无水乙醇，混合均匀得到A溶液；再另取8ml冰醋酸与30ml的95％的乙醇混合得到B溶液；然后将A缓慢倒入B中，迅速搅拌30min，得到二氧化钛凝胶。然后，将第二步得到的红色铝合金浸泡在二氧化钛凝胶中20min，在80℃的干燥箱中干燥30min，再取出来冷却并用清水冲洗干净，烘干，即可得到二氧化钛凝胶封孔膜层。 

本实施例制备的红色氧化膜具颜色饱满，装饰性好，同时具有抑菌、抗菌、自洁、装饰等多功能。采用试纸擦拭，3000次才开始脱色；在5％的氯化钠溶液中的腐蚀速度在10^-5-10^-6A/cm²，较铝合金基体(10^-4A/cm²)提高1-2个数量级；在150g/L的氢氧化钠的点滴抗碱腐蚀性实验中，抗腐蚀达5-6min，而同等条件下铝合金氧化膜的抗腐蚀时间只有几秒钟；涂层的抗菌性强，在馒头接触性抗菌性实验中，同等环境下铝合金基体表面的馒头在24h内长霉，而本发明处理的铝合金可以坚持72h，并且120小时以上也不会完全霉变；光解甲基橙实验中，在太阳光下60min后分解率达到75％以上，有很好的光解自洁性能。