鋁粉著色方法的研究概述

　　摘 要： 本文綜述了鋁粉著色的三種方法，通過陽極氧化法處理鋁粉是在其表面形成一層多孔性的氧化膜，然后浸漬于有機或無機顏料溶液中著色。通過化學氧化法制備彩色鋁粉，是指鋁粉表面經過處理，使其在水溶性染料中具有吸附染料的能力。采用在片狀鋁粉表面沉積二氧化硅和氧化鐵雙層膜的方法制備彩色鋁粉顏料。
　　關鍵詞： 鋁粉著色 陽極氧化法 化學氧化法 表面沉積法
　　
　　隨著生產建設的發展，科學技術及文化的進步，人們對商品美化的要求也相應提高。彩色鋁粉以其色彩鮮艷，抗腐蝕性強，絕緣性高，不易褪色，具有強的金屬光澤，價格低廉等特點，在氣體，涂料，印刷印染等工業生產和美工裝飾等各個部門得到了廣泛的應用，并為拓寬金屬顏料的色彩范圍開辟了廣闊的途徑。
　　為了裝飾目的，彩色鋁粉已經被應用。有關鋁粉的著色研究，國外從三十年代就已經開始［１］，并取得一些成功的經驗。近年來國內也有文獻報道［2］，可采用陽極氧化法制備粒度為320目的彩色鋁粉，但尚處于試驗階段。進入21世紀，人們的環保意識不斷增強，水性涂料呈現了良好的發展前景，鋁粉顏料在水性體系中的成功應用，大大提高了涂料的耐候性，利用溶膠——凝膠法在片狀鋁粉粒子的表面包覆上一層惰性的二氧化硅膜，通過液相沉積法在SiO/Al復合粒子表面沉積一層氧化鐵膜，成功地研制成了彩色鋁粉，促進了水性環保型涂料的發展。
　　下面我就其著色的三種方法作一綜述。
　　1.陽極氧化法制備彩色鋁粉
　　鋁粉的陽極氧化是通過電解液的陽極反應而生成氧化鋁膜的電化學過程。這個氧化膜吸附有機染料、無機顏料的顏色而著色。將鋁粉置于硫酸電解液中，并不斷地加以攪拌，使鋁粉呈漂浮和半漂浮狀態［5］，邊流動邊隨時接觸陽極，并保持不接觸陽極狀態，從而在鋁粉表面生成易于著色的氧化鋁膜。陽極反應是陽極析出的初生態氧與鋁粉表面的鋁原子化合成氧化鋁的反應，其中部分氧化鋁即刻與水化合成水合氧化鋁，這就是氧化鋁膜的形成過程。同時氧化鋁膜可被硫酸電解液溶解，所以陽極氧化過程同時存在成膜反應和溶膜反應，因此必須控制適宜的條件，才能形成一定厚度的氧化鋁膜。陰極反應中產生氫氣，故使形成的氧化鋁膜具有多孔疏松的特點，有利于吸附能力的增強。
　　鋁粉著色是一個物理化學過程，將經陽極氧化處理過的鋁粉置于有機染色液中浸泡，使鋁粉表面氧化膜吸附有機染料分子，同時氧化鋁膜中的氧化鋁分子可與有機染料分子以共價鍵、配位鍵或氫鍵等形式結合生成配合物，從而使氧化膜著色。
　　陽極氧化在鋁粉粒子表面形成氧化鋁膜的過程中，影響成膜的因素較多，同時不同的著色液導致不同的著色效果，因此應該考慮電解液濃度、反應時間、溫度、著色液等因素的影響。研究結果表明：（1）硫酸電解液的濃度對氧化膜的生成具有明顯的影響。硫酸濃度過低，電解液的導電性不強，氧化鋁的成膜速度慢，硫酸濃度過高，生成的氧化膜又溶解，最佳的實驗條件：硫酸電解液的濃度應為5—10%。（2）陽極電流密度與氧化鋁膜生成速度成正比，由于鋁粉在某一瞬間接觸陽極，因此陽極電流密度越大，越有利于鋁粉在陽極放電，陽極電流密度越大，生成的氧化鋁膜越疏松，有利于著色。實驗表明，在7%硫酸電解液中進行陽極氧化，一般控制電流密度為5安/分米2以上，電壓不應小于40伏。（3）在陽極氧化過程中，只有經過一定的時間后，才能使鋁粉與陽極充分接觸，實驗表明，氧化時間以60—90分鐘為宜，同時氧化時溫度也要保持在25—35°C為宜。（4）在氧化鋁膜上著色，其著色的難易程度與氧化膜的厚度及著色液的濃度有關，氧化膜越厚，越易著色；著色液的濃度越大，越易著色，且顏色越深［4］。因此在著色過程中，一般采用較濃的著色液。實驗表明：根據所需顏色的深淺，對著色液濃度加以調整。同時著色液溫度為50—60°C，著色時間為20—40分鐘，pH為4.5—6.0為宜。
　　2.化學氧化法制備彩色鋁粉
　　化學氧化法是將鋁粉置于弱堿性氧液中，在其表面形成一定厚度的氧化膜。鋁粉氧化過程中，發生下列主要反應：
　　2Al+（3+x）HO=AlO?xHO+3HO（1）
　　AlO?xHO=AlO?xHO+（x-1）HO（2）
　　AlO?HO=AlO+HO（3）
　　AlO?xHO+2OH=2（Al（OH））+（x-3）HO（4）
　　2AlO+4OH+6HO=4（Al（OH））（5）
　　鋁粉在弱堿性水溶液的作用下，表面被氧化，生成無定性水合氧化鋁，并逐漸轉化為AlO?HO和無水AlO，形成有效的著色層，在成膜的同時，還伴隨有溶膜反應的發生。因此必須控制適宜的工藝條件，使成膜反應速度大于溶膜反應速度，才能得到符合著色要求的氧化膜。
　　將處理后的鋁粉置于直接耐曬翠藍GL水溶液（1.5g/L）中著色，這一著色過程主要是吸附染料的物理過程，同時也伴隨著一定的化學作用，染色后的鋁粉通過表面處理增加機械強度，同時還要進行親油處理［3］，將染色后的鋁粉用乙醇、丁醇逐次脫水，然后用硬脂酸保護鋁粉表面，這樣可延長存儲期［7］。研究表明：氧化液的pH值對能否成膜及成膜厚度有重要的影響，若pH值較低，成膜反應速度減慢，pH值偏高，會使鋁粉表面的氧化鋁薄膜加速溶解，同時會使鋁粉表面遭受強烈的腐蝕作用而失去光澤，實驗表明，適宜的pH值范圍是8—12；著色液濃度的變化，對著色效果產生較大影響，著色液濃度越大，鋁粉表面顏色越深，但當濃度接近某一數值并繼續增加時，鋁粉表面的顏色不再發生明顯的變化。
　　3.表面沉積法制備彩色鋁粉
　　利用溶膠—凝膠法在片狀鋁粉粒子表面包覆了一層惰性的二氧化硅膜，以制備水性涂料的鋁粉顏料。通過液相沉積法在經二氧化硅包覆后的鋁粉粒子表面再包覆一層氧化鐵膜，使鋁粉著色，得到了環保型彩色鋁粉［8］。利用正硅酸乙酯水解縮聚成膜的溶膠——凝膠法在片狀鋁粉粒子表面包覆一層惰性的二氧化硅膜，使鋁粉表面由疏水性變為親水性，同時鋁粉表面不會與水發生反應。
　　正硅酸乙酯的水解——縮聚反應過程可以分成三步：第一步是正硅酸乙酯水解形成硅酸和相應的醇；第二步是硅酸之間或正硅酸乙酯之間發生縮合反應，形成膠體狀態的混合物；第三步是形成的低聚物繼續聚合形成硅三維網格結構。
　　在催化劑作用下，正硅酸乙酯發生水解——縮聚反應，生成水合氧化硅沉淀，沉積在片狀鋁粉粒子表面，脫水形成二氧化硅。
　　利用液相沉積法包覆氧化鐵膜，使氧化鐵水解生成氫氧化鐵沉淀，沉積在基體表面，再經過焙燒得到氧化鐵膜，其反應原理如下：
　　FeCl+3HO=Fe（OH）+3HCl
　　2Fe（OH）=FeO+3HO
　　其制備過程為：稱取一定量的片狀鋁粉分散在一定體積的異丙醇中，經過超聲分散后倒入三口燒瓶中，置于40°C恒溫水浴槽中攪拌，量取一定量的正硅酸乙酯加入到燒瓶中，再分別量取相應量的氨水和蒸餾水，混合均勻，裝入滴液漏斗中，與三口燒瓶相連，調節滴液漏斗的滴速大約為1滴/秒，持續攪拌，控制正硅酸乙酯的濃度為0.05mol/L—0.1mol/L，水硅比R為16，催化劑氨水的濃度為0.02mol/L—0.2mol/L，反應結束后離心洗滌，干燥得到二氧化硅包覆的片狀鋁粉。
　　稱取一定量經二氧化硅包覆改性過的片狀鋁粉粒子，分散在一定體積的蒸餾水中，經過超聲分散后倒入三口燒瓶中，置于80°C恒溫水浴槽中攪拌，稱取一定量無水三氯化鐵，溶于蒸餾水中，裝入滴液漏斗中，與三口燒瓶相連；量取一定體積的氨水，倒入另一個滴液中，與三口燒瓶相連，調節兩個滴液漏斗的滴速大約為1滴/秒，持續攪拌，反應結束后將樣品離心，洗滌兩次，放入烘箱中于100°C下烘干，再放入馬福爐于500°C下煅燒2h，即可得到彩色鋁粉。
　　
　　影響鋁粉著色效果的因素很多，主要包括溫度、pH值、催化劑等。反應溫度是影響正硅酸乙酯水解的重要因素［８］，它將直接影響片狀鋁粉包膜的效果，反應溫度較低時，正硅酸乙酯水解的速率較慢，生成的水合二氧化硅有足夠的時間有序地沉積在片狀鋁粉粒子表面。經烘干除去水后，水合氧化硅合成了一層致密的膜，當反應溫度升高到50°C時，正硅酸乙酯的水解速度加快，水解生成的水合氧化硅由于量多而來不及有序地沉積在鋁粉粒子的表面，因此生成了絮狀的氧化硅，實驗證明：反應溫度為40°C比較合適。
　　氯化鐵水解反應是吸熱反應，加熱能促進Fe水解，有利于片狀粒子表面包覆氫氧化鐵，但當溫度過高時，鐵離子的水解速度過快，生成的氫氧化鐵過多，來不及沉積在片狀粒子的表面，從而導致粒子表面不能形成均勻的膜，且生成的游離氫氧化鐵較多。實驗證明，反應溫度控制在80°C。正硅酸乙酯很容易水解，既可以被酸催化，又可以被堿催化，但催化劑的選擇將直接影響正硅酸乙酯水解反應的機理及其產物結構，并且凝膠化時間也不同。實驗證明，以堿作催化劑有利于氧化硅膜的均勻性和致密性，同時，由于實驗是在鋁粉粒子表面包覆二氧化硅膜，酸和鋁粉較容易發生反應。因此，本實驗中選取氨水作為催化劑。pH值對氯化鐵的水解有較大的影響，pH值過低對Fe水解有抑制作用，使水解不完全或粒子細小不能沉積在片狀粒子表面，pH值過高則反應速率加快，生成的氫氧化鐵粒子粗糙且游離的氫氧化鐵增多，因此pH值控制在3.0—3.2范圍內。
　　3.結語
　　彩色鋁粉是應用最為廣泛的金屬顏料之一，它具有諸多的優良性能。為了提高彩色鋁粉的性能，拓展彩色鋁粉顏料的品種，本文分別介紹了陽極氧化法、化學氧化法、表面沉積法制備彩色鋁粉的原理及影響因素，為研究彩色鋁粉的現狀奠定了基礎。
　　
　　參考文獻：
　　［1］周毅.金黃色鋁粉的制法［J］.涂料工業，1991，（6）：18-19.
　　［2］周毅，賈延剛.鋁粉化學著色初探［J］.陰山學刊，自然科學版，1995，（13）：30-32.
　　［3］李庚文.彩色鋁粉及其應用［J］.涂料工業，1985，（4）：38-39.
　　［4］用鋁粉制彩色顏料［J］.中小企業科技，1995，（3）：24-26.
　　［5］付義平，李鳳生，付延明等.閃光鋁粉顏料的制備研究［J］.輕合金加工，2005，（33）：33-35.
　　［6］付義平，李鳳生.鋁粉顏料的制備及其改性研究［J］.碩士論文，南京理工學，2005-9-12：29-48.
　　［7］S.John and B.A shenoi，colouring of alaminium power［J］. Finishing Industries，1978：48-50.
　　［8］.同［6］.