試驗(yàn)用鋁型材為國內(nèi)建筑門窗常用的6063鋁合金（化學(xué)成份見表1）
表1 6063鋁合金的化學(xué)成份
紫銅色電解著色后的電泳工藝，是采用國內(nèi)當(dāng)前建筑鋁型材廣泛使用的丙烯酸陽極電泳涂料，詳細(xì)工藝條件見表2。
表2 丙烯酸陽極電泳工藝
2．紫銅色電解著色機(jī)理和工藝
據(jù)資料報(bào)道，早在1960年，日本就有利用硫酸銅與硫酸組成的電解溶液進(jìn)行紫銅色電解著色的先例，典型生產(chǎn)工藝見表3：
表3 日本銅鹽電解著色典型生產(chǎn)工藝［1］
紫銅色電解著色通常采用交流正弦波型著色電源，在電解著色過程中，發(fā)生如下電極反應(yīng)：
在交流正半周：4OH- - 4e = 2H2O + O2 ↑ （1）
在交流負(fù)半周：Cu2+ + 2e = Cu （2）
2H+ + 2e = H2↑ （3）
電極反應(yīng)（3）稱析氫反應(yīng)，主要發(fā)生在著色升壓初期，鋁表面獲得的紫銅色是靠電極反應(yīng)（2）獲得。一般來說，紫銅色電解著色的著色主鹽是硫酸銅，與其他金屬鹽的電解著色過程一樣，電解著色槽液內(nèi)的銅離子以單質(zhì)銅或銅的氧化物形式沉積于作為陰極的鋁陽極氧化膜的微孔中。
紫銅色銅鹽電解著色的優(yōu)點(diǎn)有：以硫酸銅為主鹽的紫銅色著色槽液穩(wěn)定性好，無需添加氧化類或還原類物質(zhì)，因而不存在自身消耗問題，配制槽液、槽液中藥品補(bǔ)加及在生產(chǎn)過程中都可以隨意用干凈的空氣對槽液進(jìn)行攪拌；對外來雜質(zhì)也比較不敏感，槽液抗污染能力強(qiáng)；槽液組成比較簡單，廢水處理容易。但遺憾存在如下諸多缺點(diǎn)：
?、俨垡悍稚⒛芰Σ睿貏e對大規(guī)格鋁材著色，斷面上幾個(gè)不同著色面因極間距不同，著色后容易出現(xiàn)面與面間的色差，需加入一些導(dǎo)電鹽來改善；
?、趯?dǎo)電接觸要求高。如綁料稍有松動(dòng)，或其他部位導(dǎo)電接觸不良，就會(huì)出現(xiàn)色差；
③由于銅鹽電解著色在膜孔內(nèi)所沉積的銅不像鎳和錫那樣總是在孔底，有時(shí)卻趨于在陽極氧化膜的孔口［2］，由此容易造成后道水洗褪色現(xiàn)象，封孔類紫銅色鋁材也因耐候性和耐蝕性差而不能用作室外建材；
④在后道電泳過程中，膜孔內(nèi)所沉積的銅很容易溶解而褪色，電泳前需對紫銅色進(jìn)行保護(hù)處理。但經(jīng)保護(hù)處理后的紫銅色氧化膜，因熱塑性進(jìn)一步降低，在電泳烘烤過程中又更容易引發(fā)膜裂現(xiàn)象；
?、菰陔娪竞婵具^過程中，容易出現(xiàn)褪色與膜裂，需適當(dāng)減緩升溫速度和降低烘烤溫度；
?、扌屡渥香~色著色槽液與使用一段時(shí)間后的老槽液，所獲得的色調(diào)會(huì)存在較大差異。一般來說，在每立方米紫銅色著色槽液生產(chǎn)紫銅色電泳鋁型材產(chǎn)量達(dá)3～5噸左右后，紫銅色的色調(diào)才趨于穩(wěn)定；
?、邔︿X基材的金相組織要求高。一旦鋁基材內(nèi)存在粗晶組織，那么所生產(chǎn)的紫銅色電泳產(chǎn)品所出現(xiàn)的粗晶現(xiàn)象，要比生產(chǎn)其他顏色的電泳產(chǎn)品更為明顯。因此在擠壓生產(chǎn)鋁基材時(shí)需嚴(yán)格控制好擠壓的出口溫度，一般為500～540℃，并控制好后道淬火與時(shí)效的熱處理工藝，陽極氧化前處理宜盡量縮短堿洗時(shí)間，最好是單純采用“三合一”酸洗工藝（即將陽極氧化前處理的除油、堿洗和出光三道工序合成一道工序）。
3．引起紫銅色褪色的根源及防止措施
為了使富貴的紫銅色鋁型材能適用于建筑門窗，借鑒用高錳酸鉀電解著色獲得的金黃色，在經(jīng)過電泳處理后其金黃色的耐候性大大提高的成功經(jīng)驗(yàn)，前幾年人們不斷尋找對紫銅色鋁型材亦采用電泳處理的合適工藝。但遺憾發(fā)現(xiàn)紫銅色比用高錳酸鉀電解著色獲得的金黃色更難采用電泳處理，原因在于由氧化膜孔內(nèi)沉積銅獲得的紫銅色，在電泳處理時(shí)很容易發(fā)生陽極溶解（見如下反應(yīng)式），從而造成紫銅色完全褪色現(xiàn)象。
Cu–2e = Cu2+ （4）
對如何解決紫銅色褪色問題人們已進(jìn)行了多年的研究。Sato T，Kaminaga K等人［4］解釋錫鹽著色膜比鎳鹽著色膜較容易褪色（即錫比鎳容易發(fā)生陽極溶解）現(xiàn)象，認(rèn)為是錫鹽著色過程對陽極氧化膜阻擋層的損傷較為嚴(yán)重，使帶負(fù)電荷的電子（e）較容易穿越阻擋層（見圖1B），從而容易發(fā)生電極反應(yīng)（4）。因此我們曾假設(shè)在銅鹽電解著色過程中，之所以出現(xiàn)褪色嚴(yán)重，是因?yàn)殂~鹽著色時(shí)對陽極氧化膜阻擋層的損傷嚴(yán)重所致，從而尋找減輕阻擋層損傷的紫銅色電解著色工藝，但試驗(yàn)結(jié)果均以失敗告終。而比較鎳、錫和銅三種金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位值（見表4），會(huì)得出相反的的結(jié)論，顯然，陽極氧化膜孔內(nèi)沉積的鎳、錫和銅依次在電泳時(shí)越容易發(fā)生陽極溶解問題，不能單純用它們的標(biāo)準(zhǔn)電極電位值大小來解釋。加之銅鹽電解著色在陽極氧化膜孔內(nèi)所沉積的銅不像鎳和錫那樣總是在孔底，有時(shí)卻趨于在陽極氧化膜的孔口，因此，紫銅色電泳褪色問題應(yīng)該涉及一些特殊、復(fù)雜的電化學(xué)現(xiàn)象。
?。ˋ）金屬離子陰極沉積 ?。˙）金屬原子陽極溶解
圖1 金屬離子沉積與金屬原子溶解示意圖
表4 鎳、錫和銅三種金屬的電極反應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)電極電位值
?、賹ψ香~色陽極氧化膜進(jìn)行半封閉，可采用冷封閉或中溫封閉。但不能對紫銅色陽極氧化膜進(jìn)行完全封閉，否則在抑制紫銅色電泳褪色時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響電泳過程，阻礙電泳漆膜的形成，且完全封閉的紫銅色陽極氧化膜其熱塑性降低太多，在電泳膜烘烤時(shí)不免出現(xiàn)氧化膜破裂現(xiàn)象；
?、趯ψ香~色陽極氧化膜進(jìn)行鈍化處理，使氧化膜孔內(nèi)沉積的銅表面形成一層鈍化膜，以阻礙在電泳過程中銅發(fā)生陽極溶解；
③同時(shí)采取上述兩項(xiàng)防止措施，防褪色效果比單獨(dú)一種更穩(wěn)定一些；
?、軐ψ香~色陽極氧化膜進(jìn)行80～85℃的高溫?zé)崴幚?。等同于①與②的保護(hù)措施，但會(huì)影響后道的電泳過程，使表面電泳膜性能變壞；
⑤在①或②的基礎(chǔ)上，將電泳前熱水洗溫度控制在70～75℃，熱水洗時(shí)間控制在7～10min（較高溫時(shí)取上限，較低溫時(shí)取下限），則防褪色效果亦比單獨(dú)一種更穩(wěn)定一些；
⑥對紫銅色陽極氧化膜進(jìn)行二次電解著色（即在紫銅色著色、水洗后，再進(jìn)行一道第二次電解著色處理）。采用單錫鹽或錫鎳混鹽著色槽液均可，使氧化膜孔內(nèi)沉積的銅表面受到微量錫與鎳的保護(hù)。這種防止措施比較容易獲得穩(wěn)定的紫銅色，且對抑制烘烤膜裂沒有負(fù)面影響，帶入錫鹽或錫鎳混鹽槽內(nèi)少量的硫酸銅一般不會(huì)構(gòu)成污染，因?yàn)橥ǔＡ蛩徙~會(huì)被錫鹽或錫鎳混鹽槽液內(nèi)所存在的還原劑還原成單質(zhì)銅而沉于槽底；
4．引起紫銅色氧化膜破裂的根源及防止措施
紫銅色鋁型材中鋁基體的熱膨脹系數(shù)（a = ΔL/L.ΔT）約為23.2/℃，是紫銅色鋁型材中表面氧化膜的約5倍之大［3］，如果對紫銅色氧化膜進(jìn)行一定封閉或其他方式填充后，則兩者熱膨脹系數(shù)的差異會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，正是兩者存在較大的熱膨脹系數(shù)差異，使得在加熱過程中氧化膜受到共為一體的鋁基體拉應(yīng)力作用，而當(dāng)鋁基體的拉應(yīng)力超過氧化膜的屈服極限后，就會(huì)導(dǎo)致氧化膜破裂，因此可以說在紫銅色電泳鋁型材烘烤過程中，引起表面氧化膜破裂的根源是鋁基體與氧化膜的熱膨脹系數(shù)差異較大所致。由此看來，防止紫銅色氧化膜破裂要從減小鋁基體的拉應(yīng)力和提高表面氧化膜塑性兩個(gè)方面考慮。如下幾種措施可有效防止紫銅色氧化膜破裂：
?、賴?yán)格控制氧化膜厚度。一般來說，較厚的氧化膜通常塑性更差，由烘烤導(dǎo)致膜的裂紋愈深，使得肉眼看來更顯眼，冷卻后亦不易復(fù)原，氧化膜厚度宜控制在9～12?m；
②嚴(yán)格控制陽極氧化槽液溫度。較低的陽極氧化槽液溫度，使鋁表面獲得的氧化膜熱塑性較差，因而易產(chǎn)生烘烤膜裂，陽極氧化槽液溫度宜控制在20～23℃；
?、蹏?yán)格控制電泳漆膜厚度。較厚的漆膜需要較長的烘烤時(shí)間，對抑制膜裂不利，電泳漆膜厚度宜控制在9～12?m；
?、車?yán)格控制半封閉工藝。在控制好褪色情況下，盡量減弱封閉程度，應(yīng)控制好封閉工藝參數(shù)，封閉速度不宜太快；
⑤適當(dāng)降低烘烤升溫速度和烘烤溫度。如烘烤時(shí)升溫速度越快、溫度越高，則氧化膜所受到鋁基體的拉應(yīng)力及由拉應(yīng)力產(chǎn)生的慣性力會(huì)愈大，就愈容易超過氧化膜的屈服極限而導(dǎo)致膜裂。一般控制烘烤溫度為160～170℃，烘烤保溫時(shí)間為30～40min。最好從室溫或＜50℃開始升溫，從＜50℃升至170℃宜控制在約60min，烘烤升溫快、溫度高亦易導(dǎo)致紫銅色褪色；
?、迌?yōu)先選用“二次電解著色法”抑制褪色。該措施不會(huì)降低紫銅色氧化膜的熱塑性，是一種既能有效防止褪色又不引發(fā)膜裂傾向的雙優(yōu)措施；
?、咴诋a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求許可的情況下，適當(dāng)減薄基材（即鋁基體）厚度，以減小紫銅色電泳鋁型材烘烤時(shí)鋁基體對氧化膜的拉應(yīng)力。
5．結(jié)束語
近幾年來，紫銅色電泳鋁型材作為一種新型建筑門窗材料倍受人們青睞。針對紫銅色電泳鋁型材在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)褪色與膜裂兩大問題，在研究紫銅色電解著色機(jī)理與工藝的基礎(chǔ)上，分析了引起褪色與膜裂問題的根源，并提出了相應(yīng)的防止措施。生產(chǎn)紫銅色電泳鋁型材因存在容易褪色和膜裂兩大問題，需采取相應(yīng)的一些防止措施，建議：優(yōu)先選用“二次電解著色法”抑制褪色；需對生產(chǎn)工藝的一些主要參數(shù)進(jìn)行更嚴(yán)格的控制，如陽極氧化膜厚度為9～12?m、陽極氧化槽液溫度為20～23℃、電泳漆膜厚度為9～12?m、烘烤溫度為160～170℃，且控制升溫速度≯2℃/min等。生產(chǎn)廠家應(yīng)該根據(jù)各自的實(shí)際情況，綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)成本兩大要素，選擇最合適的紫銅色電泳鋁型材生產(chǎn)工藝。
