專利名稱：鋁三步電解法制備太陽能彩色吸收涂層的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備太陽能彩色吸收涂層的工藝，特別是一種鋁三步電解法制備太陽能彩色吸收涂層的工藝，屬于太陽能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前全世界范圍面臨的最為突出的問題是環(huán)境與能源，即環(huán)境惡化和能源短缺。太陽能材料這一新型功能材料的發(fā)展，既可解決人類面臨的能源短缺，又不造成環(huán)境污染。在太陽能的光熱利用中，用以實現(xiàn)光—熱轉(zhuǎn)化的集熱器吸收表面涂層的性能與外觀決定了其應(yīng)用范圍。目前太陽能集熱器的吸收涂層的制備方法主要有電鍍法，電化學表面轉(zhuǎn)化法，真空涂鍍法，涂刷涂料法等，但是這些傳統(tǒng)方法通常只能得到黑色的吸收涂層，色彩單一，不美觀，缺乏裝飾性，不能使太陽能熱水器與建筑物在色彩上協(xié)調(diào)一致，更不能作為太陽房的吸熱涂層。鋁三步電解法是當前最先進的鋁電解著色技術(shù)，它可以改變氧化膜的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸，獲得色彩鮮艷，光學性能良好的吸收涂層。經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，《有色金屬加工》1996(3)43～46上刊登了日本的高砂志朗等人介紹三步電解法工藝的文章《鋁的多色電解著色法》。該文中提到的工藝首先在硫酸中陽極氧化達到所希望的薄膜厚度后，作為中間處理在磷酸中進行陽極氧化，從而開發(fā)了只在針孔底部改變?yōu)榱姿嵫趸べ|(zhì)地的方法。這個方法由硫酸陽極氧化，磷酸陽極氧化及電解著色三個工序組成，因而被稱為三步電解著色法。然而，當前三步電解著色法工藝難以控制，電解著色時間對色調(diào)變化的影響顯著得以秒計，其色調(diào)的控制非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述技術(shù)中存在的不足，提供一種鋁三步電解法制備太陽能彩色吸收涂層的工藝，摸索了一整套制備彩色吸收涂層的工藝參數(shù)，使制備的吸收涂層顏色多樣，裝飾性強，涂層壽命長，可基本滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明利用三步電解著色工藝，在常規(guī)硫酸液中一步電解后，增加了在磷酸中二步電解工藝，從而在純鋁的基體表面制備了與基體良好結(jié)合，光學性能良好的彩色太陽能選擇性吸收涂層，其工藝流程為①化學預(yù)處理，②硫酸一步電解，③磷酸二步電解，④金屬鹽三步電解著色，⑤沸水封孔。
以下對本發(fā)明工藝作進一步的說明，內(nèi)容如下(1)化學預(yù)處理采用堿性清洗液除去試樣的油脂等雜質(zhì)。NaOH的濃度為10～50g/L，升溫至40～70℃，腐蝕2～5min。
(2)硫酸一步電解將經(jīng)過預(yù)處理的試樣作為陽極，陰極為矩形鉛板，在硫酸液中進行一步電解。其中硫酸濃度為10～20％，溫度控制在10～30℃，電流密度控制在1.0～2.0A/dm2，陽極化時間為10～20min。
(3)磷酸二步電解為了增加膜層中沉積離子的含量，改善膜層結(jié)構(gòu)，在硫酸液中一步電解后，在磷酸中進行二步電解。磷酸濃度是此過程的主要參數(shù)之一。本發(fā)明的合適的磷酸重量百分比濃度為1％～15％。當選用高重量百分比濃度的磷酸(＞15％)進行擴孔時，擴孔過程中試樣表面出現(xiàn)掛灰現(xiàn)象，且溶液短時間內(nèi)變得混濁；而在低重量百分比濃度(＜1％)的磷酸擴孔時，對后面著色涂層的光學性能影響很小。
磷酸液的電解電壓及時間也是影響鋁氧化膜著色的重要因素。電壓過低，時間過短著色難度大，顏色不均；電壓過高，時間過長則膜層顏色過深。本發(fā)明將磷酸二步電解的電壓控制在10～30V，時間控制在5min～20min，取得了較好的效果。
因此此電解過程的工藝參數(shù)為磷酸濃度為1wt％～15wt％；電解電壓為10～30V；電解時間5min～20min，溫度控制在20℃左右。
(4)金屬鹽三步電解著色將經(jīng)磷酸二步電解后的試樣放入金屬鹽中進行三步電解著色。金屬鹽濃度，電解電壓，時間，溫度仍是主要影響因素。電解著色工藝紅色系涂層電解液濃度CuSO4·5H2O(5～30g/L)；綠色系涂層電解液濃度NiSO4·7 H2O(10～40g/L)，硼酸(10～25g/L)硫酸銨(5～20g/L)；外加電壓10～30V，著色時間0.5～5min，溫度控制在20℃左右。
(5)封孔為了提高涂層的使用壽命，電解著色后進行沸水封孔15～30min。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步，傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)制備的太陽能吸收涂層均為黑色，與建筑物的外觀極不協(xié)調(diào)。本發(fā)明采用三步電解的方法，在常規(guī)硫酸液中一步電解后，增加了在磷酸中二步電解工藝，改變了氧化膜層的結(jié)構(gòu)。對三步電解液的濃度、電解電壓及時間等參數(shù)進行調(diào)整，克服了二步電解著色涂層顏色單一，光學性能差的缺點。利用本發(fā)明制備的吸收涂層具有顏色多樣，壽命長，光學性能良好的優(yōu)點。所得涂層為紅、綠色系，裝飾性強，吸收率可達0.8～0.9，比較適用于暴露在外面的低溫太陽能集熱裝置，美化環(huán)境，可望推動太陽能集熱裝置與建筑物一體化的進程。
具體實施例方式
本發(fā)明采用鋁的三步電解方法制備彩色太陽能吸收涂層。所獲涂層顏色均勻牢固，可使用十年以上而不退色脫落；光學性能良好，其吸收率α可達0.8～0.9，熱發(fā)射率ε為0.45～0.6。
實施例1首先進行化學預(yù)處理采用堿性清洗液除去試樣的油脂等雜質(zhì)。NaOH的濃度為10g/L，升溫至70℃，腐蝕5min。采用普通硫酸陽極氧化工藝進行一步電解，工藝參數(shù)為硫酸濃度為20％，溫度控制在10℃，電流密度為1.0A/dm2，陽極化時間為10min。然后在磷酸液中進行二步電解。配制的磷酸電解液參數(shù)為磷酸1％，電解電壓30V，時間20min，溫度控制在20℃左右。在金屬鹽中三步電解著色的參數(shù)為CuSO4·5H2O 5g/L，電解電壓30V，著色時間0.5min，溫度20℃。15min沸水封孔后所得涂層為淡紅色，α為0.8，ε為0.5。
實施例2化學預(yù)處理采用堿性清洗液除去試樣的油脂等雜質(zhì)。NaOH的濃度為30g/L，升溫至50℃，腐蝕3min。采用普通硫酸陽極氧化工藝進行一步電解，工藝參數(shù)為硫酸濃度為10％，溫度控制在30℃，電流密度為1.5A/dm2，陽極化時間為20min。然后在磷酸液中進行二步電解。配制的磷酸氧化液參數(shù)為磷酸15％，電解電壓10V，時間5min，溫度控制在20℃左右。在金屬鹽中三步電解著色的參數(shù)為CuSO4·5H2O 30g/L，電解電壓10V，著色時間5min，溫度20℃。30min沸水封孔后所得涂層為黑紅色，α為0.9，ε為0.6。
實施例3化學預(yù)處理采用堿性清洗液除去試樣的油脂等雜質(zhì)。NaOH的濃度為50g/L，升溫至40℃，腐蝕2min。采用普通硫酸陽極氧化工藝進行一步電解，工藝參數(shù)為硫酸濃度為15％，溫度控制在20℃，電流密度為2.0A/dm2，陽極化時間為12min。然后在磷酸液中進行二步電解。配制的磷酸氧化液參數(shù)為磷酸10％，電解電壓22V，時間15min，溫度控制在20℃左右。在金屬鹽中三步電解著色的參數(shù)為CuSO4·5H2O 15g/L，電解電壓22V，著色時間3min，溫度20℃。20min沸水封孔后所得涂層為褐紅色，α為0.86，ε為0.53。
實施例4化學預(yù)處理采用堿性清洗液除去試樣的油脂等雜質(zhì)。NaOH的濃度為10g/L，升溫至70℃，腐蝕5min。采用普通硫酸陽極氧化工藝進行一步電解，工藝參數(shù)為硫酸濃度為20％，溫度控制在10℃，電流密度為1.0A/dm2，陽極化時間為10min。然后在磷酸液中進行二步電解。配制的磷酸電解液參數(shù)為磷酸1％，電解電壓30V，時間20min，溫度控制在20℃左右。在金屬鹽中三步電解著色的參數(shù)為NiSO4·7H2O(10g/L)硼酸(10g/L) 硫酸銨(5g/L)，電解電壓30V，著色時間0.5min，溫度20℃。15min封孔后所得涂層為淡綠色，α為0.8，ε為0.45。
實施例5化學預(yù)處理采用堿性清洗液除去試樣的油脂等雜質(zhì)。NaOH的濃度為30g/L，升溫至50℃，腐蝕3min。采用普通硫酸陽極氧化工藝進行一步電解，工藝參數(shù)為硫酸濃度為10％，溫度控制在30℃，電流密度為1.5A/dm2，陽極化時間為20min。然后在磷酸液中進行二步電解。配制的磷酸氧化液參數(shù)為磷酸15％，電解電壓10V，時間5min，溫度控制在20℃左右。在金屬鹽中三步電解著色的參數(shù)為NiSO4·7H2O(40g/L)硼酸(25g/L) 硫酸銨(20g/L)，電解電壓18V，著色時間2min，溫度20℃。30min封孔后所得涂層為黑綠色，α為0.87，ε為0.51。
實施例6化學預(yù)處理采用堿性清洗液除去試樣的油脂等雜質(zhì)。NaOH的濃度為50g/L，升溫至40℃，腐蝕2min。采用普通硫酸陽極氧化工藝進行一步電解，工藝參數(shù)為硫酸濃度為15％，溫度控制在20℃，電流密度為2.0A/dm2，陽極化時間為12min。然后在磷酸液中進行二步電解。配制的磷酸氧化液參數(shù)為磷酸10％，電解電壓22V，時間15min，溫度控制在20℃左右。在金屬鹽中三步電解著色的參數(shù)為NiSO4·7H2O(20g/L)硼酸(15g/L) 硫酸銨(10g/L)，電解電壓30V，著色時間3min，溫度20℃。20min封孔后所得涂層為墨綠色，α為0.84，ε為0.48。
權(quán)利要求
1.一種鋁三步電解法制備太陽能彩色吸收涂層的工藝，其特征在于，利用三步電解著色工藝，在常規(guī)硫酸液中一步電解后，增加了在磷酸中二步電解工藝，從而在純鋁的基體表面制備了與基體良好結(jié)合，光學性能良好的彩色太陽能選擇性吸收涂層，其工藝流程為①化學預(yù)處理，②硫酸一步電解，③磷酸二步電解，④金屬鹽三步電解著色，⑤沸水封孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁三步電解法制備太陽能彩色吸收涂層的工藝，其特征是，所述的化學預(yù)處理，具體為采用堿性清洗液除去試樣的油脂等雜質(zhì)，NaOH的濃度為10～50g/L，升溫至40～70℃，腐蝕2～5min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁三步電解法制備太陽能彩色吸收涂層的工藝，其特征是，所述的硫酸一步電解，具體如下將經(jīng)過預(yù)處理的試樣作為陽極，陰極為矩形鉛板，在硫酸液中進行一步電解，其中硫酸濃度為10～20％，溫度控制在10～30℃，電流密度控制在1.0～2.0A/dm2，極板間距為8～20cm，陽極氧化電壓控制在10～30V，陽極化時間為0～20min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁三步電解法制備太陽能彩色吸收涂層的工藝，其特征是，所述的磷酸二步電解，具體如下電解過程的工藝參數(shù)為磷酸重量百分比濃度為1％～15％，磷酸二步電解的電壓控制在10～30V，時間控制在5min～20min，溫度控制在20℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁三步電解法制備太陽能彩色吸收涂層的工藝，其特征是，所述的金屬鹽三步電解著色，具體如下將經(jīng)磷酸二步電解后的試樣放入金屬鹽中進行三步電解著色，電解著色工藝紅色系涂層電解液濃度CuSO4·5H2O5～30g/L，綠色系涂層電解液濃度NiSO4·7H2O 10～40g/L，硼酸10～25g/L，硫酸銨5～20g/L，外加電壓10～30V，著色時間0.5～5min，溫度20℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁三步電解法制備太陽能彩色吸收涂層的工藝，其特征是，所述的封孔，具體為電解著色后進行沸水封孔10～30min。
全文摘要
一種鋁三步電解法制備太陽能彩色吸收涂層的工藝，屬于太陽能應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明利用三步電解著色工藝，在常規(guī)硫酸液中一步電解后，增加了在磷酸中二步電解工藝，從而在純鋁的基體表面制備了與基體良好結(jié)合，光學性能良好的彩色太陽能選擇性吸收涂層，其工藝流程為①化學預(yù)處理，②硫酸一步電解，③磷酸二步電解，④金屬鹽三步電解著色，⑤沸水封孔。利用本發(fā)明制備的吸收涂層具有顏色多樣，壽命長，光學性能良好的優(yōu)點。所得涂層為紅、綠色系，裝飾性強，吸收率可達0.8～0.9，比較適用于暴露在外面的低溫太陽能集熱裝置，美化環(huán)境，可望推動太陽能集熱裝置與建筑物一體化的進程。
文檔編號C25D11/22GK1492081SQ03150779
公開日2004年4月28日 申請日期2003年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月4日
發(fā)明者王浩偉, 王慧, 王若秒 申請人:上海交通大學