TW201710567A

TW201710567A - 利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法

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Publication number: TW201710567A
Application number: TW104129611A
Authority: TW
Inventors: 葉尚峻; 蔡大翔; 周振嘉
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-16
Also published as: TWI571536B

Abstract

一種利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，步驟包括：提供一高壓電源供應器、一電解槽及一鹼性電解液，鹼性電解液置於電解槽中；提供一輕金屬物件置於鹼性電解液中，用以做為電解槽之陽極，並且連接高壓電源供應器的正極；配製一彩色水系膠體，彩色水系膠體可以是含有機染料的水系染料乳膠，或是含分散劑之無機顏料懸浮微粒的水系顏料膠體；接著，將彩色水系膠體加入鹼性電解液中，再對輕金屬物件施加一電壓，電壓的大小足以使輕金屬物件的表面產生電弧，足以在輕金屬物件的表面生長出一彩色氧化膜。本發明的彩色氧化膜是在微弧氧化進行中納入有機染料(dye)或無機顏料(pigment)的顏色，無需於結束微弧氧化後，再進行額外的著色或染色處理。

Description

利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法

本發明與一種彩色氧化膜的製造方法有關，特別是與一種利用微弧氧化法在輕金屬表面生成彩色氧化膜的方法有關。

近年來輕金屬被廣泛地應用於3C電子零件、機械零件、航太載具外殼以及一般民生用品等工業領域。通常輕金屬定義做金屬材料密度低於5 g cm^-3 者，常見的輕金屬材料為鋁合金、鎂合金及鈦合金。為了增強輕金屬合金材料表面的硬度及耐磨耗、耐腐蝕的特性，目前已發展出陽極處理法(Anodic Oxidation)及微弧氧化法(Micro-Arc Oxidation, MAO)等不同的表面處理工法。

傳統上對輕金屬的表面處理是採用陽極處理法。以鋁合金為例，實施陽極處理法時是將鋁合金置入酸性電解液中，以電化學方法生成一陽極氧化膜(Anode Oxide Film)，達成表面金屬氧化的目的。陽極處理法的外加電壓通常不超過 60 V，因此沒有達到類似微弧氧化法產生表面輝光及電弧的程度。所生成的陽極氧化膜100結構如圖1，外觀呈六角柱狀晶體，中間有可控制尺寸的微小圓孔110，底部還有一層絕緣的阻障層(Barrier Layer)120。

微弧氧化法亦稱作電漿電解氧化法 (Plasma Electrolytic Oxidation , PEO)或微弧放電氧化法 (Microarc Disharge Oxidation , MDO)，是近年來深受重視的輕金屬表面處理工法。微弧氧化法與陽極處理法兩者的主要差異在於：1) 微弧氧化法需要施加300-1000V的電壓，遠高於陽極處理法所需的電壓(＜60V)，且輕金屬與電解液界面電壓必須高於崩潰電壓(Breakdown Voltage)，使阻障層上的薄弱區域被擊穿，進而在輕金屬表面產生電弧放電，電弧放電所產生的電漿溫度很高，足以熔融阻障層，而形成一微弧氧化膜。相對照的，陽極處理法因為電壓較低且電流平穩，所以未造成電弧放電現象；2) 微弧氧化法使用的電解液為鹼性，陽極處理法的電解液為酸性，微弧氧化加工所產生的鹼性廢液對環境衝擊較小。微弧氧化膜的另一特色，其厚度通常遠高於陽極氧化法，或其他如物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)等方法所形成的膜厚，其厚度輕易可以達到20-60 mm，甚至100 mm。因為電漿高能量，能促進氧擴散與金屬反應，所以微弧氧化膜的底部與輕金屬結合牢固，使微弧氧化膜具備耐磨耗、耐刮、耐腐蝕的特點。

然而，相較於陽極氧化膜，微弧氧化膜却很不容易著色。陽極氧化膜的生長完成後，可能利用電解著色(electrolytic coloring)，或滲入染料(dye)，或滲入無機顏料(pigment)三種方法之一，進行著色工程。陽極氧化膜有規則性的六角形孔洞，容許色料進入，再將輕金屬物件取出，置入含有封孔劑的溶液加熱，沉澱金屬氫氧化物，封住孔洞。雖然陽極氧化膜的著色方法已經是成熟的工法，但相同的方法並不能施作於微弧氧化膜。因為耐磨耗佳的微弧氧化膜的孔隙遠較陽極處理的孔隙少，且因輕金屬表面上可能電弧放電強度不同，所造成的微弧氧化膜並沒有規則的孔隙，難以用染料或顏料滲入微弧氧化膜的孔隙，以達到均勻著色的目的。

鑑於目前尚未有很好的方法將微弧氧化膜著色，本發明提供一種能解決著色問題的有效方法。

本發明之一目的在於提出一種利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，直接在輕金屬表面生長出帶有色彩的微弧氧化膜，無需於氧化膜生成後再進行的著色或染色處理。

為了達到上述目的，本發明提供一種利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，包括：提供一電解槽及一鹼性電解液，鹼性電解液置於電解槽中，電解槽包括一陽極及一適合與此陽極相匹配的陰極；提供一輕金屬物件置於鹼性電解液中，並且以輕金屬物件做為電解槽之陽極，不鏽鋼網狀電極作為陰極環繞待處理的輕金屬物件；配製一彩色水系膠體，並將彩色水系膠體加入鹼性電解液中；以及對輕金屬物件施加一電壓，電壓的大小足以使輕金屬物件的表面產生電弧，且足以在輕金屬物件的表面生長出一彩色氧化膜，其中彩色氧化膜是在其生長過程中將彩色水系膠體的顏色納入。以上方法中，彩色水系膠體可以是有機的水系染料乳膠或無機的水系顏料膠體，水系染料乳膠包含有機染料，水系顏料膠體包含分散劑之無機顏料懸浮微粒。

在第一實施例中，上述的彩色水系膠體為一水系染料乳膠，配製水系染料乳膠的步驟包括：配製一水相溶液及一油相溶液，其中水相溶液包含水、一界面活性劑、及一緩衝鹽；油相溶液包含一有機染料、一溶劑、及一共同界面活性劑；進行預乳化，將水相溶液及油相溶液攪拌混和形成一混合液；再進行均質化，將混合液進行一超音波處理(ultrasonic treatment)，以形成彩色水系膠體，其中彩色水系膠體的粒徑為50至500 nm。

在第一實施例中，上述對輕金屬物件施加電壓的步驟包括：將輕金屬物件連接至一高壓電源供應器的正極，並將電解槽之網狀不鏽鋼陰極連接至高壓電源供應器的負極，以此高壓電源供應器提供一脈衝波，此脈衝波具有一脈衝週期，脈衝週期是由一陽極工作時間、一陽極休息時間、一陰極工作時間及一陰極休息時間相加而成；在陽極工作時間中，高壓電源供應器的正極提供一正電壓；在陰極工作時間中，高壓電源供應器的負極提供一負電壓；以及在陽極休息時間及陰極休息時間中，高壓電源供應器所提供之電壓為零。

在第一實施例中，上述的方法更包括：在將彩色水系膠體加入鹼性電解液之前，對輕金屬物件施加脈衝電流，令輕金屬物件之表面形成一阻障層；再行添加彩色乳膠，並且在將彩色水系膠體完全融入鹼性電解液後，在陽極工作時間中逐步地從一前段正電壓逐步提升至一較高的後段正電壓，並且在陰極工作時間中對電解槽的陰極施加一後段負電壓，後段負電壓低於或等於一前段負電壓，以形成彩色氧化膜於阻障層之表面。

在第一實施例中，上述的方法更包括：依據脈衝週期的倒數設定一頻率，頻率定義為每秒高壓電源供應器所提供的脈衝波次數，其介於100Hz至1000Hz之間。

在第一實施例中，上述的方法更包括：依據陽極工作時間與脈衝週期的時間百分比設定一佔空比(Duty ratio)，其中佔空比為70%。

在第一實施例中，上述輕金屬物件為鎂合金或鋁合金，並且有機染料包括至少一發色基團，發色基團是從蒽醌(Anthraquinone)、次甲基(Methine)、酞菁(Phthalocyanine)、硝基(Nitro)、偶氮基(Azo)及三芳基甲烷(Triarylmethane)所構成的族群中選出。

在第二實施例中，彩色水系膠體為一水系顏料膠體，配製水系顏料膠體的步驟包括：先行混合一無機顏料粉末、一陰離子型分散劑及水，製成一水漿料，水漿料中含有重量百分比為 5~45%的固體物顏料，其中陰離子型分散劑的劑量為無機顏色粉末重量的 1~10%；以及混合後之水漿料經過球磨分散後，製成水系顏料膠體，預備在微弧氧化過程中加入鹼性電解液。

在第二實施例中，上述的方法更包括：在將水系顏料膠體加入鹼性電解液之前，對輕金屬物件施加一脈衝電流，以形成一阻障層於輕金屬物件之表面；於形成阻障層之後再行添加水系顏料膠體於鹼性電解液中；以及在水系顏料膠體完全融入鹼性電解液之後，調整電壓設定，使施加於陽極的正電壓絕對值高於施加於陰極的負電壓絕對值，使輕金屬的氧化物及水系顏料膠體同時沉積於輕金屬物件的表面，以形成彩色氧化膜於阻障層的表面。

在第二實施例中，上述的無機顏料粉末的成份是從鐵紅、鋯鐵紅、矽鐵紅、鋁酸鈷藍、鈷藍、鉻綠、釤鉬黃及鈦白所構成的族群中選出。

在一實施例中，上述的方法更包括：將鹼性電解液的導電度維持在8至10 mS cm^-1 之間；以及將鹼性電解液的酸鹼值維持在 9至11之間。

在一實施例中，鹼性電解液的成份包括：鋁酸鈉、氫氧化鈉及一第三成分，其中第三成份是從尿素、亞硝酸鈉、矽酸鈉、矽酸鉀、氟鋯酸鈉、氟鋯酸鉀及六偏磷酸鈉所構成的族群中選擇其一。

本發明結合乳膠技術與微弧氧化加工，在高電壓產生電弧的條件下，在微弧氧化進行中或氧化膜的生長過程中將有機染料或無機顏料的分子或微粒納入，在輕金屬表面產生均勻著色效果。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

請參照圖2A及圖3，為本發明之一實施例的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法流程及微弧氧化設備示意圖。詳述本實施例的步驟如下：

步驟S110：將輕金屬物件210表面用砂紙做研磨拋光前處理。鋁合金、鎂合金等輕金屬物件210的表面常有加工所造成的微小突出物或是自然生成之氧化物薄層。在微弧氧化時，輕金屬表面上的微小突出物易產生電荷集中，而氧化物薄層會造成局部較厚，影響微弧氧化膜的均勻生長。因此，在進行微弧氧化之前，可用砂紙將輕金屬物件210表面研磨平整，然後用丙酮及去離子水輪流清洗，乾燥。

步驟S120：進行微弧氧化設備300的接線。如圖3所示，微弧氧化設備300包括高壓電源供應器310、電解槽320及鹼性電解液330。高壓電源供應器310具有一正極311及一負極312。電解槽320包括一陽極、一適合與此陽極相匹配的陰極、一機械攪拌裝置321及一冷卻水槽322。以輕金屬物件210做為電解槽320的陽極，將其接到高壓電源供應器310的正極311。以不鏽鋼網220做為電解槽320的陰極，將其接到高壓電源供應器310的負極312。輕金屬物件210及不鏽鋼網220的幾何形狀宜事前加以設計，使陰陽兩極之間產生均勻的電場。例如，若是陽極的輕金屬物件210為簡單的幾何形狀，則陰極的不鏽鋼網220可圍成圓柱形，來環繞輕金屬物件210，即可產生均勻的電場。施加高壓電之前，開動冷卻水流動，讓微弧氧化過程中鹼性電解液330的溫度不至於升高太多，維持在加減3℃的溫差範圍內。

步驟S130：配製鹼性電解液330。鹼性電解液330的導電率對微弧氧化的電弧出現有很重要的影響，通常保持在8~10 mS·cm^-1 。鹼性電解液330酸鹼值(pH)通常在 9~11。鹼性電解液330的配方種類很多，例如在鋁合金物件以微弧氧化處理生成氧化鋁時，可採用以下三組配方：第一組配方包括鋁酸鈉(NaAlO₂ ) 4 g dm^-3 、氫氧化鈉(NaOH) 1 g dm^-3 及六偏磷酸鈉((NaPO₃ )₆ ) 1 g dm^-3 ；第二組配方包括NaAlO₂ 8 g dm^-3 、 NaOH 2 g dm^-3 及尿素(CO[NH₂ ]₂ ) 10~500 gdm^-3 ；第三組配方包括NaAlO₂ 8 gdm^-3 、 NaOH 2 g dm^-3 及亞硝酸鈉(NaNO₂ ) 0.1~1.3 g dm^-3 。在一實施例中，鹼性電解液的成份包括鋁酸鈉、氫氧化鈉及一第三成分，其中第三成份是從尿素、亞硝酸鈉、矽酸鈉、矽酸鉀、氟鋯酸鈉、氟鋯酸鉀及六偏磷酸鈉所構成的族群中選擇其一。大部分的輕金屬氧化物為無色，其外觀呈白色是因為光線受到複晶粒散射之故，所以不會干擾染料之發色。如果有特殊陽離子存在而且參與發色機制，則需要調整電解液的配方。

步驟S140：配製彩色水系膠體，彩色水系膠體可以是一有機的水系染料乳膠或是一無機的水系顏料膠體。圖2B顯示水系染料乳膠的配製過程，此為第一實施例。先配製水相及油相兩杯溶液。水相溶液含有界面活性劑、緩衝鹽及水。界面活性劑例如十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate, SDS)；緩衝鹽例如NaHCO₃ 。油相溶液含有油性的有機染料、溶劑及共同界面活性劑。有機染料例如Red K-306；溶劑例如甲苯；共同界面活性劑例如含有十二個碳以上的烷類或醇類。接著，將水相及油相溶液以機械攪拌混合形成一混合液，完成預乳化(pre-emulsification)步驟。再將混合液經過超音波處理(ultrasonic treatment)，完成均質化(homogenization)步驟，以形成水系染料乳膠。在一實施例中，彩色水系膠體可以是粒徑大於500nm的巨乳膠、粒徑介於50~500 nm的迷你乳膠，或是粒徑小於50nm的微乳膠。

步驟S150：在達到設定的電壓與電流之前，鋁合金物件是浸泡於不含彩色水系膠體的電解液中。此時，先開動機械攪拌裝置321，接著設定電壓與電流(如步驟S160)，使高壓電源供應器開始對鋁合金物件施加電壓及電流，並且快速達到微弧氧化處理所需的電弧產生條件。值得一提的是，微弧氧化發生前，鋁合金物件的表面先有輝光(glow)現象。輝光現象發生後，鋁合金物件的表面產生跳躍的閃光並伴隨噪音，即是電弧放電(arc or discharge)，初期電弧較小而且密集，隨氧化膜的厚度增加，電弧發生密度降低。

步驟S160：電壓與電流的設定可由固定電壓或固定電流兩種方式選擇其一；亦可在微弧氧化處理期間改變設定方式，例如兩段式的設定。適用於產生微弧氧化膜的電流模式有：直流電、交流電、雙極脈衝電流或單極脈衝電流等。以圖4所示的直流電雙極化模式(Bipolar Mode)為例，其電流與電壓設定方式適用於鋁合金物件的微弧氧化處理。在此模式下，高壓電源供應器310提供一脈衝波，其具有一脈衝週期T，脈衝週期T是由一陽極工作時間T_on ⁺ 、一陽極休息時間T_off ⁺ 、一陰極工作時間T_on ^- 及一陰極休息時間T_off ^- 相加而成。在陽極工作時間T_on ⁺ 中，高壓電源供應器310的正極311提供一正電壓。在陰極工作時間T_on ^- 中，高壓電源供應器310的負極312提供一負電壓。在陽極休息時間T_off ⁺ 及陰極休息時間T_off ^- 中，高壓電源供應器310所提供之電壓為零。

直流電雙極化模式有多個控制參數，例如：頻率(Frequency)及佔空比(Duty ratio)。頻率定義為脈衝週期T的倒數，計算式為(T_on ⁺ + T_off ⁺ + T_on ^- + T_off ^- )^-1 ，即高壓電源供應器310每秒所提供的脈衝波次數。此外，佔空比定義為陽極工作時間T_on ⁺ 與脈衝週期T的時間百分比，計算式為100% × T_on ⁺ /(T_on ⁺ + T_off ⁺ + T_on ^- + T_off ^- )。此實施例中，頻率可設定在100Hz至1000 Hz之間，較佳者為500Hz至1000 Hz之間；佔空比可設定在70%。配合所設定的頻率及佔空比，可提供兩組電壓設定A及B來施加電壓。其中，電壓設定A提供一前段正電壓及一前段負電壓：陽極工作時間T_on ⁺ 中高壓電源供應器310的正極311施加正400 V的電壓，陰極工作時間T_on ^- 中，高壓電源供應器310的負極312施加負100 V的電壓。電壓設定B提供一後段正電壓及一後段負電壓：陽極工作時間T_on ⁺ 中高壓電源供應器310的正極311施加正500 V的電壓，陰極工作時間T_on ^- 中，高壓電源供應器310的負極312施加負 200V或負100 V的電壓。

步驟S170：到達電壓設定A之後，在鹼性電解液330內倒入含有機染料的水系染料乳膠，待水系染料乳膠完全融入鹼性電解液之後，再將電壓改變為電壓設定B。首先，利用電壓設定A生長一阻障層在鋁合金物件的表面，此阻障層是一不含有機染料的微弧氧化層，時間約三十分鐘；然後在鹼性電解液330內倒入水系染料乳膠，逐步將電壓設定A的前段正電壓提升至電壓設定B所設定的後段正電壓，例如，每二分鐘增加20V，在設定的頻率及佔空比固定的情形下，十分鐘後即到達電壓設定B的正500V；在電壓設定B的條件下，繼續進行微弧氧化三十分鐘，在此過程中，阻障層的表面形成一彩色的微弧氧化膜，待此彩色氧化膜生長完成後即可停止施加電壓，並將完成著色的鋁合金物件取出並清洗。

簡單地說，本實施例在將水系染料乳膠加入鹼性電解液之前，對輕金屬物件施加一脈衝電流，以形成一阻障層於輕金屬物件之表面。於形成阻障層之後，再行添加水系染料乳膠於鹼性電解液中。在水系染料乳膠完全融入鹼性電解液之後，逐步地將前段正電壓提升至較高的後段正電壓，並且在陰極工作時間中對輕金屬物件施加後段負電壓，此後段負電壓低於或等於前段負電壓，以形成彩色氧化膜於阻障層之表面。

本實施例在高壓電產生電弧的條件下，將有機染料溶於迷你乳膠內，有機分子在氧化物生長過程中納入微弧氧化膜，卻不至於將有機分子分解，其發色基團、助色基團，皆能正常發揮功能，產生均勻著色效果。有機染料的發色必須要有以下條件：1)在可見光譜中吸光(400-700 nm)；2)至少要有一個發色基團如圖5(a)-(f)所示；3)有雙鍵和單鍵交替的共軛體系；4)具有電子共振。圖5(a)-(f)所示為適用於本實施例的有機染料中可能含有的發色基團。(a)為蒽醌(Anthraquinone)；(b)為次甲基(Methine)；(c)為酞菁(Phthalocyanine)；(d)為硝基(Nitro)；(e)為偶氮基(Azo)；(f)為三芳基甲烷(Triarylmethane)。

在第二實施例中，鹼性電解液中添加的彩色水系膠體是採用一彩色水系顏色膠體。配製水系顏料膠體的步驟包括：先行混合無機顏料粉末、分散劑及水，製成一水漿料，水漿料中的固體物顏料的重量百分比含量為5 ~45%；混合後之水漿料經過球磨分散後，製成穩定性良好的水系顏料膠體，預備在微弧氧化過程中加入鹼性電解液中。其中，無機顏料粉末是不溶於水的，其成份可選自鐵紅、鋯鐵紅、矽鐵紅、鋁酸鈷藍、鈷藍、鉻綠、釤鉬黃或鈦白。分散劑需採用帶負電的陰離子型分散劑，而非陽離子型或兩性型分散劑，陰離子型分散劑的劑量為無機顏料粉末重量的 1~10%。

在將水系顏料膠體加入鹼性電解液之前，對輕金屬物件施加脈電衝流，令輕金屬物件之表面形成一阻障層；形成阻障層之後，再行添加水系顏料膠體至鹼性電解液；並且，在將水系顏料膠體完全融入鹼性電解液後，在電壓設定中作出適當變動，使陽極的正電壓絕對值高於陰極的負電壓絕對值，令輕金屬氧化物及水系顏料膠體同時沉積於輕金屬物件之表面，以形成彩色氧化膜於阻障層之表面。

附帶一提，有機染料與顏料最大的差別就在於它們的溶解度，有機染料可以溶解在水相或油相中，但是顏料是不溶的。一般來說，有機染料是藉由染料分子對基材的親和性將基材染色，而顏料的著色機制是完全不同於染料的。在本發明中，無論是有機染料或無機顏料皆可添加於鹼性電解液中，利用微弧氧化法來形成彩色氧化膜。

圖6的照片中，下排右一的白色樣品為電解液中未添加彩色水系膠體的微弧氧化膜本色。其餘5個樣品皆為電解液中添加含有典型有機染料的迷你乳膠再進行微弧氧化完成著色的樣品，樣品基材可以是鎂合金或鋁合金。

圖7(A)的相片顯示電解液中添加含有典型有機染料的迷你乳膠所形成的彩色微弧氧化膜的表面微結構。圖7(B)的相片顯示電解液中未添加彩色水系膠體所形成的微弧氧化膜的表面微結構。圖7(A)的表面微結構沒有孔洞，非常緻密。圖7(B)的表面微結構有火山口，有熔融的現象，所以有許多淺的孔洞。

總括而言，本發明提供一種利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，其基本步驟包括：提供一電解槽及一鹼性電解液，鹼性電解液容置於電解槽中；提供一輕金屬物件置於鹼性電解液中，並且以輕金屬物件做為電解槽之陽極，並提供一可匹配此陽極的陰極；配製一彩色水系膠體，並將彩色水系膠體加入鹼性電解液中，其中彩色水系膠體可包含一有機染料或無機顏料；以及對輕金屬物件施加一電壓，電壓的大小足以使輕金屬物件的表面產生電弧，而在輕金屬物件的表面生長出一彩色氧化膜，其中彩色氧化膜是在其生長過程中將彩色水系膠體納入而具有顏色的，因此彩色氧化膜的顏色與彩色水系膠體的顏色有關。

值得注意的是，本發明的方法不同於傳統的陽極處理法來著色或是用染料或顏料滲入氧化膜的著色方法。本發明的方法可直接生長出帶有顏色的微弧氧化膜，此微弧氧化膜於生長過程中即已帶有顏色，其顏色並非依賴後續的染色或著色而得。換句話說，彩色氧化膜的生長過程即等同於輕金屬物件的著色過程，無需後續的染色或著色處理。此外，本發明若在鹼性電解液的配方中加入含氮的成分，可增加微弧氧化膜的導熱性。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

100‧‧‧陽極氧化膜
110‧‧‧圓孔
120‧‧‧阻障層
210‧‧‧輕金屬物件
220‧‧‧不鏽鋼網
300‧‧‧微弧氧化設備
310‧‧‧高壓電源供應器
311‧‧‧高壓電源供應器的正極
312‧‧‧高壓電源供應器的負極
320‧‧‧電解槽
321‧‧‧機械攪拌裝置
322‧‧‧冷卻水槽
330‧‧‧鹼性電解液
T‧‧‧脈衝週期
T_on ⁺‧‧‧陽極工作時間
T_off ⁺‧‧‧陽極休息時間
T_on ^-‧‧‧陰極工作時間
T_off ^-‧‧‧陰極休息時間

圖1為習知以陽極處理法生成的陽極氧化膜結構示意圖。

圖2A為本發明之一實施例，利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法流程示意圖。

圖2B為本發明之一實施例的彩色水系乳膠配製流程示意圖。

圖3為本發明之一實施例的微弧氧化設備示意圖。

圖4為本發明之一實施例的電壓設定及脈衝週期示意圖。

圖5為本發明之一實施例所用的有機染料的發色基團化學結構式。

圖6為依據本發明的一實施例的方法進行微弧氧化完成著色的樣品照片。

圖7的掃描式電子顯微鏡照片(A)為電解液中添加彩色水系乳膠後所形成的微弧氧化膜的表面微結構；照片(B)為電解液中未添加彩色水系乳膠而形成的微弧氧化膜的表面微結構。

無

Claims

一種利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，包括：提供一電解槽及一鹼性電解液，該鹼性電解液容置於該電解槽中，該電解槽包括一陽極及一與該陽極相匹配的陰極；提供一輕金屬物件置於該鹼性電解液中，並且以該輕金屬物件做為該電解槽之該陽極；配製一彩色水系膠體，並將該彩色水系膠體加入該鹼性電解液中；以及對該輕金屬物件施加一電壓，該電壓的大小足以使該輕金屬物件的表面產生電弧，且足以在該輕金屬物件的表面生長出一彩色氧化膜，其中該彩色氧化膜是在其生長過程中將該彩色水系膠體的顏色納入。
如申請專利範圍第1項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，其中該彩色水系膠體為一水系染料乳膠，配製該水系染料乳膠的步驟包括：配製一水相溶液及一油相溶液，其中該水相溶液包含水、一界面活性劑及一緩衝鹽，該油相溶液包含一有機染料、一溶劑及一共同界面活性劑；進行一預乳化步驟，將該水相溶液及該油相溶液攪拌混和形成一混合液；以及進行一均質化步驟，將該混合液進行一超音波處理(ultrasonic treatment)，以形成該彩色水系膠體，其中該彩色水系膠體的粒徑為50至500 nm。
如申請專利範圍第2項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，其中對該輕金屬物件施加該電壓的步驟包括：將該輕金屬物件連接至一高壓電源供應器的一正極，並且將該電解槽的該陰極連接至該高壓電源供應器的一負極，其中該陰極為一不銹鋼網狀電極，其環繞該輕金屬物件；以該高壓電源供應器提供一脈衝波，該脈衝波具有一脈衝週期，該脈衝週期是由一陽極工作時間、一陽極休息時間、一陰極工作時間及一陰極休息時間相加而成；在該陽極工作時間中，該高壓電源供應器的該正極提供一正電壓；在該陰極工作時間中，該高壓電源供應器的該負極提供一負電壓；以及在該陽極休息時間及該陰極休息時間中，該高壓電源供應器所提供之該電壓為零。
如申請專利範圍第3項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，更包括：在將該水系染料乳膠加入該鹼性電解液之前，對該輕金屬物件施加一脈衝電流，以形成一阻障層於該輕金屬物件之表面；於形成該阻障層之後再行添加該水系染料乳膠於該鹼性電解液中；以及在該水系染料乳膠完全融入該鹼性電解液之後，在陽極工作時間中逐步地從一前段正電壓提升至一較高的後段正電壓，並且在該陰極工作時間中對該電解槽之該陰極施加一後段負電壓，其中該後段負電壓低於或等於一前段負電壓，以形成該彩色氧化膜於該阻障層之表面。
如申請專利範圍第3項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，更包括：依據該脈衝週期的倒數設定一頻率，該頻率定義為每秒該高壓電源供應器所提供的脈衝波次數，其介於100Hz至1000Hz之間。
如申請專利範圍第3項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，更包括：依據該陽極工作時間與該脈衝週期的時間百分比設定一佔空比(Duty ratio)，其中該佔空比為70%。
如申請專利範圍第4項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，其中該輕金屬物件為鎂合金或鋁合金，該有機染料包括至少一發色基團，該發色基團是從蒽醌(Anthraquinone)、次甲基(Methine)、酞菁(Phthalocyanine)、硝基(Nitro)、偶氮基(Azo)及三芳基甲烷(Triarylmethane)所構成的族群中選出。
如申請專利範圍第1項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，其中該彩色水系膠體為一水系顏料膠體，配製該水系顏料膠體的步驟包括：先行混合一無機顏料粉末、一陰離子型分散劑及水，製成一水漿料，該水漿料中含有重量百分比為5至45%的固體物顏料，其中該陰離子型分散劑的劑量為該無機顏色粉末重量的1至10%；以及混合後之該水漿料經過球磨分散後，製成該水系顏料膠體，預備在微弧氧化過程中加入該鹼性電解液。
如申請專利範圍第8項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，更包括：在將該水系顏料膠體加入該鹼性電解液之前，對該輕金屬物件施加一脈衝電流，以形成一阻障層於該輕金屬物件之表面；於形成該阻障層之後再行添加該水系顏料膠體於該鹼性電解液中；以及在該水系顏料膠體完全融入該鹼性電解液之後，調整電壓設定，使施加於該陽極的正電壓絕對值高於施加於該陰極的負電壓絕對值，使該輕金屬的氧化物及該水系顏料膠體同時沉積於該輕金屬物件的表面，以形成該彩色氧化膜於該阻障層的表面。
如申請專利範圍第8項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，其中該輕金屬物件為鎂合金或鋁合金，該無機顏料粉末的成份是從鐵紅、鋯鐵紅、矽鐵紅、鋁酸鈷藍、鈷藍、鉻綠、釤鉬黃及鈦白所構成的族群中選出。
如申請專利範圍第1項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，更包括：將該鹼性電解液的導電度維持在8至10mS cm^-1 之間；以及將該鹼性電解液的酸鹼值維持在 9至11之間。
如申請專利範圍第1項所述的利用微弧氧化生成彩色氧化膜的方法，其中該鹼性電解液的成份包括：鋁酸鈉、氫氧化鈉及一第三成分，其中該第三成份是從尿素、亞硝酸鈉、矽酸鈉、矽酸鉀、氟鋯酸鈉、氟鋯酸鉀及六偏磷酸鈉所構成的族群中選擇其一。