Nguyên lý của quá trình anode hóa nhôm:

Quá trình anode hóa nhôm được diễn ra khi có dòng điện một chiều (DC) chạy qua cực dương và cực âm được đặt trong dung dịch điện phân, trong đó:

- Cực dương (Anode): Là các chi tiết nhôm được anode hóa

- Cực âm (Cathode): Có dạng thanh hoặc dạng tấm, bằng các vật liệu như bạch kim, thép không gỉ, chì hoặc cacbon

Tùy thuộc vào loại anode hóa mà dung dịch điện phân chứa các thành phần khác nhau như: axit cromic, axit sulfuric… với nồng độ khác nhau (Phân loại các quy trình anode hóa nhôm theo tiêu chuẩn MIL-A-8625)

Khi dòng diện một chiều chạy qua dung dịch điện phân, các electron trên bề mặt các chi tiết bằng nhôm với vai trò là cực dương bị rút ra khỏi đó theo phản ứng:

Al – 3e^-→ Al³⁺

2Al + 3O^2- → Al₂O₃ + 6e^-

Sau đó, các electron di chuyển qua dung dịch điện phân để đến vị trí bề mặt cực âm và phản ứng với các ion hydro (H⁺) để tạo thành khí hydro (H₂):

2H⁺ + 2e^- → H₂

Khi đó bề mặt nhôm trở nên tích điện dương, các kim loại nhôm tồn tại dạng Al³⁺ và chúng sẽ tham gia phản ứng với nước để tạo được lớp oxit nhôm Al₂O₃:

2Al³⁺ + 3H₂O → Al₂O₃ + 6H⁺

Phản ứng tổng quát:

2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂^↑

Phân loại màng oxit nhôm sau anode hóa:

Có hai loại màng oxit nhôm Al₂O₃ được tạo ra trong quá trình điện phân, tùy thuộc vào thành phần hóa học của dung dịch điện phân:

- Màng oxit bảo vệ (Barrier Oxide Film)

- Màng oxit xốp (Porous Oxide Film)

Anode hóa nhôm tạo màng oxit bảo vệ

Anode hóa nhôm tạo màng oxit Al₂O₃ bảo vệ

Một màng oxit nhôm Al₂O₃ bảo vệ được hình thành trên bề mặt chi tiết nhôm thông qua quá trình anode hóa trong dung dịch điện phân trung tính (ví dụ: amoni borat, phosphat hoặc tartrat), trong đó oxit nhôm không bị hòa tan. Lớp màng oxit nhôm này bền, không phản ứng với dung dịch và bảo vệ lớp nhôm bên dưới khỏi môi trường.

Độ dày của màng oxit bảo vệ phụ thuộc vào điện áp của quá trình điện phân. Tuy nhiên, chỉ có thể sử dụng điện áp tối đa trước khi xảy ra các phản ứng phụ như oxy hóa chất tan và tạo ra oxy.

Anode hóa nhôm tạo màng oxit xốp

Lớp màng oxit xốp được hình thành trên bề mặt nhôm khi chúng được anode hóa trong dung dịch điện phân là axit loãng (hàm lượng axit khoảng 10%). Dung dịch điện phân axit thường chứa các thành phần như: axit sulfuric, axit photphoric, axit oxalic, axit cromic và hỗn hợp axit vô cơ và hữu cơ. Trong đó, axit sulfuric được sử dụng phổ biến nhất. Dung dịch điện phân có tính axit có khả năng giữ lại các phân tử Al₂O₃ có nồng độ cao.

Anode hóa nhôm tạo màng oxit xốp

Phản ứng xảy ra ở cực dương sẽ hình thành lớp màng oxit nhôm bảo vệ. Khi dòng điện chạy qua chi tiết nhôm, nó tập trung vào các vị trí có liên kết tương đối yếu và phản ứng trên bề mặt chi tiết, tạo ra lớp màng có cấu trúc tế bào hay cấu trúc xốp. Các oxit nhôm được loại bỏ khỏi lỗ xốp sẽ hòa tan trong dung dịch axit.

Mặt cắt ngang của lớp oxit Al₂O₃ xốp

ở độ phóng đại thấp (3.500×, hình trái) và cao (40.000×, hình phải)

Độ dày của lớp màng tỷ lệ thuận với thời gian và điện áp quá trình điện phân. Thời gian điện phân càng dài và điện áp càng cao thì màng oxit càng dày, và tạo một cấu trúc rỗng giống như cột sâu hơn. Trong khi đó, kích thước lỗ rỗng phụ thuộc vào điện áp, nhiệt độ và nồng độ axit của dung dịch điện phân.

Bề mặt và mặt cắt gần bề mặt ngoài của lớp oxit xốp

Mô hình anode hóa nhôm:

Quy trình anode hóa nhôm có thể được thực hiện theo hai hình thức:

- Anode hóa nhôm hàng loạt

- Anode hóa nhôm liên tục

Anode hóa nhôm hàng loạt

Mô hình anode hóa nhôm hàng loạt

Với quy trình này, các chi tiết bằng nhôm được đặt trong giá đỡ và lần lượt được xử lý qua các dung dịch trong từng hồ khác nhau. Người ta thường áp dụng kiểu quy trình anode hóa nhôm hàng loạt này cho các dụng cụ nấu nướng, vật đúc, các bộ phận uốn cong hoặc gia công.

Anode hóa nhôm liên tục

Mô hình anode hóa nhôm liên tục

Quy trình anode hóa nhôm liên tục thường được áp dụng để xử lý cho vật liệu nhôm dạng dây, tấm và lá ít bị biến dạng. Chúng được cuộn trước và liên tục trải qua các bước của quy trình. Sau khi hoàn thành các bước, vật liệu được cuộn và đóng gói.

Như vậy, theo nguyên lý của quá trình điện phân, khi áp dòng điện DC đi qua dung dịch điện phân với cực âm bằng các vật liệu khác nhau như bạch kim, chì, cacbon hay thép không gỉ và các sản phẩm bằng nhôm đóng vai trò là cực dương thì chúng sẽ bị anode hóa và tạo thành lớp màng oxit nhôm Al₂O₃ có cấu trúc dạng màng bảo vệ hoặc cấu trúc xốp trên bề mặt tùy theo điều kiện cụ thể của quá trình điện phân. Lớp màng này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện những đặc tính có lợi cho sản phẩm bằng nhôm, đặc biệt là sau khi chúng được tiếp tục xử lý qua các công đoạn như nhuộm màu nhôm và bịt lỗ sau cùng.

 

Tài liêu tham khảo:

Robert S. Alwitt, Anodizing, Electrochemistry Encyclopedia, The Electrochemical Society, 2002.

C.M. Cotell, J.A. Sparague, and F.A. Smith, Jr., editors, Anodizing, ASM handbook, Vol. 5, p 482-493, 1994.

 

Bài viết cùng chủ đề:

Anodizing là gì?

Ứng dụng Anode nhôm trong ngành xây dựng

Ứng dụng Anode nhôm trong ngành gia dụng

Anode nhuộm màu nhôm

Những loại bột màu nhuộm nhôm tốt nhất hiện nay

Công nghệ Anodized là gì và ứng dụng?

Phân loại các quy trình anode hóa nhôm theo tiêu chuẩn MIL-A-8625