陽極氧化的氧化鋁薄膜的成型方法

2023-05-10 20:03:46

專利名稱:陽極氧化的氧化鋁薄膜的成型方法
當金屬鋁基質在電解液(如硫酸或磷酸)中經過陽極氧化後，在其表面上可生成氧化鋁薄膜。這種氧化鋁薄膜具有比較厚的多孔層，它包括由外表層伸展至金屬的有規則排列的微孔，以及鄰接金屬/氧化物界面的無微孔的比較薄的間隔層。隨著陽極氧化連續進行，金屬鋁在金屬/氧化物界面上轉化成氧化物，而微孔進一步向薄膜中伸展，使得間隔層厚度保持不變。各微孔的截面和間隔，以及間隔層的厚度都與陽極氧化所用電壓成正比。
將陽極氧化的氧化鋁薄膜從金屬基質上分離下來是可能的。如果將間隔層也除去，則留下一種帶微孔的陽極氧化的氧化鋁薄膜。這種薄膜可用作過濾材料，例如用於海水淡化，乳清脫水或用於滲析。其它方面的應用包括低溫消毒的病毒過濾材料和氣體的淨化等。
在EPA 178831中描述了一種製造多孔的陽極氧化的氧化鋁薄膜的方法，其中包括下列步驟將金屬鋁基質進行陽極氧化;在控制條件下，慢慢把施加的電壓降低至一定值，一般降至3伏以下;小心地將陽極氧化鋁薄膜從金屬基質上分開;接著將薄膜進行乾燥。如所生成薄膜的厚度合適，則可具有良好的抗拉強度，但是薄膜的抗彎曲強度則相當差，而且它比較脆和易碎裂。
為了增強過濾設備的性能，需使其在單位容積中含有很大的過濾面積，這一點對於平坦的過濾薄膜材料來說是難以達到的。因此通常需要將薄膜重疊，打褶或捲曲成螺旋狀，以使其單位容積所含的表面積增大。但是，由於陽極氧化的氧化鋁薄膜的脆性，不能應用常規的成型方法。
本發明的提出，部分地是基於一個出乎意料的發現，即如果將氧化鋁薄膜充分溼潤，則可變得比幹態的薄膜柔韌得多。因此本發明的一個方面是提供一種將陽極氧化的氧化鋁薄膜製成所需形狀的方法，該方法包括以下步驟，即將薄膜溼潤;將經溼潤的薄膜製成所需的形狀;以及在該形狀下使其乾燥。
本發明的提出，還部分地基於下述發現，即陽極氧化的氧化鋁薄膜在某一特定方向上對彎曲的忍受力(不產生破裂)，比在其它方向上要高得多，該發現對於幹態或經溼潤的薄膜均適用。但是，經溼潤的薄膜在各方向上對彎曲的忍受力皆比幹態薄膜高。如上所述，氧化鋁薄膜是由金屬鋁基質經陽極氧化而生成的，而該鋁基質本身是在一特定方向上延伸(如壓延)而製成的。結果發現，當陽極氧化的氧化鋁薄膜從基質上分離後，它在橫截於延伸方向(如成一直角)的方向上的對彎曲的忍受力(不產生破裂)則較高。因此本發明的另一方面是提供一種將氧化鋁薄膜製成所需形狀的方法，所述薄膜是通過陽極氧化金屬鋁基質而生成的，而該基質是予先經過在一特定方向上延伸而成。所述方法包括在橫截於該特定延伸方向的方向上，將該薄膜彎曲，以使其能在不產生脆裂的情況下形成所需的形狀。本發明的這一方橫截方向最好是與所述的延伸方向至少呈30°角。
雖然其它一些方法在文獻上有所描述，但本發明的薄膜原料優先選用EPA 178831中所述製法。由於其他液體可能著火，因此一般用水來溼潤薄膜，並在室溫下操作。
優選用滾壓方法將薄膜製成所需的形狀，本說明書中的滾壓是指將薄膜卷繞成例如管狀或螺旋狀。為了避免薄膜在卷繞過程中產生彎折或斷裂，最好採用圓柱狀的成型器(former)。為保證薄膜與成型器之間的粘合，可在成型器表面施加粘合劑。另外，如果成型器是空心的和帶穿孔的，可以通過在成型器內減壓的方式使陽極氧化的氧化鋁薄膜固持在其位置上。滾壓操作完成之後，可採用夾鉗方式將薄膜暫時固持於成型器上面的位置上。
另外一種方法是，採用在薄膜上產生壓力差(如在薄片一邊軸真空)的方法，或者採用壓制的方法使薄膜變形成所需的形狀。
優選薄片厚度變為10-80微米，最好是15-70微米。過厚的膜料即使經過溼潤，也是較難彎曲的。
同一厚度的薄膜可圍繞成型器滾壓成型。更普遍的方法是，將幾種不同厚度的薄膜卷繞成螺旋狀，在相鄰的陽極氧化鋁膜之間加一墊層。為此，可將經溼潤的薄膜放置於一平面上，並在其表面放置一墊層，然後將兩者一起圍繞成型器滾壓。此外，可用組合式薄膜，使陽極氧化鋁薄膜和墊片交替排列並鋪放於平面上，然後一起卷繞。如果陽極氧化的氧化鋁層很薄，單獨使用易於脆裂時，可應用多孔支承層，在這種情況下，可製成一種由薄膜和墊層薄膜交替疊合(支承層加陽極氧化薄膜)的組合體。
所述的形變一般是指彈性形變，也就是當變形應力除去後，薄膜基本上恢復它原來的形狀，即使薄膜在溼潤時加以變形及在低溫下保持其變形狀態進行乾燥，結果也是如此。可以應用多種方式使成型薄膜保持其所需的形狀，其中包括夾持方法，粘結法和加熱定形法等。當所需形狀包含有薄膜的重疊部分時，則可在重疊部分加進粘合劑來固持成型的薄膜。如磷酸溶液存在時，使薄膜加工成型將是有利的，特別是由於磷酸在乾燥時可起到粘合劑的作用而帶來好處。
本發明還基於下列的發現，即成型的薄膜可在一定條件下加熱，從而使它熱固為所需形狀。溼態或幹態的成型薄膜加熱時，最好是在200-650℃下加熱5-500分鐘，結果發現，不需用夾鉗、支承物或粘合劑亦可保持其形狀。也可以採用較高的溫度和/或較長的時間。
成型的薄膜可置於成型器上應用，成型器可以在使用中提供機械強度。另外，也可以除去成型器，但為了避免脆裂，成型薄膜一般仍需加置其它的支承物。
現有的過濾設備中裝置卷繞的薄膜，但所用的薄膜是有機聚合物，而一般都不是脆性的。已知的現有設備是螺形卷繞薄膜型式，薄膜被夾在兩層多孔的支承物之間並卷繞成螺旋狀。可裝置成在單位容積內含有很大表面積的裝置，而且價格也相當低。本發明中應用了陽極氧化的氧化鋁薄膜來代替有機聚合物薄膜，它具有的優點是陽極氧化的氧化鋁薄膜孔隙率高，而且具有較窄範圍的孔經分布，這樣可以提供高的流速，並可提供銳截流(Sharp cut-off)性能。
實例1為實施本例操作，將一陽極氧化的氧化鋁薄膜(60毫米×100毫米，厚30微米)置於一盛有去離子水的淺血中至使其完全溼潤，然後小心將薄膜取出並放置於一潔淨的平板玻璃面上，操作中應小心，以避免薄膜摺疊或碎裂。將薄膜的一邊小心掀起並輕輕卷繞，在它成形時施加很小的壓力。當整個薄膜形成管狀時，將鬆動的一端固定於其最終位置上。然後把成管狀的薄膜小心地放入40℃的烘箱中，直到它完全乾燥。除去固持卷片的夾鉗，而管形薄膜仍保持其原有形狀。接著也可為該卷片製造一固持體，以便應用於過濾操作中。
實施例2重複實施例1所述的實驗過程，只是應用兩片在磷酸中進行陽極氧化得到的厚度為30微米的陽極氧化的氧化鋁薄膜，將兩薄膜用去離子水洗淨。第一個薄膜在其製成管狀物之前事先用去離子水溼潤;第二個薄膜製成管狀物之前用稀磷酸溼潤。兩個管狀物用固定方式來保持形狀，並在40℃下乾燥17小時。
移去固持物後，可看到經水洗的薄膜回復其原來的平面狀。而經稀磷酸溼潤的第二個薄膜則保持其管狀。可以認為，應用磷酸可以使薄膜表面略帶粘性，當乾燥時重疊層可以粘結在一起，從而可以保持管狀形態。
可以認為，應用磷酸可以使薄膜表面略帶粘性，當乾燥時重疊層可以粘結在一起，從而可以保持管狀形態。
實施例3將在混合酸中陽極氧化鋁所生成的不均勻薄膜(10釐米×4釐米，厚30微米)充分洗淨。在20℃去離子水中浸沒15分鐘，然後捲成圓柱狀，並使薄膜邊部相重疊。卷好的薄膜固持於燒環中並置於100-650℃的烘箱中加熱60-480分鐘。冷卻至室溫，將薄膜由燒環中取出，並且觀察其生成的形狀。如加熱溫度低於200℃，則不能保持其圓柱形狀，薄膜完全回復了其原來的平面狀態。在200℃下加熱數小時，可部分地保留其形狀。而在400-650℃下加熱1小時則可完全保留其良好的形狀(參見表1)。
表1成型器 乾燥半徑 溫度 時間(毫米) (℃) (分鐘) 形狀保持的程度15 100 60 無15 100 240 無15 100 480 無15 200 60 無15 200 240 差15 400 60 良好15 650 60 良好15 650 60 良好＊＊60微米厚之薄膜將經過400℃或650℃加熱處理的圓柱體，在冷的或熱的(60℃)去離子水中浸過幾小時後，仍然保持其形狀，由此可表明這些熱處理過程可以使薄膜產生永久形變。
實施例4把在磷酸中進行陽極氧化所生成的均勻的和非均勻的氧化鋁薄膜(約26釐米×12釐米，厚度分別為30微米和60微米)充分洗淨，然後乾燥，並圍繞一直徑為24毫米的成型器卷繞成圓柱狀。當圓柱體長軸軸向與生成該氧化鋁薄膜的鋁片的延伸方向分別成90°，45°或30°角時，薄膜的成型很成功。而當圓柱體的長軸的軸向平行於所述鋁片延伸方向時，則產生破裂。
將由乾燥薄膜卷製成的圓柱體，固持並於650℃下加熱1小時。冷卻及除去圓柱體固持件後，仍然能夠保持原有形狀。
實施例5本例說明將陽極氧化鋁薄膜用真空成型方法形成波紋片的方法。
用平鋁板料作為真空成型的模板，並且在鋁板上切割二組溝紋，其中一組溝紋脊間距為10毫米而溝紋底深4毫米;另一組溝紋較細密，其溝紋脊間距為5毫米而溝紋底深僅2毫米。溝紋一般呈正弦波形，而且，兩組溝紋的紋脊頂部都在同一平面上。
進行成型過程中，將一陽極氧化的氧化鋁薄膜(10釐米×7釐米)橫過兩組溝紋平放著。組件用軟質塑料真空袋圍起，在1小時內藉助於迴轉真空泵慢慢抽真空，抽真空後塑膠袋緊裡住薄膜使其緊壓住模板。
薄膜可在幹態時測試，或者是在20℃去離子水中浸15分鐘後測試。試驗中採用了在磷酸中陽極氧化生成的30微米非均勻的氧化鋁薄膜，以及在混合酸液中陽極氧化生成的60微米厚非均勻的薄膜。
在所有的試驗中，經溼潤的薄膜能形成與粗和細構紋相吻合的構型而不產生破裂。然而幹薄膜別沿溝紋脊或溝紋底產生了破裂。
當停止抽真空時，未破損的薄膜則回復其原有形狀。
實施例6本例說明將陽極氧化的薄膜壓製成型的方法。
將陽極氧化的薄膜(10釐米×7釐米)平放於細氧化鋯粉末床層上，然後將實施例5中所應用的模板放置於薄膜上並且以4公斤的重量來施加壓力，同時將組件在400℃下加熱1小時。
將實施例5中所用的溼態或幹態的同樣的薄膜來壓製成型。在所有實驗中，冷卻後的薄膜留有模片的輕微痕跡，但由於在這些試驗條件下會產生輕微的變形，因此不可能形成與模片完全一樣的形狀。
權利要求
1.將陽極氧化的氧化鋁薄膜製成所需形狀的方法，該方法包括溼潤氧化鋁薄膜，將溼潤的氧化鋁薄膜製成所需形狀，以及保持該形狀將薄膜乾燥。
2.將氧化鋁薄膜製成所需形狀的方法，所述薄膜是通過陽極氧化金屬鋁基質而製得，而該鋁基質經予先在一特定方向上延伸，所述方法包括在橫截於該特定方向的方向上將薄膜彎曲，以使得能夠在不產生破裂的情況下將其製成所需的形狀。
3.按權利要求
1或2所述的方法，其中的薄膜厚度是15至70微米。
4.按權利要求
1至3中任一項所述的方法，其中的薄膜是通過滾壓方法來製成所需的形狀的。
5.按權利要求
4所述的方法，其中將不同厚度的薄膜卷繞成螺旋形，並且相鄰的兩氧化鋁薄膜之間加置一墊層。
6.按權利要求
1至3任一項所述的方法，其中的薄膜是用壓製法製成所需的形狀的。
7.按權利要求
1至6任一項所述的方法，其中的薄膜是在有磷酸溶液存在的情況下製造成型的。
8.按權利要求
1至7任一項所述的方法，其中所形成的薄膜是通過固持於一支持物上或固持於薄膜的相連接部分來保持其所需形狀的。
9.按權利要求
1至7任一項所述的方法，其中所形成的薄膜是在一定條件下加熱，以使其熱固成為所需的形狀的。
10.按權利要求
9所述的方法，其中所述的加熱條件為溫度200-650℃，時間5-500分鐘。
專利摘要
一種多孔的陽板氧化鋁薄膜，當它與金屬鋁基質分開後可用作過濾材料，但是較易脆裂。該薄膜可通過在橫截於一特定方向(即金屬基質延伸的方向)的方向上彎曲，而被製成所需的形狀。或者可將薄膜溼潤，以增強其可撓性，然後可在任一方向上將其彎曲而成型。成型薄膜可在200—650℃下加熱而被熱固成所需的形狀。
文檔編號B21C37/00GK87101497SQ87101497
公開日1988年5月18日 申請日期1987年11月10日
發明者黛安·瑪格麗特·詹金斯, 克里斯多福·帕吉特 申請人:艾爾坎國際有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan