表面处理之塑料化学镀镍工艺的研究

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塑料的广泛应用,为人们的生活带来了极大的便利.但由于塑料本身耐磨性能差,不导电、易变形,其应用受到了一定的限制.为了满足特殊情况下对塑料性能的要求,采用化学镀的方法,在塑料表面镀上一层金属,改善塑料的性能以及加工特性,使塑料的应用范围更加广泛,同时也拓宽了化学镀的研究领域,具有一定的实用价值.
0 |) s+ f3 q! g% D0 u8 q' z　　化学镀是利用强还原剂在非金属表面进行氧化还原反应,使金属离子沉积在非金属镀件上的过程.塑料经过预处理及敏化、活化处理后,使塑料表面具有催化活性中心.这样镍离子经过催化活性中心的活化才能被还原剂还原而沉积在塑料表面,形成镀层.要使化学镀镍能够持续进行,所用还原剂的氧化还原电位必须比金属的氧化还原电位更低.还原剂的氧化还原电位值越负表明它的还原能力越强.因为φ0H3PO3 H3PO2=-0.50V,φ0Ni2+ Ni=-0.25V,所以可以选用次亚磷酸钠作还原剂来进行塑料化学镀镍.
　　塑料化学镀镍在催化剂条件下所发生的氧化还原反应为:
　　Ni2++2e→Ni,
: U* v5 f6 P) Z: S2 ]  h　　H3PO2+H2O→H3PO3+2H++2e,
　　总反应:Ni2++H3PO2+H2O=Ni+H3PO3+2H+.
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　　以上氧化还原反应在塑料表面上进行,还原剂次亚磷酸钠被氧化,镍离子被还原.金属镍在塑料表面上不断析出,形成金属镍镀层.
　　镀件的预处理
2 k" e8 o* O6 M　　镀件的预处理包括化学除油和化学粗化.塑料进行化学镀以前,由于其表面存在油污及其它杂质,影响到镀层的质量,所以必须对镀件进行化学除油,即分别用碱液和酸液除去塑料表面的油污.然后进行粗化处理,粗化处理的实质是一种腐蚀作用.镀件表面经过腐蚀,变得微观粗糙,使非金属表面亲水化,这样就增大了镀件与镀层的接触面积,更便于镀件表面活性中心的沉积.化学除油时所用的溶液为1mol／L的氢氧化钠溶液及1:1的盐酸溶液,将塑料分别放入碱液和酸液中煮沸并水洗干净.粗化处理液是将15gCrO3溶解于430mL浓硫酸,配成500mL溶液混合均匀.将塑料放入60～70℃的粗化液中,粗化处理50min即可,最后用蒸馏水冲洗干净,烘干并称重.
　　镀件的敏化及活化处理
) u3 c; \% o1 j: }4 P) ~　　塑料在进行化学镀时,其表面必须具有催化活性中心,这样在化学镀镍过程中,才能起到催化作用,以加速镍离子在塑料表面的沉积.要使塑料表面具有催化活性中心,必须对其进行敏化和活化处理.所谓敏化,就是使非金属表面吸附一些易氧化的物质,在此后的活化处理时,该物质被氧化,塑料表面就形成活化层,即结晶核心.
　　敏化溶液:取5gSnCl2溶解于20mL浓盐酸中,然后加入蒸馏水稀释至500mL.为防止Sn2+被氧化成Sn4+,溶液中需放入一块锡条.
% p' l2 y/ f( k　　活化溶液:称取PdCl20.125g溶解于1.25mL 浓盐酸,加蒸馏水稀释至500mL.
　　敏化处理是将预处理过的塑料放入敏化液中,并在25℃的恒温槽中恒温,搅拌20min,然后水洗干净.再进行活化处理,将镀件放入活化剂中,室温下浸泡5min,水洗干净即可.
　　塑料化学镀镍
3 y# r2 e2 y/ R" S( _% ^3 y6 o7 I  t　　化学镀镍液的配制
2 d" H* D" F& ]  b$ j　　镀镍液(A):分别称取NiCl215g,NaAc25g.用去离子水配制成250mL溶液.
　　镀镍液(B):称取NaH2PO2·H2O5g溶解于250mL去离子水中即可.
: h# J  p6 y/ d9 \: q4 W　　将经过活化处理的塑料置于一定温度的镀镍容器中,先倒入镀镍液　(A)30mL,再倒入镀镍液(B)30mL,镀镍反应即开始.镀镍过程中每隔　10min　搅拌一次,反应1h结束.取出镀件,经水洗后烘干称重.
　　pH值的影响
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: g5 r" Q3 F. @' U* K2 _; Q　　实验结果表明,镀镍溶液的PH值对镍的沉积速度影响较大.随着镀液pH的增加,H2PO-2的还原 能力增强,因此镍在塑料表面的沉积速度加大,这可由表1中看出.随着pH值的升高,镀液容易分解,出现混浊,从而降低了次亚磷酸钠的还原能力,使镀层质量先增加后降低.实验发现,溶液的pH值过高时,镀层变得灰暗、粗糙,镀层结构松散,镀层与塑料之间结合力较弱,且镀层夹带着镀液的沉淀物共沉积,从而影响了镀层的质量.实验结果表明,塑料化学镀镍的最佳pH值应控制在5.1为宜.(pH用PHSJ-4APH计测定).
6 D% F6 \9 O! @; v　　　　　　　　　　表1　35℃时不同pH值时镀件的实验结果
　　pH值　　　　　3.519　　　4.071　　　5.087　　　5.915　　7.014　　7.378　　7.608
% Q( ~& h( }) o9 _　　镀件质量w／g　1.5020　　1.5325　　1.7443　　　1.6187　　1.7139　1.5926　　1.7144
　　镀件增重△w／g0.0008　　0.0014　　0.0059　　　0.0047　　0.0031　0.0018　　0.0010
5 }# J. ]& V6 c- x) v4 v　　增重百分比(%)　0.053　　0.091　　　0.34　　　　0.29　　　0.18　　0.11　　　0.058
　　镀层　　　　　不均匀　　较好　　　　好　　　　　较好　　　灰白　　灰色　　　暗灰
. G) p) }1 A; a/ x　　温度的影响
　　塑料化学镀镍过程中,温度是非常重要的影响因素.在敏化、活化、化学镀镍过程中,温度都必须严格控制.经多次实验可知敏化、活化过程温度应控制在25℃为宜.温度低时,敏化、活化效果不好,镀层质量差且不均匀.提高温度,有利于反应的进行,镍的沉积速度加快.由表2可知,若温度过高,镀层质量反而下降.这是由于化学镀镍过程中,温度过高,镀液的挥发性增加,镀液不稳定,容易分解而出现浑浊.这时镀层变得粗糙,出现针孔和皱褶,镍与塑料间结合力变小.根据实验结果,确定塑料化学镀镍的温度控制在35℃为宜.
& C* C2 y7 F" q　　　　　　　　表2　pH=5.13时不同温度下塑料镀件的实验结果
　　温度(℃)　　　30　　　35　　　40　　　45　　　50　　　60　　　70　　　80
7 P: @9 k6 p# ^4 h$ U　　镀件质量(g)　1.6319　1.3237　1.7561　1.5130　1.8249　1.3564　1.5565　1.7406
: K4 K& S7 z9 }1 {. S　　镀件增重(g)　0.0031　0.0111　0.0094　0.0045　0.0064　0.0065　0.0078　0.0142
　　增重百分比　　0.19%　0.84%　　0.54%　0.30%　　0.35%　0.48%　　0.50%　0.82%
　　镀层　　　　不均匀　　好　　　较好　　较好　　较好　　灰色　　灰暗　　皱褶
( l9 H, M, a, e& ?1 b　　其它因素的影响
　　实验中发现,若镀液中还原剂次亚磷酸钠的浓度提高,则镀液的还原能力增强,镍在塑料表面的沉积速度加大.但会使塑料镀层的结构松散,镀层与塑料之间的结合力变弱.另外由于受到空气中氧气的作用,镀液不稳定,容易分解,出现混浊,不利于化学镀镍的进行,实验中应注意镀液的保护,防止氧化.
3 T% w9 S" O2 U1 G$ [3 V4 A; J　　另外,镀镍的时间也是影响镀层质量的因素之一.实验发现,若镀镍时间过长,则塑料镀件表面不光滑,且镀层变灰.实验证明镀镍时间控制在1h为宜.
( W8 I8 h8 s2 ^+ @) S　　塑料镀镍这一领域,有许多问题值得深入的研究,虽经多次的实验,确定了其镀镍的最佳控制条件和工艺方法,但有些方面还需要进一步的探索.随着研究的深入和加强,塑料化学镀必将更加完善,其应用前景将更加广阔,经济效益也会得到充分发挥.
# D  z9 q0 m2 N( s) M文章关键词： 塑料 表面处理