聚酯材料表面化學鍍鎳的研究

劉建升

（山東醫(yī)藥技師學院，山東 泰安 271000）

聚酯材料表面化學鍍鎳的研究

劉建升

（山東醫(yī)藥技師學院，山東 泰安 271000）

研究了聚酯材料表面化學鍍鎳的實驗操作方法、工藝控制條件，討論了各種因素對鍍層質(zhì)量的影響，確定了聚酯材料表面化學鍍鎳的工藝流程和最佳實驗條件。實驗結(jié)果表明，聚酯材料經(jīng)過預處理及敏化、活化處理后，化學鍍鎳溶液的pH值控制在5.5，鍍鎳溫度在45℃，反應(yīng)時間25min，可以得到較好的聚酯材料化學鍍鎳鍍層。

聚酯材料；化學鍍；敏化；活化

隨著科技的發(fā)展，單一材料的性能已不能滿足其應(yīng)用的需求，雖然聚酯材料因其成型容易、加工簡單、重量輕、價格低廉等優(yōu)點，在國民經(jīng)濟和日常生活中被廣泛應(yīng)用，為人們的生活帶來了極大的便利，但因其耐候性差，光線長期照射而脆化，受熱時易變形、機械強度小、耐磨性差、不導電等性能，使其 應(yīng)用受到一定的限制。為了滿足特殊情況下對聚酯材料性能的要求，采用化學鍍的方法，在其表面鍍上一層金屬或合金，改善聚酯材料的性能及加工特性，使其應(yīng)用范圍更加廣泛，同時也拓寬了化學鍍的研究領(lǐng)域，具有一定的實用價值。

非金屬材料表面金屬化是新材料開發(fā)的一個重要領(lǐng)域[1-4]，具有重要的應(yīng)用價值。在非金屬材料表面沉積金屬有多種方法，化學鍍是一種重要的方法?；瘜W鍍是指沒有外電流，利用還原劑將溶液中金屬離子還原在催化活性的鍍件表面，形成金屬鍍層的工藝過程，是一種可以控制、自催化的化學還原過程。化學鍍鎳的最大特點是鍍液的分散力強，凡接觸鍍件部位均有厚度基本相等的金屬鍍層，而且鍍層外觀致密、耐腐蝕、耐磨，鍍層與基體的結(jié)合力好，成品率高，成本較低，溶液可循環(huán)使用，副反應(yīng)少，無毒，有利于環(huán)境保護?；瘜W鍍鎳以其優(yōu)異的工藝特性，得到了廣泛的應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

氯化鎳(NiCl2·6H2O)，乙酸鈉（CH3COONa），次亞磷酸鈉( NaH2PO2·H2O)，氯化鈀(PdCl2)，氯化亞錫( SnCl2·2H2O)，錫粒，氫氧化鈉，鹽酸，丙酮，硫酸，三氧化鉻(CrO3)，氨水，醋酸，乙醇(無水)。以上藥品均為分析純。

JSM-5500型冷場掃描電鏡，QZ77-101遠紅外輻射恒溫干燥箱，F(xiàn)A2004N光電天平，CS501型超級恒溫水浴器，DELTA-320型pH計等。

1.2 工藝流程簡圖

1.3 實驗方法

1.3.1 鍍件預處理

鍍件的預處理包括消除內(nèi)應(yīng)力、化學除油和化學粗化。聚酯類材料成型時的內(nèi)應(yīng)力必須消除，否則進行化學鍍時鍍件容易出現(xiàn)變形彎曲的狀況。消除內(nèi)應(yīng)力的方法一般采用熱處理及冰醋酸浸漬或有機溶劑浸漬法來消除，實驗中利用28%的丙酮溶液在常溫下浸泡25min即可消除內(nèi)應(yīng)力。聚酯材料進行化學鍍之前，由于其表面存在油污及其它雜質(zhì)，影響到鍍層的質(zhì)量，必須對鍍件進行化學除油，化學除油時所用的溶液為1mol·L-1的氫氧化鈉溶液及1∶1的鹽酸溶液， 將聚酯材料先放入堿液中恒溫55℃處理20min，洗凈后再放入酸液中恒溫50℃處理10min。然后進行鍍件粗化處理，粗化處理是一種刻蝕過程，鍍件表面經(jīng)過刻蝕變得微觀粗糙，使非金屬表面親水化，增大鍍件與鍍層的接觸面積，便于鍍件表面活性中心的沉積。粗化處理是將10g三氧化鉻溶解于200mL濃硫酸中，加蒸餾水配成500mL粗化液，將聚酯材料放入55℃的粗化液中，粗化處理40min即可，然后用蒸餾水沖洗干凈。

1.3.2 鍍件的敏化及活化處理

聚酯材料進行化學鍍鎳時，其表面必須具有催化活性中心[7-8]，才能起到催化作用，以加速Ni2+在聚酯材料表面的沉積。要使聚酯材料表面具有催化活性中心，必須對其進行敏化和活化處理。所謂敏化，就是使非金屬表面吸附一些易氧化的物質(zhì)；此后活化處理時，該物質(zhì)被氧化，聚酯材料表面形成活化層，即結(jié)晶中心，敏化和活化處理是化學鍍前處理的關(guān)鍵工藝。敏化處理是將預處理過的聚酯材料放入敏化液中，并在30℃的恒溫槽中恒溫、攪拌10min，然后用去離子水洗干凈。再將鍍件放入活化液中，在30℃的恒溫條件下浸泡8min，用蒸餾水洗凈。

取5g氯化亞錫溶解于20mL濃鹽酸中，然后加入蒸餾水稀釋至500mL，配制成敏化溶液備用。為防止Sn2+被氧化成Sn4+，溶液中需加少量錫粒。取0.13g氯化鈀溶解于1.5 mL濃鹽酸，加蒸餾水稀釋至500mL，配制成活化溶液備用。

1.3.3 聚酯材料表面化學鍍鎳

將經(jīng)過敏化、活化處理的聚酯材料鍍件置于一定溫度的鍍鎳容器中，先倒入鍍鎳液(A)50mL，再倒入鍍鎳液(B) 50mL，用氨水和醋酸調(diào)節(jié)鍍液的pH值，鍍鎳反應(yīng)即開始。鍍鎳過程中每隔10min攪拌一次，反應(yīng)25min左右結(jié)束，取出鍍件，分別用蒸餾水及無水乙醇清洗，然后烘干并稱重。

鍍鎳液(A)的配制：分別取氯化鎳8g，乙酸鈉8.5g，用去離子水配成250mL溶液。鍍鎳液(B)的配制：稱取次亞磷酸鈉10g溶解于250mL去離子水中。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 pH值對鍍件質(zhì)量的影響

鍍液的pH值對鎳的沉積速度影響較大。隨著鍍液pH的增加， H2PO2-的還原能力增強， 因此鎳在聚酯材料表面的沉積速度加大。根據(jù)實驗結(jié)果可知，隨著鍍液pH值的升高， 鍍層質(zhì)量先增加后降低，鍍液pH值過高，會使鍍層變得灰暗、粗糙，鍍層結(jié)構(gòu)松散，鍍層與鍍件之間結(jié)合力較弱，鍍層易脫落。這是由于過高的pH值時會使鍍液分解而出現(xiàn)混濁，降低了次亞磷酸鈉的還原能力，且鍍層夾帶的鍍液沉淀物共沉積，影響鍍層的質(zhì)量。實驗過程中，固定其他實驗條件，鍍液的pH值在3.6～9.0之間進行分組試驗，結(jié)果表明，聚酯材料化學鍍鎳的pH在5.1～6.0鍍層質(zhì)量較好，其中在pH為5.5時鍍層增重最多，鍍層效果最佳，因此聚酯材料化學鍍鎳鍍液的pH值控制在5.5左右。

表1 溫度為45℃時不同pH值鍍件的實驗結(jié)果

2.2 溫度對鍍件質(zhì)量的影響

聚酯材料表面化學鍍鎳過程中溫度太低時，金屬鎳沉積速度低[9]，鍍層不均勻；提高鍍液溫度，有利于鍍鎳反應(yīng)的進行，鎳的沉積速度加快。實驗結(jié)果表明，若鍍液溫度過高，鍍層質(zhì)量反而下降。這是由于在鍍鎳過程中，溫度過高時，反應(yīng)過于劇烈，施鍍過程不易控制，且鍍液不穩(wěn)定容易氧化，使鍍液出現(xiàn)渾濁，鍍層變得粗糙有針孔，鎳與鍍件之間的結(jié)合力變小。由于聚酯材料不耐高溫，極易卷曲變形，鍍鎳過程中溫度不宜過高。實驗過程中，其他實驗條件固定時，溫度在30～70℃進行分組試驗。實驗結(jié)果表明鍍液溫度過低時，鍍層不均勻；鍍液溫度過高時，雖然鍍件增重加多但易出現(xiàn)變形，且鍍層與鍍件的結(jié)合力較差，鍍層上出現(xiàn)氣孔和皺褶。依據(jù)實驗結(jié)果，化學鍍鎳控制在45℃時，反應(yīng)平穩(wěn)進行，鍍層致密、均勻、光亮，鍍層與基體結(jié)合力較強，因此聚酯類材料表面化學鍍鎳的溫度控制在45℃左右為宜。

表2 pH值為5.5時不同溫度下鍍件的實驗結(jié)果

2.3 主鹽濃度對鍍件質(zhì)量的影響

主鹽濃度的改變對于金屬鎳鍍層的沉積速度和鍍層與鍍件的結(jié)合力都有影響。實驗中鍍液利用氯化鎳為主鹽，當其含量減少時即鍍液中鎳離子含量降低， 鍍層的質(zhì)量不均勻且鎳的沉積速度下降。若鎳離子的含量增加過大時，雖然鍍件的光澤度有所提高但因金屬鎳沉積過快，導致鍍層結(jié)構(gòu)不致密，金屬鍍層與鍍件的結(jié)合力較弱。實驗過程中，主鹽濃度在0.5～60g·L-1之間進行分組試驗，結(jié)果表明氯化鎳的含量在6g·L-1以內(nèi)時，亮度很高，鍍層較薄卻很美觀；氯化鎳的含量在20g·L-1以內(nèi)鍍層隨著主鹽濃度的增加而逐漸加厚，在10～20g·L-1可得到結(jié)合力較好、鍍層較厚而且光亮的鍍件；氯化鎳的含量在20g·L-1以上時鍍層的結(jié)合力下降，鍍層變得疏松，容易脫落，鍍層質(zhì)量較差。

表3 鍍液溫度45℃、pH值為5.5時不同主鹽濃度時鍍件的實驗結(jié)果

2.4 鍍層的耐腐蝕性及結(jié)合力檢驗

將經(jīng)過干燥的PET聚酯材料鍍件分別放在5%的HCl溶液、5%的NaOH溶液、5%的NaCl溶液中浸泡，記錄鍍件在各溶液中不同時間的腐蝕情況，進行鍍層的耐腐蝕性試驗。試驗結(jié)果表明，室溫下經(jīng)過5%的HCl溶液浸泡的金屬鍍層輕微腐蝕，而浸泡于5%的NaOH溶液中的金屬鍍層基本不腐蝕，5%的NaCl溶液中的金屬鍍層未被腐蝕，腐蝕性檢測試驗結(jié)果表明，聚酯材料鍍層的耐腐蝕性符合要求。實驗結(jié)果見表1、表2、表3所示。

表1 常溫下鍍件在5% HCl溶液不同腐蝕時間的實驗結(jié)果

表2 常溫下鍍件在5% NaOH溶液不同腐蝕時間的實驗結(jié)果

表3 常溫下鍍件在5% NaCl溶液不同腐蝕時間的實驗結(jié)果

采用一尖銳的金屬器材，利用直尺在聚酯材料鍍件表面刻劃出2條間隔5mm的直線，刻劃深度直至鍍件材料的表面，進行鍍層與基體的結(jié)合力檢驗，若間隔內(nèi)的鍍層沒有發(fā)生卷曲和皺褶，表明鍍層與鍍件材料的結(jié)合力較強，否則表明鍍件與基體的結(jié)合力較弱，達不到化學鍍的要求。檢驗結(jié)果表明，刻劃后間隔內(nèi)的鍍層沒有出現(xiàn)卷曲和皺褶，表明鍍件與鍍層的結(jié)合力較強，達到了化學鍍的結(jié)合力要求。

2.5 其他因素的影響

由于聚酯類材料耐溫性能差，高溫時極易卷曲變形，預處理化學除油、化學粗化的過程要控制好溫度，預處理過程中溫度控制在55℃左右即可。此外施鍍時間也會影響鍍層的質(zhì)量，施鍍時間過短，則鍍層不均勻，不能達到鍍鎳的要求；鍍鎳時間過長，則聚酯材料鍍件表面不光滑，鍍層變灰，而且鍍層出現(xiàn)氣孔使鍍層的結(jié)合度降低。實驗結(jié)果表明，鍍鎳時間控制在25min時鍍層效果較好。

添合劑的選用及其配比對鍍層的沉積速度、鍍層質(zhì)量以及鍍液的穩(wěn)定性有一定影響。實驗中鍍液分別選用檸檬酸鈉、酒石酸鈉鉀作為添合劑，檸檬酸鈉絡(luò)合能力較強可使鍍層中磷含量較高，含磷量較高的鍍層結(jié)構(gòu)逐漸從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，其鍍層的質(zhì)量、耐磨損和耐腐蝕性能較好，檸檬酸鈉在鍍液中還起到緩沖劑的作用，穩(wěn)定鍍液的pH值。鍍層沉積速度與檸檬酸鈉和酒石酸鈉鉀的配比有一定的關(guān)系，配比越大，金屬鎳沉積速度越快， 而配比越小，鍍液越穩(wěn)定，實驗結(jié)果表明，檸檬酸鈉和酒石酸鈉鉀的配比為6∶1時，鍍層效果及鍍液穩(wěn)定性較好。

2.6 聚酯材料表面化學鍍鎳的結(jié)構(gòu)表征

利用JSM-6700F型冷場掃描電子顯微鏡對不同聚酯材料鍍件表面進行掃描，實驗條件為：加速電壓5.0kV、加速電流10μΑ、工作距離7.0mm、分辨率為微米級。由電鏡掃描圖可知，聚酯材料表面形成了一層致密、均勻的金屬鎳鍍層，鍍層結(jié)晶細致，平整光亮，金屬鎳與聚酯材料的結(jié)合力較強，導電性實驗結(jié)果良好。

圖2 聚酯材料電鏡掃描圖

3 結(jié)論

經(jīng)過多次實驗確定了聚酯材料表面化學鍍鎳的最佳實驗控制條件和工藝方法，研究表明鍍件預處理溫度控制在50～60℃，敏化、活化溫度控制在30℃左右，化學鍍鎳的條件控制在pH值為5.5，溫度為45℃，主鹽濃度為10～20g·L-1，施鍍時間為25min，

聚酯類材料表面可以得到致密、光亮、結(jié)合力較強的金屬鎳鍍層。由于影響聚酯類材料鍍層質(zhì)量的因素很多，該工藝還有許多問題需要進一步研究和探索，

隨著研究的深入，聚酯類材料化學鍍鎳工藝將更加完善。

[1] 崔培英.麻纖維表面化學鍍鎳[J].化學世界，2009，50（3）：190-192.

[2] 劉西德，崔培英.陶瓷材料表面化學鍍鎳[J].化學世界，2006，47（1）：54-56.

[3] 劉西德，李修善.橡膠表面化學鍍鎳[J].應(yīng)用化學，2006，23(1) ：113-114.

[4] 李鵬，黃英，黃濤，等.非金屬材料化學鍍鎳工藝與鍍層性能研究[J].應(yīng)用化工，2003，32(5) ：1-5.

[5] 劉西德，柏冬.玻璃纖維表面化學鍍鎳的研究[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2009，38（1）：21-23.

[6] 黃新民，張胡海，劉巖，等.化學鍍Ni-P-TiO2納米顆粒涂層功能特性[J].應(yīng)用化學，2006，23(3) ：264-230.

[7] 田從學，楊東平.化學鍍Ni-Cu-P添加劑的研究[J].電鍍與環(huán)保，2002，22(6) ：12-14.

[8] 李鵬，黃英，熊佳，等.玻璃纖維化學鍍Ni-Fe-P合金的研究[J].功能材料，2005，36(2) ：263-266.

[9] 楊連威，姚廣春.碳纖維鍍銅及其對銅基復合材料界面影響[J].化工學報，2005，56(7) ：1343-1348.

Research on Electroless Nickel Plating on Surface of Polyester Material

LIU Jian-sheng
(Shandong Medicine Technician College， Taian 271000， China)

The operating methods and cond ition of electroless nickel plating on surface of the polyester material were studied， inf uence factors of nickel-plating on the surface of the polyester material were discussed.Then the combination strength between ch emical coating and polyester material was tested， the best process and optimum conditons were f nally determined. The results showed that the optimum conditions were as followed: pH=5.5， the nickel plating temperature 45℃ and the reaction time 10～20min. Under the above conditions， good nickel-plating coating on surface polyester material after pretreatment， sensitization and activation could be gained.

polyester material; electroless nickle plating; sensitization; activation

TQ 153.1+2

A

1671-9905(2014)12-0022-04

劉建升（1965-），男，副教授，山東昌樂人，主要從事應(yīng)用化學的研究。Tel:0538-8941699；E-mail: sdyyjsxyjwc@163.com

2014-10-13