硫酸銅酸性鍍銅液的碳纖維電鍍銅預(yù)處理探討

郭麗平(廣東嘉元科技股份有限公司 514759)

上世紀(jì)六十年代，發(fā)展一種新型增強(qiáng)材料——碳纖維，擁有高比模量、低密度及其良好的自潤(rùn)滑性等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而使得在復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用。碳纖維電鍍銅工藝在增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，但由于碳銅間不潤(rùn)滑及不反應(yīng)，使得復(fù)合效果相對(duì)較差。鑒于此種原因，應(yīng)處理好碳纖維與銅機(jī)體之間的界面結(jié)合，進(jìn)而改善碳纖維電鍍銅工藝。

一、碳纖維電鍍銅預(yù)處理實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用12碳纖維，其直徑為(7-8)μm；添加劑采用乙撐硫脲、甲基藍(lán)、乳化劑及聚二硫二丙烷磺酸鈉等按照比例配制成溶液；水采用去離子水。采用三種電鍍液成分，其一：200g/L的CuSO4、70g/L的H 2SO4；其二：60 g/L的CuSO4、180g/L的H 2SO4；其三：60g/L的CuSO4、180g/L的H 2SO4、5m l/L添加劑。電鍍采用MPS702的直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，其工作電壓設(shè)置為(1.6-2.0)V，陽(yáng)極為2塊含磷銅板，其纖維長(zhǎng)度設(shè)為46厘米，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度為18℃左右。

采用空氣氧化除膠，并將碳纖維原絲在空氣中加熱到400℃，保溫30分鐘，待除膠后，將碳纖維浸入到40%的HNO3溶液中，連續(xù)加熱煮沸，直至20分鐘，對(duì)其進(jìn)行粗化氧化。采用去離子水對(duì)其沖洗，直到中性，待干燥后以防備用。對(duì)纖維表面的分析采用SEM及XPS分析。

二、影響碳纖維質(zhì)量的因素分析

碳纖維質(zhì)量的影響因素主要從預(yù)處理、鍍液成分及其處理工藝環(huán)境四大方面來(lái)探討，下面對(duì)其給予具體分析：

1.預(yù)處理。碳纖維表面有一層有機(jī)膠，且與水有著較差的潤(rùn)滑性，很難在水中分散，進(jìn)而給電鍍工作帶來(lái)較大困難，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)碳纖維的預(yù)處理，最終提高碳纖維表面活性，并增強(qiáng)親水性。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后碳纖維表面的紋理有所加深，且深度逐漸加大，表面及所有增加，并提高了碳纖維的表面活性，使鍍層與碳纖維間的活力更加緊密。表明通過(guò)預(yù)處理并未對(duì)碳纖維的機(jī)械性能有所影響。

通過(guò)采用X射線對(duì)氧化除膠或粗化氧化后的碳纖維樣品進(jìn)行再分析，可得到氧化除膠及硝酸粗化氧化后的碳纖維表面富含較為豐富的氧。同時(shí)對(duì)Cis進(jìn)行分峰處理，得到碳纖維表面并有各種官能團(tuán)。其中氧的C-H含量分別為285.2、61.3%；C-OH含量分別為287.5、23.6%；C-O 為 289.6、9.2%；COOH為291.4、6.8%。HNO3的C-H含量分別為28.5.1、62.6%；C-OH含量分別為287.4、32.1%；C-O 為 289.9、6.1%；COOH 為290.5、1.9%。碳纖維表面所生成的量主要為C-OH的含氧官能團(tuán)，其親水性較強(qiáng)，可有效改善碳纖維及水溶液的潤(rùn)滑性，使得在鍍液中充分分散碳纖維，創(chuàng)造均勻鍍層。

2.鍍液成分。碳纖維電鍍銅中常常遇到“黑心”問(wèn)題，直接影響碳纖維表面活性。實(shí)驗(yàn)所使用碳纖維內(nèi)外層纖維到陽(yáng)極距離有著較大差異且外層的纖維對(duì)內(nèi)層纖維的電屏蔽作用較明顯，為了有效解決這一難題，則必須使鍍液擁有較高的分散能力。通過(guò)試驗(yàn)研究表明：電鍍液的分散能力與溶液的導(dǎo)電性能有著密切關(guān)系。且對(duì)于硫酸銅酸性電鍍液，可有效提高電鍍液的導(dǎo)電性能及陰極化度，最終提高分散能力。在提高游離H 2SO4濃度之后，可有效提高電鍍液的陰極極化度。但在纖維束內(nèi)側(cè)的纖維表面較難得到鍍層，也就產(chǎn)生了“黑心”的問(wèn)題。當(dāng)各個(gè)纖維都電鍍一層，其黑心問(wèn)題得到緩解。在電鍍?nèi)芤褐腥菀资艿教砑觿┑挠绊懀ǔＧ闆r下，常用的添加劑有乙撐硫脲及聚二硫二丙烷磺酸鈉等，與甲基藍(lán)、乳化劑相配合使用，能夠細(xì)化鍍層晶粒，使鍍液擁有良好的整平能力。用使硫酸濃度處于高的條件下，使用添加劑的將對(duì)陰極極化并沒(méi)有多大影響，且對(duì)電鍍液分散能力的影響也較小。通過(guò)實(shí)踐表明：在電鍍液中加入添加劑后，可得到鍍層微觀形貌，平整鍍層，由此可看出，可有效提高鍍液的整平性。

3.處理工藝環(huán)境。由于碳纖維電阻率較大，加上直徑較小，容易纖維長(zhǎng)度方向上的電位衰減較快，并在電鍍過(guò)程中，銅鍍層應(yīng)靠近夾具位置沉積，并沿著纖維長(zhǎng)度方向生長(zhǎng)，直到電鍍結(jié)束，在形成鍍層的電荷傳遞的載體，降低其電阻率，并增加電鍍體系的陰極面積。若采用恒電流對(duì)其進(jìn)行控制，其體系的陰極有效面積將不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致陰極電流密度非常不穩(wěn)定，也就不能在纖維表面形成較好的鍍層。針對(duì)以上幾點(diǎn)原因，碳纖維電鍍銅的體系的控制應(yīng)采用恒電壓。電壓可在較大范圍內(nèi)選擇，當(dāng)所控制的電壓大于2.1V時(shí)，臨近夾具的位置碳纖維電流密度相對(duì)較大，且容易出現(xiàn)“燒焦”的問(wèn)題，更為嚴(yán)重的是能夠分離出氫氣。當(dāng)電壓控制在1.1V時(shí)，所需要的時(shí)間為370秒，當(dāng)工作電壓較低時(shí)，其生產(chǎn)效率相對(duì)較低。對(duì)其進(jìn)行綜合考慮及分析，體系電壓適宜控制在(1.6-2.0)V。

結(jié)束語(yǔ)

由于碳纖維自身具有的特性，使得在復(fù)合材料具有較高應(yīng)用價(jià)值。但由于碳銅間的不反應(yīng)及其不潤(rùn)滑，使得復(fù)合效果相對(duì)較差。針對(duì)此種情況，本文重點(diǎn)探討硫酸銅性鍍銅液的帶電鍍處理工藝，并分析其影響因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得：通過(guò)空氣高溫氧化及硝酸粗化能夠增加碳纖維的表面粗糙度，并有效改善與鍍液的潤(rùn)滑性，提高與鍍層的結(jié)合力。

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