一種ABS塑料非鈀活化化學(xué)鍍鎳工藝研究

宋政偉， 丁莉峰

(太原工業(yè)學(xué)院化學(xué)與化工系，山西 太原 030008)

隨著近幾年非金屬功能材料的發(fā)展，使得塑料研究更為廣泛，ABS是一種工程中最常用的塑料。ABS塑料表面金屬化后使塑料的應(yīng)用更加廣泛，如用于電腦外殼、手機(jī)外殼、玩具、汽車裝飾、空調(diào)部件、輪轂表層等[1-3]。最常見的是在塑料表面沉積銅和鎳進(jìn)行打底，之后再進(jìn)行電鍍鉻，獲得光亮的金屬表面。但是，塑料作為不導(dǎo)電的材料，無法直接電鍍，而且是化學(xué)鍍非活性基材，也不能直接化學(xué)鍍，必須對塑料表面進(jìn)行金屬化處理。最常見的金屬化處理工藝步驟為[4-6]：1) 對表面進(jìn)行活化處理，使其表面吸附一層具有催化活性的金屬顆粒；2) 進(jìn)行化學(xué)鍍銅或化學(xué)鍍鎳。其中，第一步的活化工藝對整個(gè)化學(xué)鍍起著決定性作用。關(guān)于非活性基材活化的工藝有很多，最常用的活化方法是使用氯化鈀進(jìn)行活化，其活化效果相對來說比較好，但是鈀有毒，且價(jià)格昂貴，若鈀顆粒不慎落入鍍液中，會(huì)影響鍍液的穩(wěn)定性。最近幾年，對于用非鈀進(jìn)行活化的工藝研究也有一些進(jìn)展，包括熱氧化還原法、有機(jī)鎳熱分解法，也有用N型半導(dǎo)體氧化物代替貴金屬作為活化劑的活化方法等[7-10]。但各個(gè)方法都有自身優(yōu)缺點(diǎn)，如，有機(jī)鎳熱分解方法，可以用在無機(jī)物表面活化，但對于塑料來講，在高溫下會(huì)發(fā)生變形，無法進(jìn)行應(yīng)用。

本文擬采用一種新的無鈀活化去代替氯化鈀進(jìn)行活化，并研究活化工藝對鍍層性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 前處理及活化

實(shí)驗(yàn)所采用的材料為ABS塑料，前處理的工藝流程為：打磨→除應(yīng)力→除油→粗化→活化。

打磨依次使用320目(45μm)、600目(23μm)、1000目(13μm)耐水砂紙進(jìn)行，打磨時(shí)朝著一個(gè)方向進(jìn)行。之后,將其放入70 ℃烘箱，保溫12 h，除去內(nèi)應(yīng)力。將洗干凈的塑料放入乙醇溶液中進(jìn)行常溫清洗10 min，再將塑料放入堿洗液中進(jìn)行除油。粗化可以使塑料表面粗糙，有利于吸附更多的活性物質(zhì)，以便塑料化學(xué)鍍鎳的進(jìn)行，粗化液是20 g·dm3高錳酸鉀，20 g/L氫氧化鈉，溫度85 ℃。

將0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g的硝酸銀分別溶于以乙醇、乙二醇、蒸餾水為主要成分的混合溶劑中(乙醇80%～90%，乙二醇4%～6%，水10%～15%)，配制成0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/L的硝酸銀溶液，即為活化液。將粗化后的塑料樣品放入活化液中浸泡1 min～25 min，取出后放入65 ℃的烘箱中恒溫10 min，之后進(jìn)行化學(xué)鍍鎳。

1.2 化學(xué)鍍鎳

實(shí)驗(yàn)采用2種化學(xué)鍍鎳液。

化學(xué)鍍鎳液配方一：六水合氯化鎳20 g/L、硼氫化鈉0.8 g/L、硫脲1 mg/L、乙二胺35 mL/L、氫氧化鈉110 g/L，溫度80 ℃，pH>12。

化學(xué)鍍鎳液配方二：硫酸鎳25 g/L、次亞磷酸鈉10 g/L、硫脲1 mg/L、檸檬酸10 g/L，溫度85 ℃，pH為5～6。

實(shí)驗(yàn)采取先在鍍液一中施鍍10 min，之后，再放入鍍液二中施鍍30 min。

1.3 鍍層性能檢測

1) 外觀及形貌

用肉眼觀察塑料表面上的鍍層，是否光亮、均勻，其表面是否起皮、是否有明顯的缺陷等。這種用肉眼觀察鍍層表面性能的方法稱為目測法。利用金相顯微鏡及SEM對塑料表面鍍層的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的觀察。

2) 結(jié)合力

選用鍍層表面均勻、色澤光亮的塑料進(jìn)行膠帶剝離。此方法具體操作如下：將膠帶粘到塑料表面，按壓1 min左右，然后迅速使塑料與膠帶分離，觀察塑料表面的鍍層情況。若鍍層仍然完整無損，則說明鍍層結(jié)合力好；否則，塑料表面鍍層結(jié)合力差。

2 結(jié)果與討論

2.1 硝酸銀質(zhì)量濃度對鍍層的影響

設(shè)定活化工藝為：溫度25 ℃，活化時(shí)間15 min。表1為硝酸銀質(zhì)量濃度對鍍層性能的影響。由表1可以看出，當(dāng)AgNO3質(zhì)量濃度為0.1 g/L時(shí)，鍍層性能差；達(dá)到0.25 g/L時(shí)，可以形成結(jié)合力較好的鍍層；達(dá)到0.3 g/L～0.4 g/L時(shí)，鍍層光亮、均勻、完整，且結(jié)合力好；但當(dāng)AgNO3質(zhì)量濃度達(dá)0.5 g/L時(shí)，鍍層變得不均勻，有起皮現(xiàn)象。綜上可得，硝酸銀最佳質(zhì)量濃度為0.3 g/L～0.4 g/L，此活化工藝下，鍍層光亮、均勻、結(jié)合力好。

表1 硝酸銀濃度對鍍層的影響

2.2 活化溫度對鍍層的影響

設(shè)定活化工藝為：AgNO3質(zhì)量濃度0.3 g /L，時(shí)間15 min。

表2為活化溫度對鍍層性能的影響。由表2可以看出，當(dāng)活化溫度低于40 ℃時(shí)，鎳鍍層無光亮，嚴(yán)重起皮；當(dāng)活化溫度為40 ℃～50 ℃，鍍層半光亮、均勻、無起皮；當(dāng)活化溫度高于50 ℃時(shí)，鍍層既無光亮，且嚴(yán)重起皮。綜上可得，最佳活化溫度為40 ℃，此活化工藝下，鍍層光亮、均勻、結(jié)合力好。

2.3 活化時(shí)間對鍍層的影響

設(shè)定活化工藝為：AgNO3質(zhì)量濃度0.3 g/L，溫度40 ℃。表3為活化時(shí)間對鍍層性能的影響。當(dāng)活化時(shí)間少于15 min時(shí)，鍍層發(fā)暗，表面不均勻，有起皮；當(dāng)活化時(shí)間為20 min時(shí)，被分解的銀均勻分布在在塑料表面上，所得鍍層均勻，光亮；當(dāng)活化時(shí)間增加到25 min時(shí)，鍍層不光亮、有起皮，由于表面形成的銀顆粒過多，導(dǎo)致鍍層與基底結(jié)合力下降，從而出現(xiàn)起皮現(xiàn)象。綜上可得，最佳活化時(shí)間為20 min，此活化工藝下，鍍層光亮、均勻、結(jié)合力好。

表2 硝酸銀濃度對鍍層的影響

表3 活化時(shí)間對鍍層性能的影響

2.4 表面形貌表征

根據(jù)所得的條件，0.3 g/L～0.4 g/L AgNO3，活化溫度為40 ℃，活化時(shí)間為20 min，活化后對活化表面形貌進(jìn)行SEM表征，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，所形成的納米銀顆粒大小均勻，顆粒直徑約為25 nm，能夠?yàn)楹罄m(xù)的化學(xué)鍍鎳提供足夠的化學(xué)鍍活性位點(diǎn)，保證施鍍均勻完整。

圖1 活化20 min后表面SEM圖

根據(jù)所得條件，0.3 g/L～0.4 g/L AgNO3，活化溫度為40 ℃，活化時(shí)間為20 min，對ABS進(jìn)行處理后施鍍，通過SEM觀察試樣的表面微觀形貌，見第12頁圖2。從圖2可以看出，所得鍍層有典型化學(xué)鍍Ni-P層結(jié)構(gòu)，表面由10 μm左右的晶胞相互連接而成，晶胞之間結(jié)合緊密，無裂縫。

3 結(jié)論

用硝酸銀溶液對塑料表面進(jìn)行活化，探究活化工藝對鍍層性能的影響，確定了用硝酸銀活化進(jìn)行化學(xué)鍍鎳的最佳的活化工藝為：0.3 g/L～0.4 g/L AgNO3溶液，活化溫度40 ℃，活化時(shí)間20 min。此工藝制備的鎳鍍層呈現(xiàn)銀白色、表面沒有明顯的缺陷，鍍層與基體的結(jié)合力良好。該工藝能夠在一定范圍內(nèi)替代鈀活化，起到降低生產(chǎn)成本的目的，也可應(yīng)用到其他非活性基材化學(xué)鍍中。

圖2 化學(xué)鍍鎳層微觀形貌圖