溶胀条件对聚碳酸酯表面粗化效果的影响

夏曙光，李志新，王增林

(陕西师范大学化学与材料科学学院，陕西西安 710062)

溶胀条件对聚碳酸酯表面粗化效果的影响

夏曙光，李志新，王增林

(陕西师范大学化学与材料科学学院，陕西西安 710062)

聚碳酸酯表面金属化处理后广泛应用于生产、生活的各个领域。利用环境友好的二氧化锰-硫酸微蚀体系，研究了溶胀处理过程中，溶胀液组成、溶胀条件及微蚀时间对聚碳酸酯表面粗化效果的影响。利用扫描电镜对其溶胀效果进行评价，从而得到理想的聚碳酸酯表面粗化溶胀效果。

聚碳酸酯;溶胀;表面粗化;粘结强度;二氧化锰;硫酸

引 言

随着新材料的不断产生，非金属材料如塑料已经广泛应用于航空航天、汽车、通讯设备和日常生活用品中。塑料通过表面金属化处理可以应用到某些特殊领域，如汽车、家电中的塑料电镀件、计算机和印刷电路板中的金属化层等［1］。通过金属化处理，塑料不仅可以增强其本身的强度，具有更为良好的耐溶剂性、耐蚀性、耐磨性、耐光照性及传热性，同时又具有金属的外观和导电性能。当塑料兼有金属及其自身的共同优点时，在某些方面就可以代替贵重的有色金属。在众多用于金属化的塑料中，聚碳酸酯(PC)和ABS工程塑料以其良好的物理、机械和化学性能，以及较低的价格，已经广泛应用于生产生活的各个领域中。

PC是一种无色透明的无定型热塑性材料，具有良好的耐热、抗冲击、阻燃以及机械性能，广泛的应用于玻璃装配业、汽车工业、电子电器工业以及办公室设备。其名称来源于其内部的碳酸酯基基团(R1OCOOR2)，其结构如图1所示。

图1 聚碳酸酯的结构

为了提高PC基体与镀层之间的粘结强度，PC基体在表面金属化前需要进行包括除油、溶胀、微蚀及中和的前处理过程，以期达到增大镀层与基体表面的接触面积，使得镀层沉积在基体表面产生“锚效应”［2］。

目前PC基体的处理大多采用等离子体进行改性处理。在国外，Latella［3］等研究了水蒸气等离子对PC表面改性，并考察了等离子处理条件对其沉积铜膜粘接强度的影响。Ong［4］研究了氧等离子PC表面改性。结果表明，利用氧气等离子处理，可以在PC表面产生许多小微孔，增强了界面的粘结性，Lee等［5］也对此做了相关的研究。国内刘裕明［6］等研究了低温等离子体对聚碳酸酯材料表面改性，发现PC表面润湿接触角随处理时间的增加而减小。然而该方法需要较高的设备，使其应用受到限制，不利于工业化生产。

王艳芝等［6］采用丙酮微蚀液，研究了不同的微蚀条件对PC板微蚀效果的影响。通过丙酮溶液处理，提高镀层与PC板之间的粘结性，但未有具体的粘接强度结果。

本研究小组利用MnO2-H2SO4胶体作为微蚀剂，成功的实现了环境友好的ABS板和环氧树脂板的表面粗化［7-10］，在此基础上，开展了以 MnO2-H2SO4胶体作为微蚀剂，对PC表面进行化学微蚀的研究工作，并通过扫描电镜(SEM)，研究溶胀和微蚀条件对PC表面粗化效果的影响。

1 实验部分

首先将δ为1.0 mm聚碳酸酯板切成25mm×40mm的试片，进行除油、溶胀处理。溶胀溶液由一定浓度的N，N'-二甲基甲酰胺(DMF)、表面活性剂和水组成。通过对溶胀温度、溶胀时间以及溶胀溶液中N，N'-二甲基甲酰胺的浓度对聚碳酸酯板表面粗化效果的影响确定溶胀液的组成及溶胀条件。将溶胀后的PC板插入MnO2-H2SO4胶体中进行表面粗化。微蚀液的组成:30g/L二氧化锰，12.3mol/L硫酸，微蚀液 θ为70℃。

2 结果与讨论

2.1 溶胀液对聚碳酸酯表面粗化效果的影响

首先利用文献报道的对ABS板和环氧树脂板非常有效的方法对PC板进行除油、溶胀处理，然后研究不同的硫酸浓度、二氧化锰质量浓度、微蚀液温度、微蚀时间对PC板表面粗化效果的影响，通过SEM对其微蚀效果进行观察。结果表明，不论如何改变微蚀液中硫酸浓度(9.6～14.7mol/L)，提高处理温度(60～90℃)，延长处理时间(5～60min，PC板的表面形貌没有任何明显的变化。图2为12.3mol/L硫酸，θ为70℃，不同微蚀时间，PC 表面溶胀，微蚀后的SEM照片。

图2 经传统溶胀、微蚀后PC板表面的SEM照片

2.2 DMF溶胀液对聚碳酸酯表面粗化效果的影响

文献［6］报道了通过丙酮处理，可以提高PC表面与金属膜的粘接强度，通过实验发现，PC表面除油后通过适当的丙酮水溶液处理，经二氧化锰-硫酸胶体微蚀，可以获得一定的微蚀效果，但不能达到企业的要求。在此基础上，选用了大量的有机溶剂和表面活性剂组成新的溶胀液，研究了不同组成的溶胀液、在不同条件下的溶胀处理和表面粗化，观察其表面的形貌变化，最终发现N，N'-二甲基甲酰胺和表面活性剂组成的水溶液，对PC板的溶胀有非常好的效果。

当PC板经过 w(DMF)分别为60%、70%和85%的溶胀水溶液室温处理4min后，经过二氧化锰-硫酸胶体处理，微蚀不同时间PC板表面的SEM照片如图3、图4和图5所示。

当溶胀液中w(DMF)为60%，微蚀10min，PC板表面已经有一定的小孔出现［见图3(a)］。与传统的溶胀处理相比，有了明显改进，说明DMF的溶胀液对PC板的溶胀有一定效果。在相同溶胀条件下，随着微蚀时间的增长，PC板表面微孔的密度也随之增加，但微孔密度和深度仍显不足［见图3(d)］。

图3 w(DMF)为60%溶胀液中不同微蚀时间PC板的SEM图

图4 w(DMF)为70%溶胀液中不同微蚀时间PC板的SEM图

图5 w(DMF)为85%溶胀液中不同微蚀时间PC板的SEM图

当溶胀液中w(DMF)为70%，仅微蚀10min，PC板表面已经有大量、均匀的、高密度的细小微孔出现［见图4(a)］。经20min微蚀，PC表面的微孔密度和深度达到最大［见图4(b)］极大的改变了表面的粗糙度，微蚀效果非常理想。然后随着表面粗化时间的延长，PC基板表面的微孔密度开始减小，微孔深度也降低，这主要与溶胀效果有关。通过溶胀处理，使溶胀剂分子很好的进入基板的内部，使其表面发生溶胀。而溶胀使得PC基板表面的反应点暴露充分，加剧了基板表面粗化剂对活性点与非活性点的微蚀速率差，从而增加了微蚀后基板表面的粗化度。

当溶胀液中w(DMF)为85%时，仅微蚀10min，PC板表面就出现了大量的、很深的微孔，当微蚀时间增加到20min时，PC基板表面的微孔直径变大，微孔密度变小，这是过度微蚀的结果。上述结果说明溶胀液中w(DMF)大，使得溶胀后产生的溶胀层很容易被微蚀掉。再通过进一步的发现，当溶胀液中w(DMF)为80% ～85%时，可以使PC表面有效溶胀，达到最为理想的微蚀效果。

3 结论

利用环境友好的硫酸-二氧化锰体系，研究了溶胀组成、溶胀条件对PC板表面粗化效果的影响。通过对溶胀、微蚀后PC板表面SEM照片观察，发现当w(DMF)为80% ～85%，PC板在室温下，经过4min的浸泡，可获得最佳的微蚀效果。

［1］Ra S，Lee C，Cho J，et al.Micro Via and Line Patterning for PCB Using Imprint technique［J］.Current Applied Physics，2008，8(6):675-678.

［2］Ranby B.Surface Modification and Lamination of Polymers by Photo-Graftin［J］.International Journal of Adhesion ＆ Adhesives，1999，19(5):337-343.

［3］Latella B A，Triani G，Zhang Z，et al.Enhanced Adhesion of Atomic Layer Deposited Titania on Polycarbonate Substrates［J］.Thin Solid Films，2007，515(5):3138-3145.

［4］Ong H C，Chang R P H，Baker N，et al.Improvement of Mechanical Properties of Amorphous Carbon Films Deposited on Polycarbonate Plastics［J］.Surface and Coatings Technology，1997，89(1):38-46.

［5］Lee C C，Hsu J C，Jaing C C.Optical Coatings on Polymethyl Methacrylate and Polycarbonate［J］.Thin Solid Films，1997，295(1-2):122-124.

［6］刘裕明，陈慧英，夏建新.低温等离子体对棉纺织物表面改性及时效研究［J］.应用基础与工程科学学报，2004，12(2):127-131.

［7］王艳芝.聚碳酸酯酸性化学镀Ni-Fe-P工艺［J］.电镀与环保，2003，23(6):23-24.

［8］王增林，李志新.无铬污染的ABS工程塑料零部件表面粗化方法.中国专利:ZL200810017601.8［P］，2008-03-05.

［9］Zhixin Li，Na Li，Lie Yin，et al.An Environment-Friendly Surface Pretreatment of ABS Resin Prior to Electroless Plating［J］.Electrochemical and Solid-State Letters 2009，12:92-95.

［10］Zhifeng Yang，Yue He，Zhun Li，et al.Adhesion improvement of ABS resin to electroless copper by H2SO4-MnO2colloid with ultrasound-assisted treatment［J］.Journal of Adhesion Science and Technology，2011，25:1211-1221.

Effects of Swelling Conditions on Surface Etching for Polycarbonate Substrates

XIA Shu-guang，LI Zhi-xin，WANG Zeng-lin
(School of Chemistry and Materials Science，Shanxi Normal University，Xi＇an 710062，China)

Effects of composition of swelling solution，processing condition and etching time on surface etching for PC substrate were investigated in MnO2-H2SO4colloid system.The surface etching performance was evaluated by SEM observation，when N，N-dimethylformamide concentration was 85%and swelling time was 4 min，satisfied swelling and etching results were obtained at room temperature.

polycarbonate(PC);swelling;surface etching;adhesion strength;MnO2;sulfuric acid

TQ153.3

A

1001-3849(2011)06-0029-04

2011-02-28

2011-04-19

国家自然科学基金(20873080)资助