有机物电镀工艺的探索和研究（ⅠⅠ）

王伟平， 顾卫忠

（1.上海天青科贸有限公司，上海 200233；2.上海应用技术学院 化学与环境工程学院，上海 201418）

有机物电镀工艺的探索和研究（ⅠⅠ）

王伟平1， 顾卫忠2

（1.上海天青科贸有限公司，上海 200233；2.上海应用技术学院 化学与环境工程学院，上海 201418）

3 有机物电镀的性能和管理

3.1 外观性能

从外观上讲，有机物电镀同时具备涂装、电泳涂装和金属电镀这三种表面处理技术的优点。有机物电镀利用涂装丰富的外观效果在金属表面进行有金属质感的光亮彩色面、缎面、沙面、无光泽面等的表面处理，大大地简化了金属电镀工艺，并且降低了成本。对仿银、仿金、仿古装饰性电镀外观，有机物电镀是一种无氰化、低VOC化的绿色环保的金属表面处理技术。

3.2 防护性能和化学性能

有机物电镀和金属电镀对于金属表面处理技术来说有很大的互补性，对比情况，如表3所示。将有机物电镀和金属电镀结合，可大大提高镀件的防护性能。

金属电镀除镀金外大多数金属的耐化学品性能较差；有机物涂膜是通过交联固化的高分子树脂，有很好的耐化学品性能，这也使得有机物电镀对电镀产品有着重要的利用价值，适用于金属眼镜架、饰品等和人体皮肤接触的金属产品。

表3 金属电镀和有机物电镀的互补性

锌压铸件、铸铁、粉末冶金等产品必须通过多层金属镀层结构和较厚的金属镀层才能达到耐腐蚀的效果。有机物电镀可以封闭镀层上的孔隙，大大提高产品的防护性能。

仿金色、仿古色、银白、枪黑是除镀铬外最常见的金属电镀外观，但它们本身不耐腐蚀、易变色，需要在最外层进行涂装才能作为防护－装饰性镀层来使用。有机物电镀将涂装技术电镀化，不仅提高了生产效率，而且在涂膜均匀性和覆盖性上均优于其他的涂装技术，耐蚀性有所提高。

不锈钢、钛合金表面有很好的耐蚀性，但它们都不耐指纹；铝、镁及其合金有很好的金属外观效果，但耐蚀性差，也不耐指纹。在这些难电镀的金属基材上适合直接采用有机物电镀工艺，既可以保持金属色调感，又提高了这些金属表面的防护－装饰性。

铝表面形成透明氧化膜后既有白亮的光泽又有很好的耐蚀性，但铝很难在水性体系的溶液中沉积。表面经过处理后的铝浆粉被离子化的水性高分子有机树脂包裹后，以复合电镀的方式和离子化高分子有机树脂共沉积得到复合镀铝层。铝粉有很好的覆盖性，采用电沉积的方式，铝微粒在电场作用下的定向排列性更好，可以得到类似镀铬效果的白亮金属和有机聚合物的复合镀膜。该复合镀膜的耐蚀性要比金属铝和高分子有机树脂的更好，是一种代替电镀铬和铝氧化表面处理的环保新技术。

3.3 结合力和机械性能

镀层和基体材料的结合力是考核电镀工艺的重要指标。尽管电泳涂装工艺的结合力比其他涂装工艺的好，但对于不同类型的树脂和配方，结合力是有差别的。金属电镀的结合力和基体金属的材质及前处理有关，有机物电镀的结合力和有机树脂、配方、固化条件等有关。通常我们认为阴极电泳工艺的结合力比较好，这主要来源于汽车工业中钢铁基材上环氧树脂电泳涂装的研究。有机物电镀的处理对象除黑色金属外，更多的是有色金属。例如：在铜、银、铬等金属上采用阳极电沉积工艺时，由于这些金属会在阳极溶出金属离子参与高分子有机树脂的交联固化反应，有时结合力会比阴极电沉积的更好。

有机物涂膜没有金属的硬度，这在机械性能上有别于金属电镀，但可在有机物电镀的配方中加入一些耐磨损、抗划伤、润滑等材料提高膜层性能。有机物电镀还可以通过一些高硬度的树脂和固化催化剂来提高涂膜的硬度。通常涂膜硬度在5H以上时具有金属质感，但高硬度的涂膜往往会带来脆性和结合力不良等问题，所以有机物涂膜的柔韧性很重要。环氧树脂体系的有机树脂有很好的结合力和柔韧性，但耐候性差、树脂带色，不适合做最外层的膜层；以氨基树脂为固化剂的丙烯酸树脂有很好的外观、耐候性和硬度，但烘烤温度过高时膜层容易出现结合力不良和脆性等问题；聚氨酯树脂的结合力和柔韧性都很好，但膜层的硬度不高。根据产品不同的性能要求来选择不同类型的树脂或将它们组合，从而满足各类产品对机械性能的需求。

3.4 有机物电镀的管理

3.4.1 槽液管理

有机物电镀的配方比金属电镀的复杂，成膜所消耗的树脂也不能从电极得到补充，溶液中树脂的总浓度低，在槽液的稳定性方面要比金属电镀的差。有机物电镀溶液中的成分往往都参与沉积，所以有机物电镀的槽液管理要根据其自身的特点来进行。有机物电镀通过配方中主体树脂、固化剂、中和剂、溶剂等的全面补充，使槽液成分达到平衡。

连续过滤、搅拌可以净化槽液，使镀层均匀，但同时会加速槽液的老化和有效成分的挥发，所以槽液的循环量通常比金属电镀的小。超滤和离子交换处理是电泳涂装常用的管理装置，对于大型的电泳涂装槽液管理而言，它是一种循环使用和净化槽液的有效方法。有机物电镀的槽液以中小型为主，使用这些设备时容易使槽液成分失去平衡，影响槽液的稳定性。

有机物电镀的槽液还可以通过添加剂进行管理，这些添加剂通常为水性涂料的助剂，它们可以改善镀层的流平性和均匀性，提高镀层的厚度和光泽，还可以减少镀层出现针孔、火山口等不良现象。

3.4.2 涂膜性能管理

在有机物电镀的生产过程中，挂具和工件上的杂质离子带入槽液会对涂膜性能产生较大的影响。例如：氯离子夹附在涂膜中会严重影响涂膜的耐蚀性；电导率过高时往往会影响涂膜的结合力。超滤和离子交换处理是去除这些杂质离子的有效方法，但这些方法同时也会去除槽液中的一些有效成分，使槽液成分或有机树脂的状态发生变化，影响涂膜的性能。

有机物电镀采用定期部分更新槽液成分的管理方法，可有效地保证涂膜的稳定性；此外，通过成分的整体补充使槽液中的主体树脂、固化剂、中和剂等成分尽可能地保持在配方设计的最佳范围内，还可以有效地控制槽液中杂质离子积累和树脂团聚老化，保证了涂膜性能的稳定。这种管理方式接近于一般涂装的管理，对成分复杂的配方采用固定成分的配方生产，有利于产品性能的稳定。

4 研究有机物电镀工艺的意义

4.1 提高性能和减少有色金属的消耗

多层镀镍工艺是利用电化学腐蚀的原理来提高镀层的防护性能；有机物电镀则是利用有机树脂封闭金属表面的孔隙和阻隔金属与空气或水的接触，从而达到防护－装饰性的要求。电镀工艺中引进有机物电镀，改变了传统防护－装饰性电镀的镀层结构，许多产品不需要采用多层镍的镀层结构来达到耐腐蚀的要求。例如：光亮酸铜/镀薄镍/有机物电镀工艺适用于许多防护－装饰性电镀产品，大大减少了金属镍的消耗，还提高了产品的防护性能。

有机物电镀弥补了金属电镀选择品种少的局限，各种类型的高分子有机树脂可以将涂装的优点融入电镀工艺技术中，减少了电镀产品对有色金属的依赖。事实上，许多电镀产品的性能要求依靠金属电镀工艺是无法或很难达到的。例如：锌压铸件上必须有多层及较厚的金属镀层才能达到耐蚀性的要求；金属电镀无法满足金属眼镜架的耐化学品性能；金属电镀的耐指纹性往往需要采用有机树脂来解决。

镀金的色泽有永恒的魅力，但其耐久性影响了产品的品质。选用耐划伤和体现金属光泽的有机物电镀不仅可以降低金的消耗，还能使产品耐用。

4.2 简化电镀工艺和减少电镀污水的排放

有机物电镀的镀层厚度是通过调节电压来控制的，它在生产线上的设备规模比金属电镀的小得多，而且有机物电镀工艺通常无底镀层或采用一层金属底镀层，所以有机物电镀可以简化金属表面处理工序。例如：采用铝银浆有机物电镀在铸铁件上进行仿镀铬效果的表面处理，不需要在工件上镀镍/铬，这不仅简化了工艺，还大大减少了电镀污水的排放。类似的技术还可以应用于车轮毂、铝型材等生产线长、污水排放量大的金属表面处理中。

氰化物电镀具有覆盖能力好、与大多数金属基材有很好的结合力等优点，是其他金属电镀难以取代的工艺。有机物电镀对复杂或深孔工件有非常好的覆盖能力，而且对所有金属都有较好的结合力，是一种非常好的无氰电镀工艺。

光亮镀锡有很好的光亮度、色泽和耐蚀性，但容易变色，很少在防护－装饰性电镀产品上使用。在光亮镀锡层上，采用低温烘烤的有机物电镀工艺可以进行仿金、银等贵金属电镀效果的表面处理，不仅简化了电镀工艺，减少了有色金属的消耗，而且减少了电镀对氰化物的依赖和有害废水的排放。

随着电镀工艺向绿色环保的方向发展，类似于代替六价铬、代镍、无磷等表面处理工艺，都将会是有机物电镀发挥作用的领域。

4.3 金属表面处理的多样化和多元化

防护－装饰性电镀的色泽基本上是白色、金色和黑色三种色系。有机物电镀可以采用各种颜料和染料得到各种带金属感的色彩，有机聚合物树脂还可以通过各种改性技术得到亚光、半光、缎光等多种外观效果，极大地丰富了金属表面处理的外观。

在经过化学和机械处理的金属或镀层表面进行有机物电镀，可以获得仿古、拉丝等各种金属质感的表面处理效果。

有机物电镀使用的离子化高分子有机聚合物容易包裹各种粉末微粒，类似于金属复合电沉积，可获得更加丰富的外观和功能效果。有机物电镀还可以通过添加剂和各种功能化的有机树脂的共沉积赋予电镀产品耐磨、滑爽、绝缘等功能性，使功能性电镀又有了新的发展方向。

5 结语

金属和高分子有机涂料对材料进行表面处理的工艺技术都有三个共同的目的：（1）提高产品的耐蚀性和耐久性；（2）适应产品的装饰性和多样化发展；（3）赋予表面特定的功能。

进入21世纪以来，低碳和环保已成为各类产品和技术的时代特征，金属表面处理的工艺技术也是如此。传统的电镀和涂装工艺给环境带来了巨大的污染。近年来迅速发展的水性涂装是一种绿色环保的涂装技术，有机物电镀采用的是水性涂装的高分子有机树脂，通过类似于金属电镀的方式对金属进行表面处理，它们的结合将会对金属表面处理的三个目的带来新的发展和机遇。

（续完）

TQ 153

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1000-4742（2013）01-0009-03

2011-09-05