聚酯材料表面化学镀镍的研究

刘建升

（山东医药技师学院，山东 泰安 271000）

聚酯材料表面化学镀镍的研究

刘建升

（山东医药技师学院，山东 泰安 271000）

研究了聚酯材料表面化学镀镍的实验操作方法、工艺控制条件，讨论了各种因素对镀层质量的影响，确定了聚酯材料表面化学镀镍的工艺流程和最佳实验条件。实验结果表明，聚酯材料经过预处理及敏化、活化处理后，化学镀镍溶液的pH值控制在5.5，镀镍温度在45℃，反应时间25min，可以得到较好的聚酯材料化学镀镍镀层。

聚酯材料；化学镀；敏化；活化

随着科技的发展，单一材料的性能已不能满足其应用的需求，虽然聚酯材料因其成型容易、加工简单、重量轻、价格低廉等优点，在国民经济和日常生活中被广泛应用，为人们的生活带来了极大的便利，但因其耐候性差，光线长期照射而脆化，受热时易变形、机械强度小、耐磨性差、不导电等性能，使其 应用受到一定的限制。为了满足特殊情况下对聚酯材料性能的要求，采用化学镀的方法，在其表面镀上一层金属或合金，改善聚酯材料的性能及加工特性，使其应用范围更加广泛，同时也拓宽了化学镀的研究领域，具有一定的实用价值。

非金属材料表面金属化是新材料开发的一个重要领域[1-4]，具有重要的应用价值。在非金属材料表面沉积金属有多种方法，化学镀是一种重要的方法。化学镀是指没有外电流，利用还原剂将溶液中金属离子还原在催化活性的镀件表面，形成金属镀层的工艺过程，是一种可以控制、自催化的化学还原过程。化学镀镍的最大特点是镀液的分散力强，凡接触镀件部位均有厚度基本相等的金属镀层，而且镀层外观致密、耐腐蚀、耐磨，镀层与基体的结合力好，成品率高，成本较低，溶液可循环使用，副反应少，无毒，有利于环境保护。化学镀镍以其优异的工艺特性，得到了广泛的应用，创造了巨大的经济效益。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

氯化镍(NiCl2·6H2O)，乙酸钠（CH3COONa），次亚磷酸钠( NaH2PO2·H2O)，氯化钯(PdCl2)，氯化亚锡( SnCl2·2H2O)，锡粒，氢氧化钠，盐酸，丙酮，硫酸，三氧化铬(CrO3)，氨水，醋酸，乙醇(无水)。以上药品均为分析纯。

JSM-5500型冷场扫描电镜，QZ77-101远红外辐射恒温干燥箱，FA2004N光电天平，CS501型超级恒温水浴器，DELTA-320型pH计等。

1.2 工艺流程简图

1.3 实验方法

1.3.1 镀件预处理

镀件的预处理包括消除内应力、化学除油和化学粗化。聚酯类材料成型时的内应力必须消除，否则进行化学镀时镀件容易出现变形弯曲的状况。消除内应力的方法一般采用热处理及冰醋酸浸渍或有机溶剂浸渍法来消除，实验中利用28%的丙酮溶液在常温下浸泡25min即可消除内应力。聚酯材料进行化学镀之前，由于其表面存在油污及其它杂质，影响到镀层的质量，必须对镀件进行化学除油，化学除油时所用的溶液为1mol·L-1的氢氧化钠溶液及1∶1的盐酸溶液， 将聚酯材料先放入碱液中恒温55℃处理20min，洗净后再放入酸液中恒温50℃处理10min。然后进行镀件粗化处理，粗化处理是一种刻蚀过程，镀件表面经过刻蚀变得微观粗糙，使非金属表面亲水化，增大镀件与镀层的接触面积，便于镀件表面活性中心的沉积。粗化处理是将10g三氧化铬溶解于200mL浓硫酸中，加蒸馏水配成500mL粗化液，将聚酯材料放入55℃的粗化液中，粗化处理40min即可，然后用蒸馏水冲洗干净。

1.3.2 镀件的敏化及活化处理

聚酯材料进行化学镀镍时，其表面必须具有催化活性中心[7-8]，才能起到催化作用，以加速Ni2+在聚酯材料表面的沉积。要使聚酯材料表面具有催化活性中心，必须对其进行敏化和活化处理。所谓敏化，就是使非金属表面吸附一些易氧化的物质；此后活化处理时，该物质被氧化，聚酯材料表面形成活化层，即结晶中心，敏化和活化处理是化学镀前处理的关键工艺。敏化处理是将预处理过的聚酯材料放入敏化液中，并在30℃的恒温槽中恒温、搅拌10min，然后用去离子水洗干净。再将镀件放入活化液中，在30℃的恒温条件下浸泡8min，用蒸馏水洗净。

取5g氯化亚锡溶解于20mL浓盐酸中，然后加入蒸馏水稀释至500mL，配制成敏化溶液备用。为防止Sn2+被氧化成Sn4+，溶液中需加少量锡粒。取0.13g氯化钯溶解于1.5 mL浓盐酸，加蒸馏水稀释至500mL，配制成活化溶液备用。

1.3.3 聚酯材料表面化学镀镍

将经过敏化、活化处理的聚酯材料镀件置于一定温度的镀镍容器中，先倒入镀镍液(A)50mL，再倒入镀镍液(B) 50mL，用氨水和醋酸调节镀液的pH值，镀镍反应即开始。镀镍过程中每隔10min搅拌一次，反应25min左右结束，取出镀件，分别用蒸馏水及无水乙醇清洗，然后烘干并称重。

镀镍液(A)的配制：分别取氯化镍8g，乙酸钠8.5g，用去离子水配成250mL溶液。镀镍液(B)的配制：称取次亚磷酸钠10g溶解于250mL去离子水中。

2 实验结果与讨论

2.1 pH值对镀件质量的影响

镀液的pH值对镍的沉积速度影响较大。随着镀液pH的增加， H2PO2-的还原能力增强， 因此镍在聚酯材料表面的沉积速度加大。根据实验结果可知，随着镀液pH值的升高， 镀层质量先增加后降低，镀液pH值过高，会使镀层变得灰暗、粗糙，镀层结构松散，镀层与镀件之间结合力较弱，镀层易脱落。这是由于过高的pH值时会使镀液分解而出现混浊，降低了次亚磷酸钠的还原能力，且镀层夹带的镀液沉淀物共沉积，影响镀层的质量。实验过程中，固定其他实验条件，镀液的pH值在3.6～9.0之间进行分组试验，结果表明，聚酯材料化学镀镍的pH在5.1～6.0镀层质量较好，其中在pH为5.5时镀层增重最多，镀层效果最佳，因此聚酯材料化学镀镍镀液的pH值控制在5.5左右。

表1 温度为45℃时不同pH值镀件的实验结果

2.2 温度对镀件质量的影响

聚酯材料表面化学镀镍过程中温度太低时，金属镍沉积速度低[9]，镀层不均匀；提高镀液温度，有利于镀镍反应的进行，镍的沉积速度加快。实验结果表明，若镀液温度过高，镀层质量反而下降。这是由于在镀镍过程中，温度过高时，反应过于剧烈，施镀过程不易控制，且镀液不稳定容易氧化，使镀液出现浑浊，镀层变得粗糙有针孔，镍与镀件之间的结合力变小。由于聚酯材料不耐高温，极易卷曲变形，镀镍过程中温度不宜过高。实验过程中，其他实验条件固定时，温度在30～70℃进行分组试验。实验结果表明镀液温度过低时，镀层不均匀；镀液温度过高时，虽然镀件增重加多但易出现变形，且镀层与镀件的结合力较差，镀层上出现气孔和皱褶。依据实验结果，化学镀镍控制在45℃时，反应平稳进行，镀层致密、均匀、光亮，镀层与基体结合力较强，因此聚酯类材料表面化学镀镍的温度控制在45℃左右为宜。

表2 pH值为5.5时不同温度下镀件的实验结果

2.3 主盐浓度对镀件质量的影响

主盐浓度的改变对于金属镍镀层的沉积速度和镀层与镀件的结合力都有影响。实验中镀液利用氯化镍为主盐，当其含量减少时即镀液中镍离子含量降低， 镀层的质量不均匀且镍的沉积速度下降。若镍离子的含量增加过大时，虽然镀件的光泽度有所提高但因金属镍沉积过快，导致镀层结构不致密，金属镀层与镀件的结合力较弱。实验过程中，主盐浓度在0.5～60g·L-1之间进行分组试验，结果表明氯化镍的含量在6g·L-1以内时，亮度很高，镀层较薄却很美观；氯化镍的含量在20g·L-1以内镀层随着主盐浓度的增加而逐渐加厚，在10～20g·L-1可得到结合力较好、镀层较厚而且光亮的镀件；氯化镍的含量在20g·L-1以上时镀层的结合力下降，镀层变得疏松，容易脱落，镀层质量较差。

表3 镀液温度45℃、pH值为5.5时不同主盐浓度时镀件的实验结果

2.4 镀层的耐腐蚀性及结合力检验

将经过干燥的PET聚酯材料镀件分别放在5%的HCl溶液、5%的NaOH溶液、5%的NaCl溶液中浸泡，记录镀件在各溶液中不同时间的腐蚀情况，进行镀层的耐腐蚀性试验。试验结果表明，室温下经过5%的HCl溶液浸泡的金属镀层轻微腐蚀，而浸泡于5%的NaOH溶液中的金属镀层基本不腐蚀，5%的NaCl溶液中的金属镀层未被腐蚀，腐蚀性检测试验结果表明，聚酯材料镀层的耐腐蚀性符合要求。实验结果见表1、表2、表3所示。

表1 常温下镀件在5% HCl溶液不同腐蚀时间的实验结果

表2 常温下镀件在5% NaOH溶液不同腐蚀时间的实验结果

表3 常温下镀件在5% NaCl溶液不同腐蚀时间的实验结果

采用一尖锐的金属器材，利用直尺在聚酯材料镀件表面刻划出2条间隔5mm的直线，刻划深度直至镀件材料的表面，进行镀层与基体的结合力检验，若间隔内的镀层没有发生卷曲和皱褶，表明镀层与镀件材料的结合力较强，否则表明镀件与基体的结合力较弱，达不到化学镀的要求。检验结果表明，刻划后间隔内的镀层没有出现卷曲和皱褶，表明镀件与镀层的结合力较强，达到了化学镀的结合力要求。

2.5 其他因素的影响

由于聚酯类材料耐温性能差，高温时极易卷曲变形，预处理化学除油、化学粗化的过程要控制好温度，预处理过程中温度控制在55℃左右即可。此外施镀时间也会影响镀层的质量，施镀时间过短，则镀层不均匀，不能达到镀镍的要求；镀镍时间过长，则聚酯材料镀件表面不光滑，镀层变灰，而且镀层出现气孔使镀层的结合度降低。实验结果表明，镀镍时间控制在25min时镀层效果较好。

添合剂的选用及其配比对镀层的沉积速度、镀层质量以及镀液的稳定性有一定影响。实验中镀液分别选用柠檬酸钠、酒石酸钠钾作为添合剂，柠檬酸钠络合能力较强可使镀层中磷含量较高，含磷量较高的镀层结构逐渐从晶态转变为非晶态，其镀层的质量、耐磨损和耐腐蚀性能较好，柠檬酸钠在镀液中还起到缓冲剂的作用，稳定镀液的pH值。镀层沉积速度与柠檬酸钠和酒石酸钠钾的配比有一定的关系，配比越大，金属镍沉积速度越快， 而配比越小，镀液越稳定，实验结果表明，柠檬酸钠和酒石酸钠钾的配比为6∶1时，镀层效果及镀液稳定性较好。

2.6 聚酯材料表面化学镀镍的结构表征

利用JSM-6700F型冷场扫描电子显微镜对不同聚酯材料镀件表面进行扫描，实验条件为：加速电压5.0kV、加速电流10μΑ、工作距离7.0mm、分辨率为微米级。由电镜扫描图可知，聚酯材料表面形成了一层致密、均匀的金属镍镀层，镀层结晶细致，平整光亮，金属镍与聚酯材料的结合力较强，导电性实验结果良好。

图2 聚酯材料电镜扫描图

3 结论

经过多次实验确定了聚酯材料表面化学镀镍的最佳实验控制条件和工艺方法，研究表明镀件预处理温度控制在50～60℃，敏化、活化温度控制在30℃左右，化学镀镍的条件控制在pH值为5.5，温度为45℃，主盐浓度为10～20g·L-1，施镀时间为25min，

聚酯类材料表面可以得到致密、光亮、结合力较强的金属镍镀层。由于影响聚酯类材料镀层质量的因素很多，该工艺还有许多问题需要进一步研究和探索，

随着研究的深入，聚酯类材料化学镀镍工艺将更加完善。

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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

刘建升（1965-），男，副教授，山东昌乐人，主要从事应用化学的研究。Tel:0538-8941699；E-mail: sdyyjsxyjwc@163.com

2014-10-13