涤纶纤维表面化学镀镍-磷工艺研究

高嵩*，陶睿，王桂林，杨帆

（沈阳化工大学应用化学学院，辽宁 沈阳 110142）

涤纶纤维表面化学镀镍-磷工艺研究

高嵩*，陶睿，王桂林，杨帆

（沈阳化工大学应用化学学院，辽宁 沈阳 110142）

以涤纶纤维的增重率和电阻为指标，研究了镀液组成、pH、温度、涤纶装载量和施镀时间等对化学镀镍-磷的影响，得到涤纶化学镀镍-磷的最佳工艺条件为：柠檬酸钠10 g/L，硫酸镍20 g/L，次磷酸钠8 g/L，乙酸钠15 g/L，镀液pH为6.0 ~ 6.2，温度80 ℃，装载量9 g/L，时间10 ~ 15 min。采用最佳工艺对涤纶纤维化学镀镍-磷后其增重率约为19%，电阻约为10 Ω/cm。关键词：涤纶纤维；镍-磷合金；化学镀；增重率；电阻

近年来化学纤维工业迅速发展，其应用也越来越广泛。但静电现象严重制约了化学纤维尤其是涤纶纤维的加工和实际应用，目前导电、抗静电纤维的研究和开发已成为热点之一[1-5]。通过化学镀镍不仅可使涤纶纤维获得一定的金属光泽和装饰效果，并有效消除其静电现象，而且可得到具有防辐射和杀菌等功能的涤纶纤维[6-7]。

化学镀镍配方和工艺直接影响纤维的性能。目前国内外已有涤纶纤维化学镀镍、镀铜的相关研究[8-10]，其工艺还不够成熟，配方及工艺差别也很大，现实生产中存在生产成本、镀液稳定性、涤纶服用性等诸多问题。开发一种稳定实用的涤纶化学镀镍工艺具有很大的实际意义。本文在前人研究和大量实验的基础上，研究了涤纶纤维的镀镍配方和工艺，并对镀镍涤纶纤维的性能进行表征，意在控制较低增重率(低于 20%)的前提下保持较低的电阻值，使涤纶纤维有足够的柔软性和透气性，又不失其抗静电性，为涤纶纤维的应用提供更好的竞争性，同时给实际生产提供有力的技术参考。

1 实验

1.1 工艺流程

化学除油—水洗—碱减量—水洗—干燥称量—活化—水洗—解胶—水洗—还原—水洗—化学镀镍—水洗—100 ℃干燥—测试分析。

1.2 配方与工艺

施镀基材为涤纶纤维(也称聚酯纤维)，其规格为210D/36F。

(1)化学除油：NaOH 40 g/L，Na2CO330 g/L，45 ℃，15 min。

(2)碱减量：NaOH 200 g/L，80 ℃，25 min。

(3)胶体钯活化：PdCl20.3 g/L，SnCl210 g/L，NaCl 160 g/L，45 ℃，15 min。

(4)解胶：HCl 10%(体积分数)，45 ℃，5 min。

(5)还原：NaH2PO2·H2O 20 g/L，常温，5 min。

(6)化学镀镍：Na3C6H5O7(柠檬酸钠)10 g/L，NiSO4·6H2O(硫酸镍)30 g/L，NaH2PO2·H2O（次磷酸钠）15 g/L，CH3COONa·3H2O(乙酸钠)15 g/L，80 ℃，pH 5.8 ~ 6.2，时间20 min，装载量9 g/L，搅拌速率120 r/min。每次实验取100 mL镀液。

1.3 性能检测

1.3.1 增重率

采用德国Sartorius公司的CP225D型电子天平测定涤纶镀镍前后的增重率w，其计算公式为：

式中m1和m2为涤纶化学镀前、后的质量(g)。

1.3.2 电阻

取10 cm镀镍纤维，用CEM DT-5300型数字万用表测量试样两端的电阻，每个纤维试样至少测 3次，取平均值。

1.3.3 表面形貌

先用导电胶将纤维粘结在样品座上，再用日本电子株式会社 JSM-63602V型扫描电镜(SEM)观察样品的表面形貌。

1.3.4 组织结构

采用德国布鲁克公司的D8 ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)测定镀层的晶型，Cu靶，Kα射线，管电压35 kV，管电流30 mA，扫描范围为10° ~ 80°。

2 结果与讨论

2.1 柠檬酸钠用量对化学镀镍的影响

图1为柠檬酸钠用量对涤纶纤维化学镀镍的影响。

图1 柠檬酸钠用量对涤纶纤维增重率和电阻的影响Figure 1 Effect of sodium citrate dosage on weight gain rate and electrical resistance of polyester fiber

由图 1可知，随镀液中柠檬酸钠质量浓度增大，涤纶纤维的增重率呈先增后减的趋势，电阻则呈先减后增的趋势，表明适量柠檬酸钠的加入对涤纶纤维的化学镀镍有一定的加速作用[11]。柠檬酸钠的质量浓度为8 g/L时，涤纶纤维的增重率达到最大(27.05%)，电阻也较小(14.6 Ω/cm)。因此柠檬酸钠的质量浓度宜选择为8 g/L。

2.2 硫酸镍用量对化学镀镍的影响

图2 硫酸镍用量对涤纶纤维增重率和电阻的影响Figure 2 Effect of nickel sulfate dosage on weight gain rate and electrical resistance of polyester fiber

硫酸镍用量对涤纶纤维化学镀镍的影响见图2。由图 2可知，随硫酸镍质量浓度增大，镍的沉积量逐渐增大，镍的沉积量曲线在硫酸镍的质量浓度为 16 g/L时出现拐点，20 g/L后趋于稳定。虽然硫酸镍用量越多越有利于镍的沉积，但其含量过高易造成药品浪费和镀液沉降。从图 2还可看出，随硫酸镍的质量浓度增大，电阻先减小后趋于稳定。因此，镀液中硫酸镍的适宜用量为20 g/L。

2.3 镀液温度对化学镀镍的影响

温度是影响沉积速率的主要因素，化学镀镍的催化反应一般只能在加热条件下实现。图 3为镀液温度对涤纶纤维化学镀镍的影响。

图3 温度对涤纶纤维增重率和电阻的影响Figure 3 Effect of temperature on weight gain rate and electrical resistance of polyester fiber

由图3可知，温度低于70 ℃时，镍沉积量很小，对应的电阻也偏高；温度高于70 ℃后，增重率明显增大，电阻也明显降低；80 ℃后，镍沉积量和电阻趋于稳定。显然高温下吸附于纤维表面的钯微粒具有更高的催化活性且为镀镍反应提供了更低的活化能，大大促进了镀镍反应的进行。考虑到温度过高不利于镀液稳定且会提高生产成本，因此选择镀液温度为80 ℃。此时涤纶纤维的增重率约为26.8%，电阻约为13.5 Ω/cm。

2.4 次磷酸钠用量对化学镀镍的影响

图 4为次磷酸钠用量不同时，镀镍涤纶纤维的增重率和电阻。由图4可见，随次磷酸钠质量浓度提高，镍的沉积量增大，当次磷酸钠的质量浓度较高时，沉积速率随其变化逐渐趋于平稳，出现了极限沉积量。显然增大次磷酸钠含量可使镀液中更多的镍离子快速还原，从而提高增重率。电阻则随次磷酸钠含量增大而呈先减后增的趋势。实验中发现，随次磷酸钠用量加大，镀镍反应加剧，镀镍层的金属色泽逐渐消失，表面发黑、粗糙，导致电阻上升。这可能与次磷酸钠含量增大时镀层中磷含量的增加有关[11]。综合考虑，宜选择次磷酸钠的质量浓度为8 ~ 10 g/L。对应的涤纶纤维增重率约为19.8%，电阻约为11.6 Ω/cm。

图4 次磷酸钠用量对涤纶纤维增重率和电阻的影响Figure 4 Effect of sodium hypophosphite dosage on weight gain rate and electrical resistance of polyester fiber

2.5 乙酸钠用量对化学镀镍的影响

氢离子是化学镀镍过程中产生的副产物，可使镀液pH持续下降，从而降低镍沉积量。为稳定沉积速率，向镀液中加入乙酸钠作缓冲剂。图 5为乙酸钠用量对沉积速率的影响。

图5 乙酸钠用量对涤纶纤维增重率和电阻的影响Figure 5 Effect of sodium acetate content on weight gain rate and electrical resistance of polyester fiber

从图 5可知，增大乙酸钠用量可有效提高镍沉积量并降低电阻，但其质量浓度高于15 g/L后，沉积量不再增大。这是因为缓冲剂本身也是一种镍离子的弱配位剂，其配位和缓冲作用对镍沉积的作用是竞争关系。若其质量浓度过高，必然降低镀液中镍离子的活度，从而降低沉积速率。乙酸钠的最佳用量为15 g/L，此时涤纶纤维的增重率和电阻分别约为 19.02%和11.2 Ω/cm。

2.6 镀液pH对化学镀镍的影响

如图6所示，在较低镀液pH范围内，涤纶纤维的增重率随pH升高而显著增大，电阻反之；pH为6.0 ~ 6.2时，增重率和电阻趋于稳定，分别为18.89%和10.7 Ω/cm左右。pH升高减弱了次磷酸钠的自分解反应，降低了镀层中的P含量。因此pH升高时，次磷酸钠可还原更多的Ni离子，有效增大镍沉积量。增重率的增大和镀层中P含量的减小使涤纶纤维的电阻减小[11]。

图6 pH对涤纶纤维增重率和电阻的影响Figure 6 Effect of pH on weight gain rate and resistance of polyester fiber

2.7 装载量对化学镀镍的影响

图7为装载量对涤纶纤维化学镀镍的影响。

图7 装载量对涤纶纤维增重率和电阻的影响Figure 7 Effect of loading capacity on weight gain rate and electrical resistance of polyester fiber

从图 7可知，低装载量时，镍沉积量较大，纤维的增重率也较高，可大大改善纤维的导电性能，但增重率过高会影响涤纶纤维的服用性并使涤纶纤维缺乏柔软性，影响纤维的实际应用，特别是在用作防静电服材料时，还会造成药品浪费。高装载量时虽然药品可得到有效利用，但增重率小，可能会影响涤纶纤维镀层的导电性；此外，催化面积较大，涤纶表面的镍沉积剧烈，产生的亚磷酸镍易从镀液中沉淀析出，使镀液发生沉降现象。因此，较佳的装载量为8 ~10 g/L，此时涤纶纤维的增重率在 19.68%左右，电阻约为10 Ω/cm。

2.8 施镀时间对化学镀镍的影响

施镀时间是极为重要的参数，决定着实际生产中的自动化控制，其对化学镀镍的影响见图8。

图8 施镀时间对涤纶纤维增重率和电阻的影响Figure 8 Effect of plating time on weight gain rate and electrical resistance of polyester fiber

从图8可知，随施镀时间延长，增重率明显增大，10 min后趋于稳定，电阻先减小后趋于稳定。显然，延长施镀时间有利于更多的镍沉积，但施镀时间过长可能会导致镀层过饱和，使附着的镀层不够牢固，严重时会导致镀液产生镍废渣。此外，施镀时间受活化工艺的影响较大，在本实验的胶体钯活化工艺下，结合生产成本，适宜的施镀时间为10 ~ 15 min。

2.9 化学镀镍层的表面形貌和组织结构

2.9.1 表面形貌

从镀镍纤维的SEM照片(图9)可看出，镍-磷镀层可均匀覆盖于整个涤纶表面。

图9 涤纶纤维表面Ni-P镀层的SEM照片Figure 9 SEM images of Ni-P coatings on polyester fiber

从高倍图看镀层表面存在一些细小的凸起颗粒和较大的坑洼，这可能是由碱减量粗化不均匀造成，但整体光洁且均匀，断裂较少，坑洼处和边缘位置的镀层也较均匀。因此，采用本工艺可制得均匀的镍-磷镀层。

2.9.2 组织结构

图10为镍-磷镀层的XRD谱图。

图10 涤纶纤维表面镀层的XRD谱Figure 10 XRD pattern for Ni-P coating on polyester fiber

从图10可知，2θ为40° ~ 50°之间出现一个明显的较宽的“馒头包”状的衍射峰，并且未出现任何其他衍射峰，说明所得镍磷合金镀层为非晶态结构。

3 结论

涤纶纤维化学镀镍的最佳配方与工艺为：柠檬酸钠10 g/L，硫酸镍20 g/L，次磷酸钠8 g/L，乙酸钠15 g/L，pH 6.0 ~ 6.2，温度80 ℃，装载量9 g/L，施镀时间10 ~15 min。采用该工艺制备的镍-磷镀层表面细致均匀，为非晶态结构，增重率在 19%左右，涤纶纤维电阻约为 10 Ω/cm。

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Study of electroless nickel-phosphorus plating process on polyester fiber surface

GAO Song*, TAO Rui,WANG Gui-lin, YANG Fan

The effects of plating bath composition, pH,loading capacity of polyester, and plating time on electroless nickel-phosphorous plating were studied by evaluating the weight gain rate and resistance of polyester fiber.The optimal process parameters of electroless nickel-phosphorous plating were obtained as follows: sodium citrate 10 g/L, nickel sulfate 20 g/L, sodium hypophosphite 8 g/L, sodium acetate 15 g/L, pH 6.0-6.2, temperature 80 ℃,loading capacity 9 g/L, and time 10-15 min.The polyester fiber obtained after electroless nickel-phosphorous plating under optimal process conditions has a weight gain rate of ca.19% and a resistance of 10 Ω/cm.

polyester fiber; nickel-phosphorus alloy;electroless plating; weight gain rate; resistance

College of Applied Chemistry,Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China

TQ153.2

A

1004-227X (2014)09-0381-04

2013-11-14

2014-03-06

高嵩（1963-），男，辽宁北票人，教授，主要从事电化学及材料合成方面的研究工作。

(E-mail)songgao1963@163.com。

周新莉]