化学镀镍电磁屏蔽织物的制备工艺研究

张 猛，李 杨

（1.内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010080；2.西安工程大学，陕西 西安 710048）

电磁波，也被称为电磁辐射，是一种能量。作为当今社会最快、最常见的信息传播载体，它被广泛地应用在各个领域，在带给人们便捷的同时也产生了一系列的问题，特别是电磁辐射污染对生物体的危害严重威胁着人类的健康［1-2］。它能够引起人体器官的加热，造成生理伤害，严重者可发生酸中毒、抽搐等症状，甚至危及生命［3-4］。因此，开发性能优良的电磁屏蔽织物，即在织物的表面形成一层金属薄膜，使其既能导电又能抗电磁波，成为现代纺织技术发展的一个重要方面［5-8］。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

药品：氢氧化钠、OP乳化剂、氯化亚锡、氯化钯、次磷酸钠、柠檬酸钠、硫酸镍、氯化铵，以上试剂均为分析纯。

实验所用涤棉混纺织物规格见表1。

表1 实验所用织物规格

仪器：恒温水浴锅、干燥箱、电子天平、防电磁辐射测试仪、万用表等。

1.2 氯化钯活化前处理

原涤棉织物作为非金属材料，由于表面缺少极性基团且没有催化活性而不容易直接在表面形成金属镀层［9］，必须经过一定的前处理工艺，生成具有催化活性的金属物质，引发后期化学镀层的形成［10-11］。因此，在制备抗电磁波的化学镀层织物实验中，对织物进行前处理的好坏是镀层质量优劣的决定性因素，可以直接影响镀层的均匀性及牢固程度。

1.2.1 织物化学镀镍前处理工艺路线

粗化→水洗→敏化-活化处理→水洗。

1.2.2 具体处理工艺

（1）粗化 碱性粗化法，配置浓度为80g／L的NaOH溶液，同时为了增加织物与水的相互浸透［12］，加入8ml／L的OP乳化剂，在温度为80℃的条件下，处理90min左右。处理完成后蒸馏水洗涤，继续实验。

（2）敏化-活化 将粗化好的织物，放入浓度大约为20g／L SnCl2的酸溶液中敏化，约10min后取出，蒸馏水清洗，再用PdCl2的酸溶液活化，其中活化液浓度约为0.4g／L。需要注意的是在活化结束后要仔细清洗织物，尽量清除其内部多余的钯离子，以免污染后续实验的化学镀工艺。具体工艺详见表2。

表2 活化前处理工艺

1.3 化学镀镍制备电磁屏蔽织物

制备化学镀镍织物的原理就是选用适当的还原剂，将镍离子还原成为金属镍，由于金属镍在织物表面的沉积，形成了一定的抗电磁镀层。

实验在制备过程中为了保持镀液的pH值稳定，选用氯化铵作为缓冲液，浓度为15g／L左右；为防止镍离子的水解，加入稳定性好的柠檬酸钠作为络合剂，含量约为20g／L。

1.4 性能测试

1.4.1 增重率

在织物大小种类相同，反应时间相同的条件下，一般用反应前后织物的增重率来表示化学镀工艺的镀速，其计算公式为：

式中β为织物增重率，M0为化学镀镍前织物重量，M为镀镍后织物重量。

1.4.2 电磁屏蔽效能

将试样放置在防电磁辐射测试仪中，测试经化学镀镍整理后织物的电磁波屏蔽性能，并用屏蔽效能SE值来表征其作用效果。

2 结果与讨论

2.1 影响化学镀效果的工艺条件

2.1.1 硫酸镍的浓度

实验选用镍盐为纯度高且价格低廉的硫酸镍，通过研究不同浓度的硫酸镍对化学镀速率（即增重率）的影响，选择最佳的工艺条件，具体结果如图1所示。

由图1可知，随着镍盐浓度的增加，织物的增重率不断地加大，并且在最初由于反应比较激烈、化学反应迅速，它的增加程度相对较快；但在镍离子的浓度加大到20g／L时，继续增加浓度，其增重率基本不变，表示此时织物的增重达到了最大值。这可能是由于镍离子的易水解性导致的，通常镍离子的稳定性较差，易产生氢氧化镍沉淀，在浓度过高的情况下，镀液会发生瞬时分解，生成沉淀物附着在织物的表面上，影响镀层的继续进行和表面光滑度，因此实验中的镍盐浓度不宜过高，保持在20g／L即可。

2.1.2 还原剂次磷酸钠的浓度

在化学镀镍的工艺中，还原剂的含量也是十分重要的条件。实验的化学试剂选用次磷酸钠，其在镀液中发生的还原反应公式如公式（2）所示。同时通过研究，在10～50g／L的范围内变化还原剂的浓度，观察它对化学镀速率的影响，结果如图2所示。改变主盐和还原剂浓度的比值，测试其与化学镀速度变化的关系，结果如图3所示。

图2 次磷酸钠浓度对化学镀速率的影响

由图2可知，织物的化学镀速随着次磷酸钠浓度增加不断地增大，在20～35g／L时增加的速度较快，在35g／L时达到了相对的稳定状态，继续增加几乎没有什么变化。图3表明，在浓度比在0.6之前随着浓度比的增加化学镀速率是逐渐增加的，但当浓度比继续增大时化学镀速率急速下降。这是因为由公式（2）中可以得到每还原生成1mol的金属镍就需要2mol的次磷酸根，在反应的不断进行中次磷酸根会呈现加速减少的状态，同时产物中的亚磷酸根还会结合反应液中的镍离子生成亚磷酸镍，不但消耗了镍离子，还污染了镀液，影响了化学镀反应的正常进行，因此通常次磷酸钠的浓度不宜过高，稳定在35g／L左右。

2.1.3 镀液的温度

在实验过程中，调节镀液的温度是一个非常重要的工艺，因为过低的温度达不到反应所需的启镀要求，分子无法快速运动，相互结合反应；而过高的温度又可能会破坏反应中的某些链结构或者影响生成物的成分、含量，因此在实验中我们需要调节温度值，在10～90℃的范围内找最佳的工艺，其结果如图4所示。

图4 镀液温度与化学镀速的关系

在图4中，随着温度的升高，织物的重量不断增加，且在60℃达到了最大的增重量；继续增加温度，重量反而下降。出现这种现象的原因可能是因为在反应初期的20～60℃温度范围内，温度的升高加快了分子的热运动，促进了还原剂的水解，进而生成了更多的H原子，H原子通过与Ni2＋的作用，如公式（3），发生还原反应生成金属单质镍，在织物表面形成抗电磁波的镀层［13-14］。

但当温度超过60℃时，织物的增重又会出现减弱的趋势，这是因为反应速率过快使金属物质在织物表面沉积不稳定，发生脱落，并且会促使自身形成一定的络合物，悬浮在镀液中影响镀层的形成。因此一般在实验中选择镀液的温度为60℃即可。

2.1.4 镀液的pH值

在反应液中，pH值的大小对增重、镀层的表面形态、成分及织物的电磁屏蔽性能等都会有很大的影响，因此选择一个合适的pH值对于整个化学工艺显得尤为重要。通过公式（2）可以发现，反应过程中会不断地生成亚磷酸根酸性离子，促使镀液的pH值不断地减小。为了稳定化学镀液的pH环境，实验通过加入一定量的氨水调节镀液的pH值，让pH环境从酸性过度到碱性，观察它对化学镀速及镀层中磷含量的影响，并分析镀液的稳定性变化，最终通过实验数据选择合适pH值。

（1）镀液的pH值对化学镀速率的影响

调节pH值的范围在4～9.5之间，测量织物的增重率，结果见表3。

表3 不同镀液pH值对应的镀层增重率

从表3可以看出，无论在酸性环境下还是碱性环境下织物的增重率都随pH值的增加而增加，其中在酸性环境的条件平均增重率为72.5%，要小于碱性环境下的83.3%，这说明碱性镀液的反应速率较快。同时实验过程中还发现，酸性条件下，温度较高时反应才开始，起镀温度较高，对实验条件要求高、能耗大；而碱性镀液在低温时就可以发生反应，随着温度升高速率加快，但温度不宜过高，会破坏镀液的稳定性。

（2）镀液的pH值对镀层中磷含量的影响

镀层中的磷的含量能够影响它的光亮程度和磁性，研究表明，当磷的含量过高（≥8%）时，镀层表面会变黑，严重影响织物的外观，同时会降低表面比电阻，减弱抗电磁波性能等［15］。图5为不同的pH值条件下，经相同的化学镀试剂得到的镀层中磷的含量。

从图5可以得出，镀层中磷的含量不论是在酸性还是在碱性的环境下都随着pH值的增加不断减少，并且在碱性的条件下，磷的含量明显要少得多。因此，实验选择在碱性的环境下进行，为避免pH值过大而出现镀液稳定性变差的现象，调节pH值为9；因为pH值过高或者过低都不利于实验的顺利进行。

2.2 电磁屏蔽性能

在不同的频率下测试织物经化学镀工艺整理后的电磁屏蔽效能，结果如图6所示。同时测量化学镀镍织物的电磁屏蔽效能、表面比电阻与增重率，如图7所示。

从图6中可以得到织物经化学镀镍处理后它的电磁屏蔽效能（SE）平均值为48.15dB，达到了抗电磁屏蔽织物的标准，能够很好地屏蔽电磁波。由图7可知，随着织物增重率的升高，单质镍沉积量的增大，镀层不断地增厚且均匀，它的电磁屏蔽效能也在不断地增强，表面比电阻逐渐减小，并且趋势基本相同。这说明织物的导电性越好，它的电磁屏蔽效能就越强，两者之间的变化是一致的。但是，过高的增重会影响织物的柔软性、弹性等性能，同时也会降低它的穿着舒适性，且浪费整理剂，因此达到想要的效果即可。

3 结论

（1）织物的前处理是影响化学镀层的重要因素，它可以决定后续化学镀镍实验的发生。实验的前处理主要有粗化和敏化-活化，具体配方为：粗化，浓度为80 g／L的氢氧化钠溶液，80℃处理90min；敏化，浓度为20g／L的氯化亚锡溶液，室温处理10min；活化，浓度为0.4g／L的氯化钯溶液，室温处理3～5min。

（2）在化学镀镍工艺中，用织物的增重率来表示化学镀的速度，实验分别探讨了主盐硫酸镍的浓度、还原剂次氯酸钠的浓度、镀液的温度和镀液的pH值等条件对化学镀速的影响，并得到了最佳处理条件。

（3）经镀镍整理后，织物的电磁屏蔽效能和导电性能都有了很大提高。

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