(天津工業大學,天津300160) 摘要:文章對碳纖維進行適當的表面處理,然后將化學鍍和電鍍結合使用在其表面鍍銅,較好地解決了碳纖維與鍍銅溶液的浸潤性及碳纖維束的黑心問題。對碳纖維先進行化學鍍再電鍍,既可提高碳纖維與銅鍍層的結合力,又可獲得較厚的鍍層。 關鍵詞:碳纖維;黑心問題;化學鍍銅 中圖分類號:TS102.4+3 文獻標識碼:B 文章編號:1009-3028(2010)01-0051-03 1試驗原理與方法 1.1化學鍍原理及特點 1.1.1化學鍍是一種不需要通電,依據氧化還原反應原理,利用強還原劑在含有金屬離子的溶液中,將金屬離子還原成金屬而沉積在各種材料表面形成致密鍍層的方法。 1.1.2化學鍍特點 化學鍍是無電沉積鍍層,選擇合適的化學鍍溶液,將被鍍工件表面去除油污后直接放入鍍液中。根據設定的厚度確定浸鍍的時間即可�；瘜W鍍優點是:①工藝簡單,適應范圍廣,不需要電源,不需要制作陽極,只要一般操作人員均可操作;②鍍層與基體的結合強度好;③成品率高,成本低,溶液可循環使用,副反應少;④無毒,有利于環保;⑤投資少,數百元設備即可,見效快。 1.2碳纖維鍍鎳中間體前的表面處理的重要性及其處理方法 鍍銅碳纖維的銅鍍層是以機械嵌合的方式和碳纖維結合在一起的。鍍銅時,析出的銅原子極易在碳纖維表面富集,而且首先是在碳纖維表面的溝槽內沉積,因此碳纖維表面的粗糙度在很大程度上影響了鍍層與碳纖維的緊密結合程度。未經表面處理的碳纖維表面呈疏水性,電鍍時會在表面呈現黑斑,因此必須對碳纖維進行表面處理。提高碳纖維表面活性的方法較多,(1)采用丙烯酸和硫酸混合液為接枝液體,放入待改性的碳纖維,保證液體將碳纖維完全浸沒;然后緩慢地加入高錳酸鉀溶液,加入前后保持溶液不變色,進行接枝反應;(2)將反應后的碳纖維從溶液中取出,用去離子水反復沖洗數次,再放入沸水中煮沸,烘干。該方法操作簡單,成本低廉,且對環境無污染,便于工業化。 1.2.1碳纖維的化學鍍銅 碳纖維化學鍍銅的基本過程是碳纖維經表面處理后經過敏化、活化、還原、解膠,最后在鍍銅液中進行化學鍍銅�；瘜W鍍的關鍵在活化和化學鍍銅�；瘜W鍍銅溶液中的主鹽就是銅鹽,該溶液通常由硫酸銅、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、甲醛等配制而成。該溶液最大的缺點就是不穩定,短時間內就會失效。為了解決以上的缺點,本試驗做了如下改進:①以甲醛為例:以甲醛作還原劑的化學鍍銅溶液是堿性的,為防止銅離子形成氫氧化物沉淀析出,鍍液中必須加入絡合劑,以使銅離子成為絡離子狀態�？梢赃x用的絡合劑有酒石酸鉀鈉、檸檬酸鈉、葡萄糖酸鈉、三乙醇胺、四羥丙基乙二胺、甘油、甘醇酸、EDTA等。 ②加入穩定劑:在化學鍍銅的過程中,除銅離子在催化表面進行有效的氧化還原反應,被甲醛還原成金屬銅之外,還存在許多副反應。主要的副反應包括: 康尼查羅(Cannizzaro)反應:2HCHO+OH-→CH3OH+HCOO- 非催化型反應:2Cu2++HCHO+5OH-→Cu2O↓+2HCOO-+3H2O 通過該反應氧化亞銅的微粒被還原出來,此后,氧化亞銅又可能被進一步還原成微粒銅,即: Cu2O+2HCHO+2OH-→2Cu↓+2HCOO-+H2↓+H2O 這些副反應不僅消耗了鍍液中的有效成分,而且產生的氧化亞銅以極細微的粉末懸浮在鍍液中,很難用過濾除去,容易引起鍍液分解,若與銅共沉積,則得到的銅沉積層疏松粗糙,與基體結合力差。針對上述情況,化學鍍銅液中需加入穩定劑以達到穩定鍍液和改善鍍層質量的作用�；瘜W鍍銅液的穩定劑種類很多,常用的穩定劑有甲醇、氰化鈉、硫代尿素、烷基硫醇、二羥基氮苯、2—2聯吡啶等。這些穩定劑對提高鍍液穩定性有效。但是,大多數的穩定劑又同時是化學鍍銅反應的催化毒化劑,因此,使用穩定劑時,用量的控制是十分重要的。否則,用量多時,會顯著降低鍍速甚至造成停鍍。 1.2.2碳纖維的電鍍銅 碳纖維電鍍是利用電解方法對碳纖維表面進行加工的一種工藝。電解時將碳纖維作為陰極,鍍液中的金屬離子在直流電的作用下沉積在碳纖維表面形成致密的金屬鍍層,這種金屬沉積的特點是從外電源得到電子。其流程:去膠→粗化→中和→敏化活化→還原→鍍銅→鍍銅碳纖維。 2碳纖維化學鍍和電鍍的效果及比較 2.1碳纖維束電鍍時的黑心問題 所謂的黑心問題就是電鍍時銅只沉積在碳纖維束的表面,而內部碳纖維沒有被鍍上銅,因而產生黑心。這是因為碳纖維束在電鍍時許多斷裂的短纖維在電流的作用下自由取向,這些纖維優先被鍍上銅。鍍銅纖維的導電性要遠大于未被鍍銅的纖維,這樣鍍上銅的外部碳纖維對內部未被鍍上銅的纖維產生屏蔽,使得銅只在外部碳纖維上沉積而內部碳纖維很難鍍上銅。 2.2碳纖維電鍍和化學鍍鍍層效果的比較 電鍍碳纖維的表面不夠光滑,銅鍍層與碳纖維的結合力不好。在纖維表面與銅層的相接處,由于表面張力的作用,發生了部分界面分離現象。從碳纖維束的鍍銅效果來看,化學鍍消除了電流分布的不均勻性,大大改善了電鍍時的黑心問題。但從另一角度來說,化學鍍不及電鍍沉積速度快。前者陽極形狀比較靈活,特別適于局部鍍和工件修復;后者陽極材料、形狀要求比較高,可獲得厚鍍層,適于批量生產。因此對碳纖維先進行化學鍍然后再電鍍,既可以提高碳纖維與銅鍍層的結合力,又可獲得較厚的鍍層,可見將二者結合使用是提高碳纖維束鍍銅質量的有效方法。 3結論 3.1未經表面處理的碳纖維表面呈疏水性,電鍍時會在表面呈現黑斑,所以在開始電鍍時有必要對碳纖維表面進行適當的處理,那樣可以改善碳纖維表面的浸潤性和粗糙度。 3.2采用化學鍍的方法碳纖維表面可以得到均勻、結合力較好的鍍銅層。而直接電鍍所得到的銅鍍層很不均勻,纖維束外部的纖維鍍層很厚,但內部的碳纖維由于屏蔽效應鍍得很不均勻甚至鍍不上。 3.3對其過程加以改進,可以有效地提高碳纖維鍍銅質量。如果能將化學鍍和電鍍有效地結合,可以大大提高碳纖維鍍銅效果。 參考文獻: [1]范大楠,王玉林,劉兆軍等.鎳對C/Cu復合材料界面特性影響的研究[J].天津大學學報,1991,(1):90-93. [2]曹卓坤,劉宜漢,姚廣春.硫酸鹽酸性鍍液中碳纖維電鍍銅[J].過程工程學報,2006,(4):20-23. [3]王濟國.碳纖維表面的化學鍍銅[J].新型碳材料,1996,(4):44-46. [4]楊連威,劉振剛,姚廣春.碳纖維鍍銅的研究材料科學與工藝[J].材料科學與工藝,2005,(6):60-67. [5]曾華梁.塑料電鍍[M].北京:北京輕工業出版社,1985. [6]高嵩,姚廣春.碳纖維表面鍍銅的鍍液穩定性[J].材料與冶金學報,2005,(4):12-13. [7]季詩,史蕾蕾,練敏芳.碳纖維表面鍍銅的初步研究[J].產業用紡織品,2007,(10):19-21。 |
