高錳酸鉀在塑料電鍍中的應(yīng)用及工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)的鉻酸粗化對環(huán)境有嚴(yán)重污染。選用高錳酸鉀替代鉻酸粗化ABS塑料，在塑料基體上化學(xué)鍍鎳后電鍍銅鎳，探討了粗化時間、溫度和高錳酸鉀濃度對化學(xué)鍍鎳層品質(zhì)的影響，并以化學(xué)鍍鎳層的表面狀態(tài)和結(jié)合力為評價標(biāo)準(zhǔn)，確定了高錳酸鉀粗化的最佳工藝。結(jié)果表明：20g/L高錳酸鉀，粗化溫度70℃，粗化時間40min時的粗化效果最優(yōu)；所得的銅鎳鍍層光亮、均勻，實現(xiàn)國家標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)需要；高錳酸鉀最佳粗化工藝下粗化效果良好，可滿足生產(chǎn)需要，且對環(huán)境污染小，具有廣闊的應(yīng)用前景。

塑料表面金屬化可以使之兼具金屬和塑料的優(yōu)點，極大地拓展了塑料的應(yīng)用領(lǐng)域。選用電鍍使塑料表面金屬化，關(guān)鍵在其表面的前處理，形成最佳的粗糙度，從而使敏化、活化、化學(xué)鍍等順利進行。

目前，國內(nèi)塑料電鍍普遍選用鉻酸粗化，雖然粗化效果顯著，但步驟繁瑣，且會產(chǎn)生含鉻污水，嚴(yán)重污染環(huán)境，在一定程度上阻礙了塑料電鍍的開發(fā)。為了減少環(huán)境污染，新的塑料鍍前處理工藝和方法有待開發(fā)。

本實驗以高錳酸鉀替代鉻酸對ABS塑料進行粗化前處理，研究了粗化時間、溫度以及粗化液濃度對鍍層品質(zhì)的影響，并與傳統(tǒng)鉻酸粗化工藝進行對比，以期實現(xiàn)與鉻酸粗化相當(dāng)?shù)腻儗悠焚|(zhì)。

一、實驗設(shè)計

1.1 　材料與工藝

基材為ABS塑料，尺寸為5 cmx 5 cm；高錳酸鉀（工業(yè)級、含量99.4%），廣州市賀隆貿(mào)易有限公司提供；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2　工藝流程：

ABS塑料—去除內(nèi)應(yīng)力—化學(xué)除油—水洗—酸洗—水洗—粗化—水洗—中和還原—水洗—敏化—水洗—活化—水洗—還原—水洗一化學(xué)鍍鎳—電鍍銅鎳。

化學(xué)除油：16 g/L NaOH，18 g/L Na2C03，14 g/L Na3P04，5?8 mL添加劑（OP乳化劑），溫度45 ℃，時間 20～30 min。

酸洗：56 g/L H2S04，溫度 50～52℃，時間 2 min。

高錳酸鉀粗化：5～25 g/L高錳酸鉀，20 g/L NaOH，溫度 40～80 ℃；，時間 10～50 min。

鉻酸粗化：380～430 g/L三氧化鉻，400～440 g/L硫酸，溫度50?60 ℃，時間20～30min。

中和還原：30 g/L亞硫酸鈉，常溫，2 min（第1步）；20 mL/L鹽酸，常溫，1min（第2步）。

敏化：20~30 g/L二氯化錫，40~50 mL/L鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)37 % ），溫度20~30℃，時間5~10min。

活化：3～8 g/L硝酸銀，5～10 mL氨水（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 25 % ），溫度 15~35 ℃，時間 5~10 min。

還原：1 g/L氫氧化鈉，1 g/L硼氫化鉀，室溫，時間2 min

化學(xué)鍍鎳：30 g/L NiS04，10 g/L乙酸鈉，10 g/L檸檬酸鈉，15 g/L次亞磷酸鈉，pH值4.0~4. 5，溫度85℃，時間 20~30 min。

電鍍銅鎳：采用常規(guī)電鍍銅鎳工藝，時間1 h。

性能測試采用劃格法和冷熱循環(huán)法測試化學(xué)鍍鎳層以及電鍍銅鎳層的結(jié)合力。

劃格法：采用GB/T 9286 —98進行劃格試驗。用鋒利刀刃在鍍件上縱橫各劃10條劃痕，間距均為1mm，劃痕露出塑料基體，然后用規(guī)定的膠粘帶壓粘，在拉開膠粘帶時鍍層至少有90%不脫落即為合格。

冷熱循環(huán)法：按GB/T 12610 —90，鍍件經(jīng)—40，20，75，20 ℃，分別處理1 h為1個循環(huán)周期，共試驗4個循環(huán)周期，試驗后目視檢查，試樣無起泡、起皺、裂紋、脫裂等現(xiàn)象則為合格。

采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鍍層形貌；采用電化學(xué)工作站測試化學(xué)鍍過程中的電位—時間曲線，測試時間為1400秒。

二、 實驗結(jié)果與討論

2.1高錳酸鉀粗化工藝對化學(xué)鍍鎳層的影響

2.1.1     粗化時間

15 g/L高錳酸鉀60℃粗化10~50 min時，化學(xué)鍍鎳層的質(zhì)量及結(jié)合力狀況見表1。

由表1可知：化學(xué)鍍鎳層的結(jié)合力隨著粗化時間的延長先增加后下降；粗化10 min時，鍍層褶皺，起皮較多，色澤暗淡，質(zhì)量最差；粗化40 min時，鍍層沒有明顯的起皮、褶皺和脫落現(xiàn)象，光亮平滑，結(jié)合力最優(yōu)，質(zhì)量基本合格；繼續(xù)延長粗化時間，鍍層結(jié)合力下降。這是因為粗化時間過短，塑料表面達(dá)不到刻蝕的效果，而粗化時間過長又導(dǎo)致粗化過度，鍍層質(zhì)量不理想。因此，此工藝條件下，最佳粗化時間為40 min。

2.1.2       粗化溫度

15 g/L高錳酸鉀40~80℃粗化40min時，化學(xué)鍍鎳層的質(zhì)量及結(jié)合力狀況見表2。

由表2可知：粗化溫度為40℃時，鍍層嚴(yán)重脫落，且粗糖、暗淡；隨著粗化溫度升高，鍍層結(jié)合力增強；當(dāng)粗化溫度為70℃時，鍍層結(jié)合力最優(yōu)，質(zhì)量合格，冷熱循環(huán)后鍍層完好；繼續(xù)升溫，鍍層結(jié)合力下降。這是由于溫度過高時，反應(yīng)速度過快，塑料表面粗化過度。因此，在此工藝條件下，最佳粗化溫度為70℃。

2.1.3       高錳酸鉀濃度

5~25 g/L高錳酸鉀70℃粗化40min時，化學(xué)鍍鎳層的質(zhì)量及結(jié)合力狀況見表3。

由表3可知：隨著高錳酸鉀濃度增大，鍍層質(zhì)量提高；高錳酸鉀濃度為20 g/L時，結(jié)合力最好，鍍層質(zhì)量最優(yōu)；高錳酸鉀濃度為15 g/L和25 g/L時鍍層質(zhì)量也合格。高錳酸鉀濃度為20 g/L時，基材表面微孔數(shù)量最多；高錳酸鉀濃度為15 g/L和25 g/L時，刻蝕效果依次變差。因此，高錳酸鉀最佳濃度為20g/L。

2.2高錳酸鉀粗化和傳統(tǒng)鉻酸粗化對比

2.2.1 基材表面形貌

高錳酸鉀最佳粗化工藝和傳統(tǒng)鉻酸粗化工藝粗化后，基材表面的SEM形貌見圖2。

由圖2可以看出：鉻酸粗化后，基材表面形成了大量微孔，相連形成數(shù)量可觀的孔洞，蝕刻較深，有利于后序的敏化、活化吸附更多的活性物質(zhì)；高錳酸鉀粗化，雖然基材表面的大孔洞較少，蝕刻較淺，但是依然形成了很多的微孔，其粗化效果已接近鉻酸粗化的水平。

2.2.2 開路電位—時間曲線

高錳酸鉀最佳粗化工藝和傳統(tǒng)鉻酸粗化工藝粗化后，化學(xué)鍍過程中的電位—時間曲線見圖3。

由圖3可知，在電位恒定之前，2種粗化工藝電位波動都較大，都有1個極小值，這是由于升溫快而導(dǎo)致局部鍍液不均勻，電極浸入鍍液瞬間反應(yīng)尚未進行，表面集中了少量Ni2+和大量帶負(fù)電的配位離子［3]，導(dǎo)致電位負(fù)移，最后達(dá)到極小值。對比圖3a和3b，兩者電位開始呈線性變化的時間分別為63 S和110 s，恒定電位值分別為0.36V和0.70 V。鉻酸粗化后，形成多且深的孔洞，吸附了更多的Ni2+進行氧化還原反應(yīng)，因而恒定電位大；高錳酸鉀粗化后，達(dá)到平衡電位的時間短，可能是因為經(jīng)高錳酸鉀粗化后，敏化、活化效果好，表面活性中心較多，從而迅速達(dá)到了平衡電位。

2.2.3　銅鎳鍍層質(zhì)量對比

高錳酸鉀最佳粗化工藝和傳統(tǒng)鉻酸粗化工藝粗化后，化學(xué)鍍鎳層上的電鍍銅鎳鍍層的質(zhì)量及結(jié)合力狀況見表4。

由表4可知：兩種粗化工藝下，銅鎳鍍層的結(jié)合力均達(dá)到最優(yōu)，且鍍層光亮平滑，無任何起皮、脫落現(xiàn)象。這表明高錳酸鉀最佳粗化工藝的粗化效果理想，滿足生產(chǎn)要求，完全可以替代鉻酸作為無鉻前處理。

三、　結(jié)論

（1）高錳酸鉀粗化的最佳工藝條件：20 g/L高錳酸鉀，粗化溫度70 ℃，粗化時間40 min。

（2）在此最佳粗化工藝條件下，所獲得化學(xué)鍍鎳層以及電鍍銅鎳層光亮平滑，結(jié)合力達(dá)到最優(yōu)，能禁受冷熱循環(huán)測試，達(dá)到GB/T 12610 —90質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，滿足生產(chǎn)要求，完全可以取代鉻酸作為無鉻前處理，減小對環(huán)境的污染。

產(chǎn)品推薦：高錳酸鉀