化學(xué)鍍鎳電磁屏蔽織物的制備工藝研究

張 猛，李 楊

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；2.西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048）

電磁波，也被稱為電磁輻射，是一種能量。作為當(dāng)今社會最快、最常見的信息傳播載體，它被廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域，在帶給人們便捷的同時也產(chǎn)生了一系列的問題，特別是電磁輻射污染對生物體的危害嚴(yán)重威脅著人類的健康［1-2］。它能夠引起人體器官的加熱，造成生理傷害，嚴(yán)重者可發(fā)生酸中毒、抽搐等癥狀，甚至危及生命［3-4］。因此，開發(fā)性能優(yōu)良的電磁屏蔽織物，即在織物的表面形成一層金屬薄膜，使其既能導(dǎo)電又能抗電磁波，成為現(xiàn)代紡織技術(shù)發(fā)展的一個重要方面［5-8］。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

藥品：氫氧化鈉、OP乳化劑、氯化亞錫、氯化鈀、次磷酸鈉、檸檬酸鈉、硫酸鎳、氯化銨，以上試劑均為分析純。

實驗所用滌棉混紡織物規(guī)格見表1。

表1 實驗所用織物規(guī)格

儀器：恒溫水浴鍋、干燥箱、電子天平、防電磁輻射測試儀、萬用表等。

1.2 氯化鈀活化前處理

原滌棉織物作為非金屬材料，由于表面缺少極性基團(tuán)且沒有催化活性而不容易直接在表面形成金屬鍍層［9］，必須經(jīng)過一定的前處理工藝，生成具有催化活性的金屬物質(zhì)，引發(fā)后期化學(xué)鍍層的形成［10-11］。因此，在制備抗電磁波的化學(xué)鍍層織物實驗中，對織物進(jìn)行前處理的好壞是鍍層質(zhì)量優(yōu)劣的決定性因素，可以直接影響鍍層的均勻性及牢固程度。

1.2.1 織物化學(xué)鍍鎳前處理工藝路線

粗化→水洗→敏化-活化處理→水洗。

1.2.2 具體處理工藝

（1）粗化 堿性粗化法，配置濃度為80g／L的NaOH溶液，同時為了增加織物與水的相互浸透［12］，加入8ml／L的OP乳化劑，在溫度為80℃的條件下，處理90min左右。處理完成后蒸餾水洗滌，繼續(xù)實驗。

（2）敏化-活化 將粗化好的織物，放入濃度大約為20g／L SnCl2的酸溶液中敏化，約10min后取出，蒸餾水清洗，再用PdCl2的酸溶液活化，其中活化液濃度約為0.4g／L。需要注意的是在活化結(jié)束后要仔細(xì)清洗織物，盡量清除其內(nèi)部多余的鈀離子，以免污染后續(xù)實驗的化學(xué)鍍工藝。具體工藝詳見表2。

表2 活化前處理工藝

1.3 化學(xué)鍍鎳制備電磁屏蔽織物

制備化學(xué)鍍鎳織物的原理就是選用適當(dāng)?shù)倪€原劑，將鎳離子還原成為金屬鎳，由于金屬鎳在織物表面的沉積，形成了一定的抗電磁鍍層。

實驗在制備過程中為了保持鍍液的pH值穩(wěn)定，選用氯化銨作為緩沖液，濃度為15g／L左右；為防止鎳離子的水解，加入穩(wěn)定性好的檸檬酸鈉作為絡(luò)合劑，含量約為20g／L。

1.4 性能測試

1.4.1 增重率

在織物大小種類相同，反應(yīng)時間相同的條件下，一般用反應(yīng)前后織物的增重率來表示化學(xué)鍍工藝的鍍速，其計算公式為：

式中β為織物增重率，M0為化學(xué)鍍鎳前織物重量，M為鍍鎳后織物重量。

1.4.2 電磁屏蔽效能

將試樣放置在防電磁輻射測試儀中，測試經(jīng)化學(xué)鍍鎳整理后織物的電磁波屏蔽性能，并用屏蔽效能SE值來表征其作用效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響化學(xué)鍍效果的工藝條件

2.1.1 硫酸鎳的濃度

實驗選用鎳鹽為純度高且價格低廉的硫酸鎳，通過研究不同濃度的硫酸鎳對化學(xué)鍍速率（即增重率）的影響，選擇最佳的工藝條件，具體結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著鎳鹽濃度的增加，織物的增重率不斷地加大，并且在最初由于反應(yīng)比較激烈、化學(xué)反應(yīng)迅速，它的增加程度相對較快；但在鎳離子的濃度加大到20g／L時，繼續(xù)增加濃度，其增重率基本不變，表示此時織物的增重達(dá)到了最大值。這可能是由于鎳離子的易水解性導(dǎo)致的，通常鎳離子的穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生氫氧化鎳沉淀，在濃度過高的情況下，鍍液會發(fā)生瞬時分解，生成沉淀物附著在織物的表面上，影響鍍層的繼續(xù)進(jìn)行和表面光滑度，因此實驗中的鎳鹽濃度不宜過高，保持在20g／L即可。

2.1.2 還原劑次磷酸鈉的濃度

在化學(xué)鍍鎳的工藝中，還原劑的含量也是十分重要的條件。實驗的化學(xué)試劑選用次磷酸鈉，其在鍍液中發(fā)生的還原反應(yīng)公式如公式（2）所示。同時通過研究，在10～50g／L的范圍內(nèi)變化還原劑的濃度，觀察它對化學(xué)鍍速率的影響，結(jié)果如圖2所示。改變主鹽和還原劑濃度的比值，測試其與化學(xué)鍍速度變化的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖2 次磷酸鈉濃度對化學(xué)鍍速率的影響

由圖2可知，織物的化學(xué)鍍速隨著次磷酸鈉濃度增加不斷地增大，在20～35g／L時增加的速度較快，在35g／L時達(dá)到了相對的穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)增加幾乎沒有什么變化。圖3表明，在濃度比在0.6之前隨著濃度比的增加化學(xué)鍍速率是逐漸增加的，但當(dāng)濃度比繼續(xù)增大時化學(xué)鍍速率急速下降。這是因為由公式（2）中可以得到每還原生成1mol的金屬鎳就需要2mol的次磷酸根，在反應(yīng)的不斷進(jìn)行中次磷酸根會呈現(xiàn)加速減少的狀態(tài)，同時產(chǎn)物中的亞磷酸根還會結(jié)合反應(yīng)液中的鎳離子生成亞磷酸鎳，不但消耗了鎳離子，還污染了鍍液，影響了化學(xué)鍍反應(yīng)的正常進(jìn)行，因此通常次磷酸鈉的濃度不宜過高，穩(wěn)定在35g／L左右。

2.1.3 鍍液的溫度

在實驗過程中，調(diào)節(jié)鍍液的溫度是一個非常重要的工藝，因為過低的溫度達(dá)不到反應(yīng)所需的啟鍍要求，分子無法快速運(yùn)動，相互結(jié)合反應(yīng)；而過高的溫度又可能會破壞反應(yīng)中的某些鏈結(jié)構(gòu)或者影響生成物的成分、含量，因此在實驗中我們需要調(diào)節(jié)溫度值，在10～90℃的范圍內(nèi)找最佳的工藝，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 鍍液溫度與化學(xué)鍍速的關(guān)系

在圖4中，隨著溫度的升高，織物的重量不斷增加，且在60℃達(dá)到了最大的增重量；繼續(xù)增加溫度，重量反而下降。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是因為在反應(yīng)初期的20～60℃溫度范圍內(nèi)，溫度的升高加快了分子的熱運(yùn)動，促進(jìn)了還原劑的水解，進(jìn)而生成了更多的H原子，H原子通過與Ni2＋的作用，如公式（3），發(fā)生還原反應(yīng)生成金屬單質(zhì)鎳，在織物表面形成抗電磁波的鍍層［13-14］。

但當(dāng)溫度超過60℃時，織物的增重又會出現(xiàn)減弱的趨勢，這是因為反應(yīng)速率過快使金屬物質(zhì)在織物表面沉積不穩(wěn)定，發(fā)生脫落，并且會促使自身形成一定的絡(luò)合物，懸浮在鍍液中影響鍍層的形成。因此一般在實驗中選擇鍍液的溫度為60℃即可。

2.1.4 鍍液的pH值

在反應(yīng)液中，pH值的大小對增重、鍍層的表面形態(tài)、成分及織物的電磁屏蔽性能等都會有很大的影響，因此選擇一個合適的pH值對于整個化學(xué)工藝顯得尤為重要。通過公式（2）可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過程中會不斷地生成亞磷酸根酸性離子，促使鍍液的pH值不斷地減小。為了穩(wěn)定化學(xué)鍍液的pH環(huán)境，實驗通過加入一定量的氨水調(diào)節(jié)鍍液的pH值，讓pH環(huán)境從酸性過度到堿性，觀察它對化學(xué)鍍速及鍍層中磷含量的影響，并分析鍍液的穩(wěn)定性變化，最終通過實驗數(shù)據(jù)選擇合適pH值。

（1）鍍液的pH值對化學(xué)鍍速率的影響

調(diào)節(jié)pH值的范圍在4～9.5之間，測量織物的增重率，結(jié)果見表3。

表3 不同鍍液pH值對應(yīng)的鍍層增重率

從表3可以看出，無論在酸性環(huán)境下還是堿性環(huán)境下織物的增重率都隨pH值的增加而增加，其中在酸性環(huán)境的條件平均增重率為72.5%，要小于堿性環(huán)境下的83.3%，這說明堿性鍍液的反應(yīng)速率較快。同時實驗過程中還發(fā)現(xiàn)，酸性條件下，溫度較高時反應(yīng)才開始，起鍍溫度較高，對實驗條件要求高、能耗大；而堿性鍍液在低溫時就可以發(fā)生反應(yīng)，隨著溫度升高速率加快，但溫度不宜過高，會破壞鍍液的穩(wěn)定性。

（2）鍍液的pH值對鍍層中磷含量的影響

鍍層中的磷的含量能夠影響它的光亮程度和磁性，研究表明，當(dāng)磷的含量過高（≥8%）時，鍍層表面會變黑，嚴(yán)重影響織物的外觀，同時會降低表面比電阻，減弱抗電磁波性能等［15］。圖5為不同的pH值條件下，經(jīng)相同的化學(xué)鍍試劑得到的鍍層中磷的含量。

從圖5可以得出，鍍層中磷的含量不論是在酸性還是在堿性的環(huán)境下都隨著pH值的增加不斷減少，并且在堿性的條件下，磷的含量明顯要少得多。因此，實驗選擇在堿性的環(huán)境下進(jìn)行，為避免pH值過大而出現(xiàn)鍍液穩(wěn)定性變差的現(xiàn)象，調(diào)節(jié)pH值為9；因為pH值過高或者過低都不利于實驗的順利進(jìn)行。

2.2 電磁屏蔽性能

在不同的頻率下測試織物經(jīng)化學(xué)鍍工藝整理后的電磁屏蔽效能，結(jié)果如圖6所示。同時測量化學(xué)鍍鎳織物的電磁屏蔽效能、表面比電阻與增重率，如圖7所示。

從圖6中可以得到織物經(jīng)化學(xué)鍍鎳處理后它的電磁屏蔽效能（SE）平均值為48.15dB，達(dá)到了抗電磁屏蔽織物的標(biāo)準(zhǔn)，能夠很好地屏蔽電磁波。由圖7可知，隨著織物增重率的升高，單質(zhì)鎳沉積量的增大，鍍層不斷地增厚且均勻，它的電磁屏蔽效能也在不斷地增強(qiáng)，表面比電阻逐漸減小，并且趨勢基本相同。這說明織物的導(dǎo)電性越好，它的電磁屏蔽效能就越強(qiáng)，兩者之間的變化是一致的。但是，過高的增重會影響織物的柔軟性、彈性等性能，同時也會降低它的穿著舒適性，且浪費(fèi)整理劑，因此達(dá)到想要的效果即可。

3 結(jié)論

（1）織物的前處理是影響化學(xué)鍍層的重要因素，它可以決定后續(xù)化學(xué)鍍鎳實驗的發(fā)生。實驗的前處理主要有粗化和敏化-活化，具體配方為：粗化，濃度為80 g／L的氫氧化鈉溶液，80℃處理90min；敏化，濃度為20g／L的氯化亞錫溶液，室溫處理10min；活化，濃度為0.4g／L的氯化鈀溶液，室溫處理3～5min。

（2）在化學(xué)鍍鎳工藝中，用織物的增重率來表示化學(xué)鍍的速度，實驗分別探討了主鹽硫酸鎳的濃度、還原劑次氯酸鈉的濃度、鍍液的溫度和鍍液的pH值等條件對化學(xué)鍍速的影響，并得到了最佳處理條件。

（3）經(jīng)鍍鎳整理后，織物的電磁屏蔽效能和導(dǎo)電性能都有了很大提高。

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