玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝研究*

1． 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000 2． 西藏民族大學(xué)科研處，陜西 咸陽(yáng) 712000

玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝研究*

王飛龍1劉愛(ài)華2

1． 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000 2． 西藏民族大學(xué)科研處，陜西 咸陽(yáng) 712000

研究硫酸鎳濃度、鎢酸鈉濃度、次亞磷酸鈉濃度、檸檬酸鈉濃度及鍍液溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝的增重率(鍍層沉積速率的表征指標(biāo))的影響，然后結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，并通過(guò)正交試驗(yàn)，確定了玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝的最優(yōu)鍍液配方和工藝參數(shù)。

玻璃纖維，化學(xué)鍍Ni-W-P，工藝

電磁污染被世界衛(wèi)生組織列為繼水源、大氣、噪聲之后的第四大污染源。鍍金屬玻璃纖維具有導(dǎo)電性好、密度小、成本較低、容易加工成型等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在耐高溫、耐腐蝕的特殊工作環(huán)境，是一種極具發(fā)展前景的電磁屏蔽材料，在催化載體材料方面也有較大的應(yīng)用潛力。玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝，具有結(jié)合力強(qiáng)、硬度高、耐腐蝕性和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，工藝上具備成本低廉、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活等特點(diǎn)，因此在新型復(fù)合導(dǎo)電與電磁波屏蔽涂料的功能填料等方面都有廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝進(jìn)行探討，旨在優(yōu)化化學(xué)鍍工藝技術(shù)，擴(kuò)寬該工藝的應(yīng)用領(lǐng)域，以期產(chǎn)生更好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 化學(xué)鍍

纖維表面金屬化處理的化學(xué)方法包括化學(xué)鍍和電鍍[1]?；瘜W(xué)鍍又稱(chēng)“自催化鍍”，是利用適當(dāng)?shù)倪€原劑，使溶液中的金屬離子在具有催化活性的材料表面進(jìn)行還原的過(guò)程。化學(xué)鍍實(shí)質(zhì)上是一個(gè)在催化條件下發(fā)生的有電子轉(zhuǎn)移但無(wú)外電源的氧化還原反應(yīng)過(guò)程[2]。

與電鍍相比，化學(xué)鍍具有許多優(yōu)點(diǎn)，如鍍層的分散能力特別好[3]，過(guò)程中不需要外加電源，流程簡(jiǎn)單，操作便捷，且鍍層均勻、孔隙率低、外觀(guān)良好，而且能在塑料、陶瓷等多種非金屬基體上沉積[4]。

2 化學(xué)鍍Ni-W-P

化學(xué)鍍Ni-W-P是利用強(qiáng)還原劑的氧化，使鎳離子還原成金屬Ni，鎢酸根離子還原成W，次亞磷酸鈉提供P原子，形成三元合金鍍層，其反應(yīng)過(guò)程：

還原反應(yīng)

Ni2++2e=Ni

(1)

(2)

(3)

氧化反應(yīng)

(4)

當(dāng)把鍍件置入鍍液中時(shí)，表面能較高的原子將優(yōu)先吸附和沉積其他原子、原子團(tuán)等，使系統(tǒng)能量降低。本試驗(yàn)鍍液中，Ni原子誘導(dǎo)W原子與之產(chǎn)生共沉積，此時(shí)P原子被還原，繼而在鍍件表面產(chǎn)生3種 元素的共沉積。

化學(xué)鍍Ni-W-P鍍層具有良好的熱穩(wěn)定性和耐磨性，且硬度高，熔化溫度也較高，能夠適用于較高溫度的工作條件，同時(shí)在酸性環(huán)境中可作為防護(hù)性鍍層[5]。在高溫高濕條件下，化學(xué)鍍Ni-W-P鍍層的穩(wěn)定性也較好，因其可降低電力消耗，一般用作點(diǎn)接觸點(diǎn)材料或熱傳感器的測(cè)頭。

3 試驗(yàn)部分

3.1試驗(yàn)材料

原材料：玻璃纖維長(zhǎng)絲，135 tex，陜西華特玻璃纖維有限公司生產(chǎn)。主鹽：硫酸鎳，鎢酸鈉。還原劑：次亞磷酸鈉。絡(luò)合劑：檸檬酸鈉。蒸餾水、穩(wěn)定劑、緩沖劑等。

3.2鍍液配制

鍍液配制的具體步驟[6]：

(1) 用少量蒸餾水或去離子水分別溶解事先稱(chēng)取的主鹽、還原劑、絡(luò)合劑、緩沖劑等；

(2) 將完全溶解的主鹽溶液倒入絡(luò)合劑溶液中；

(3) 將完全溶解的還原劑溶液混入步驟(2)配制的溶液中；

(4) 依次將穩(wěn)定劑溶液、緩沖劑溶液倒入步驟(3)配置的溶液中；

(5) 用蒸餾水或去離子水稀釋上述溶液至計(jì)算體積；

(6) 調(diào)節(jié)溶液pH值；

(7) 過(guò)濾溶液；

(8) 取樣，化驗(yàn)合格，備用。

3.3工藝流程

除油→粗化→敏化→活化→化學(xué)鍍→水洗。

3.4工藝條件

試驗(yàn)擬采用的工藝條件見(jiàn)表1。

表1 工藝條件

3.5鍍層沉積速率測(cè)試

試驗(yàn)采用稱(chēng)重法測(cè)試鍍層沉積速率(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鍍速”)，因此使用增重率(δ)來(lái)表征鍍速，其算式[7]：

式中：δ為增重率，%；

W1為化學(xué)鍍前鍍件質(zhì)量，g；

W2為化學(xué)鍍后鍍件質(zhì)量，g。

4 結(jié)果分析與工藝優(yōu)化

4.1鍍液主要成分對(duì)增重率的影響

鍍液主要成分指硫酸鎳、鎢酸鈉、次亞磷酸鈉和檸檬酸鈉，它們的濃度對(duì)增重率的影響較大，下面重點(diǎn)分析這幾種主要成分的濃度對(duì)增重率的影響規(guī)律。

4.1.1 硫酸鎳濃度、鎢酸鈉濃度對(duì)增重率的影響

硫酸鎳和鎢酸鈉為玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝的主鹽。鍍層中的Ni由硫酸鎳還原生成，而鍍層中的W由鎢酸鈉還原生成。硫酸鎳濃度對(duì)增重率的影響如圖1所示。鎢酸鈉濃度對(duì)增重率的影響如圖2所示。

圖1 硫酸鎳濃度對(duì)增重率的影響

圖2 鎢酸鈉濃度對(duì)增重率的影響

從圖1可以看出，當(dāng)硫酸鎳濃度小于23.000 g/L時(shí)，隨著濃度增加，增重率逐漸增大；當(dāng)硫酸鎳濃度大于23.000 g/L時(shí)，增重率開(kāi)始減小，而且在該濃度附近，鍍層光亮細(xì)致。因此，硫酸鎳濃度宜控制在18.000～24.000 g/L。

從圖2可以看出，隨著鎢酸鈉濃度的增加，增重率不斷增大，當(dāng)鎢酸鈉濃度大于34.000 g/L時(shí)，增重率明顯減小。鎢酸鈉濃度在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，對(duì)鍍液穩(wěn)定性沒(méi)有影響，但是其濃度繼續(xù)增加，鍍液穩(wěn)定性變差，其反應(yīng)能力也下降。因此，鎢酸鈉濃度應(yīng)保持在28.000～34.000 g/L。

4.1.2 次亞磷酸鈉濃度、檸檬酸鈉濃度對(duì)增重率的影響

次亞磷酸鈉既是玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝的還原劑，也是鍍層中P的來(lái)源。次亞磷酸鈉濃度對(duì)增重率的影響如圖3所示。檸檬酸鈉是玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝的絡(luò)合劑，對(duì)反應(yīng)過(guò)程有重要作用。檸檬酸鈉濃度對(duì)增重率的影響如圖4所示。

從圖3可以看出，隨著次亞磷酸鈉濃度的提高，增重率持續(xù)增大，當(dāng)次亞磷酸鈉濃度大于24.000 g/L時(shí)，增重率的增加速率開(kāi)始減小，但仍保持上升趨勢(shì)。大量試驗(yàn)表明，隨著次亞磷酸鈉濃度的不斷提高，鍍層中P的含量也不斷增加，W與Ni的含量則減少。因此，次亞磷酸鈉濃度以20.000～24.000 g/L為宜。

從圖4可以看出，隨著檸檬酸鈉濃度的提高，增重率不斷增大，當(dāng)檸檬酸鈉濃度為35.000 g/L左右時(shí)，增重率達(dá)到一個(gè)最高值，并開(kāi)始降低。因此。檸檬酸鈉濃度以32.000～38.000 g/L為宜。

4.2工藝參數(shù)對(duì)增重率的影響

鍍液溫度對(duì)增重率的影響如圖5所示。反應(yīng)時(shí)間對(duì)增重率的影響如圖6所示。

圖5 鍍液溫度對(duì)增重率的影響

圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)增重率的影響

由圖5可以看出，鍍液溫度從45 ℃升高到90 ℃，增重率呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)鍍液溫度低于75 ℃時(shí)，增重率增加速率較快；當(dāng)鍍液溫度高于75 ℃時(shí)，增重率變化較小。鍍液溫度較高時(shí)，鍍液穩(wěn)定性變差，同時(shí)鍍層的致密度下降，鍍層的沉積速率也趨于穩(wěn)定。因此，玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝過(guò)程中，鍍液溫度應(yīng)控制在70 ℃左右。

從圖6可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，增重率也呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，即鍍層厚度逐漸增加，尤其是初始階段，增重率增加速率較快，幾乎呈直線(xiàn)增加，但是當(dāng)鍍液反應(yīng)達(dá)到一定程度時(shí)，增重率增加幅度減小。因?yàn)殡S著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，鍍液中游離鎳離子不斷減少，還原劑的量也不斷減少，反應(yīng)就變得非常緩慢，此時(shí)繼續(xù)反應(yīng)，鍍層厚度也不會(huì)有太大的變化。因此，反應(yīng)時(shí)間確定在60 min左右。

4.3玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝優(yōu)化

為得到較優(yōu)的玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P鍍液配方，以上述試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，確定鍍液的主要成分(即硫酸鎳、鎢酸鈉、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉)濃度為影響因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，以增重率作為玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝質(zhì)量的考核指標(biāo)。正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)及正交試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4。

表3 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)表4中數(shù)據(jù)的分析，得出玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝的最優(yōu)鍍液配方為A2B2C3D2。結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

考慮鍍速(增重率)和成本等因素，采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-W-P工藝的最佳鍍液配方及工藝參數(shù)：硫酸鎳濃度22.000 g/L，鎢酸鈉濃度30.000 g/L，次亞磷酸鈉濃度24.000 g/L，檸檬酸鈉濃度34.000 g/L，硫酸氨濃度29.000 g/L，乳酸濃度5.000 g/L，醋酸鉛濃度0.008 g/L，鍍液溫度(70±2)℃，反應(yīng)時(shí)間(60±1)min，鍍液pH值7.0。

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Study on electroless Ni-W-P plating process for glass fibers

WangFeilong1，LiuAihua2

1. School of Civil Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang, 712000，China；2. Research Department, Xizang Minzu University, Xianyang, 712000,China

Effects of concerntrations of nickel sulfate, sodium tungstate, hypo sodium phosphate and lemon acid sodium, as well as temperature of plating solution and reaction time on the mass gain rate(identification index for deposition rate) of electroless Ni-W-P plating process for glass fibers, were studied. Then, in combination with the results of single-factor experiment, the best formula of plating solution and process parameters of the electroless Ni-W-P plating process for glass fibers were determined through the orthogonal experiment.

glass fiber, electroless Ni-W-P plating, process

*2016年西藏自治區(qū)自然科學(xué)基金(2016ZR-MY-08)

2017-03-24

2017-04-20

王飛龍，男，1982年生，助教，主要研究方向?yàn)楣δ苄约徔椘返拈_(kāi)發(fā)

TQ153.2

A

1004-7093(2017)10-0032-05