微孔聚氨酯泡沫超聲強(qiáng)化化學(xué)鍍銅的研究

田慶華，郭學(xué)益

(中南大學(xué) 冶金科學(xué)與工程學(xué)院 冶金工程博士后流動站，湖南 長沙，410083)

微孔聚氨酯泡沫超聲強(qiáng)化化學(xué)鍍銅的研究

田慶華，郭學(xué)益

(中南大學(xué) 冶金科學(xué)與工程學(xué)院 冶金工程博士后流動站，湖南 長沙，410083)

為研制金屬泡沫材料電沉積制備所需的導(dǎo)電泡沫基體，以孔徑為0.3 mm的微孔聚氨酯泡沫為基體進(jìn)行化學(xué)鍍銅新工藝研究。探討鍍液組成、溫度、pH及超聲強(qiáng)化對化學(xué)鍍銅工藝的影響，得出化學(xué)鍍銅優(yōu)化工藝條件如下：硫酸銅質(zhì)量濃度為16 g/L，酒石酸鉀鈉質(zhì)量濃度為30 g/L，Na2EDTA質(zhì)量濃度為20 g/L，α,α′-聯(lián)吡啶質(zhì)量濃度為25 mg/L，亞鐵氰化鉀質(zhì)量濃度為25 mg/L，PEG-1000質(zhì)量濃度為1 g/L，甲醛含量為5 mL/L，鍍液pH為12.5～13.0，溫度為50 ℃。在此條件下，鍍液穩(wěn)定性好，鍍層光亮平整，鍍速可達(dá)0.102 mg/min；超聲強(qiáng)化可有效提高鍍速20%～30%；化學(xué)鍍銅后的導(dǎo)電泡沫基體經(jīng)電沉積工藝可制備得到孔隙率為92.2%的三維網(wǎng)狀金屬泡沫材料。

化學(xué)鍍銅；微孔；聚氨酯泡沫；超聲波；泡沫金屬

金屬泡沫材料(以下簡稱泡沫金屬)由于具有孔隙率高、比表面積大、質(zhì)量均勻、活性強(qiáng)等優(yōu)異性能，被廣泛用于催化基體、過濾分離器、熱交換器及電極材料等制備領(lǐng)域[1]。電極材料的泡沫金屬常采用電沉積法制備，即以聚氨酯泡沫為基體材料，通過表面金屬化使其表面導(dǎo)電，并經(jīng)電沉積制備得到三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、孔隙率高、結(jié)構(gòu)均勻和機(jī)械性能好的泡沫金屬[2]。泡沫金屬孔徑取決于泡沫基體材料的孔徑，孔徑直接影響泡沫金屬電極的性能。當(dāng)泡沫金屬孔徑大時，電池的歐姆內(nèi)阻增大，充放電不完全，需要在電極活性物質(zhì)中加入導(dǎo)電微粒來降低電池的內(nèi)阻；加入導(dǎo)電微粒后，會減少電極活性物質(zhì)；當(dāng)泡沫金屬孔徑小時，電池的內(nèi)阻減小，但孔徑過小時，電極活性物質(zhì)填不進(jìn)去而集中在電極表面。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，一般宜選用孔徑為 0.2～0.4 mm 的微孔聚氨酯泡沫作為基體材料，最大孔徑不宜超過0.6 mm[3]。電沉積法制備泡沫金屬的工藝流程為：聚氨酯泡沫→預(yù)處理→表面金屬化→電沉積→泡沫金屬。電極材料一般采用銅集流體，因此，表面金屬化可考慮在泡沫基體表面鍍覆一層導(dǎo)電性良好的金屬銅[3]。表面金屬化過程是決定后續(xù)電沉積質(zhì)量的關(guān)鍵，其主要方法有蒸鍍(如真空蒸鍍)、離子鍍(如電弧離子鍍)、陰極濺射、化學(xué)鍍和涂覆導(dǎo)電膠法等多種[4?6]。其中蒸鍍、離子鍍和涂覆導(dǎo)電膠法的沉積金屬與非金屬表面為物理吸附，附著力小，容易脫落，一般適用于平面鍍覆?；瘜W(xué)鍍法的沉積金屬與基體表面為化學(xué)吸附，附著力大，不易脫落[7?10]，可用于表面形狀復(fù)雜的基體鍍覆，即使表面形狀復(fù)雜的基體也可獲得均勻鍍層。本文作者選用中溫堿性化學(xué)鍍銅體系，研究了各工藝條件對微孔化學(xué)鍍銅鍍速及鍍層形貌的影響，并進(jìn)一步制備得到泡沫金屬。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑、儀器及主要原材料

主要試劑：CuSO4·5H2O，NaKC4H4O6·4H2O，Na2EDTA，HCHO，亞鐵氰化鉀，α,α′-聯(lián)吡啶，PEG-1000，以上試劑均為分析純。

主要儀器：pHS?3C型精密pH計(jì)，DZKW?4型電子恒溫水浴鍋，F(xiàn)A2004型電子分析天平，KQ?400GQDV型超聲波清洗器和JSM?6360LV型掃描電子顯微鏡。

主要原材料：聚氨酯泡沫(日本 BRIDGESTONE公司生產(chǎn)，平均孔徑為0.3 mm，孔隙率為96%)

1.2 實(shí)驗(yàn)原理與方法

廣義的表面金屬化包括脫脂、粗化、敏化?活化和化學(xué)鍍等步驟。首先，采用有機(jī)溶劑脫脂和化學(xué)脫脂相去除聚氨酯泡沫表面的脫模劑及污垢，以確保非金屬制件表面能均勻地進(jìn)行表面活化。然后，選用KMnO4(1 g/L)和H2SO4(0.05 mL/L)組成的粗化劑使聚氨酯泡沫骨架表面呈顯微粗糙，以利提高金屬鍍層與非金屬基體的結(jié)合力。敏化?活化的作用是使基體表面形成一層非連續(xù)的催化活性顆粒，使基體表面具有催化還原銅的能力，從而使化學(xué)鍍銅反應(yīng)在催化處理過的基體表面順利進(jìn)行。

化學(xué)鍍銅反應(yīng)是在有催化活性物質(zhì)(如鈀)的表面上，使溶液中的硫酸銅與還原劑甲醛發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而使銅離子還原析出，其總反應(yīng)為[11]：

化學(xué)鍍后可采用電沉積法在導(dǎo)電性良好的銅鍍層上電鍍加厚金屬以制備得到泡沫金屬。

1.3 微孔泡沫鍍速的測定

由于聚氨酯泡沫表面形狀復(fù)雜，難以計(jì)算表面積，故不能采用常規(guī)鍍速進(jìn)行定義。本文采用單位時間、單位質(zhì)量的聚氨酯泡沫上的銅沉積量來定義化學(xué)鍍銅鍍速，計(jì)算公式為：

其中：ν為鍍速；m1為基體鍍前質(zhì)量；m2為基體鍍后質(zhì)量；t為鍍液穩(wěn)定時間(即活化后的聚氨酯泡沫自放入化學(xué)鍍液中開始計(jì)時，到化學(xué)鍍液開始變渾濁的時間)。

1.4 孔隙率的測定

泡沫鋅的孔隙率計(jì)算公式為

其中：ε為泡沫鋅孔隙率；V0為泡沫鋅總體積；V1為聚氨酯泡沫所占體積；V2為銅化學(xué)鍍層所占體積；V3為鋅電沉積層所占體積；m2為化學(xué)鍍銅實(shí)際鍍銅質(zhì)量；m3為電沉積鋅質(zhì)量；ρ2和ρ3分別為銅和鋅的金屬密度；ε1為聚氨酯泡沫基體材料孔隙率。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸銅質(zhì)量濃度對化學(xué)鍍銅的影響

溶液組成為：甲醛5 mL/L，酒石酸鉀鈉30 g/L，Na2EDTA 20 g/L，α,α′-聯(lián)吡啶 25 mg/L，亞鐵氰化鉀25 g/L和PEG-1000 1 g/L。當(dāng)控制pH為12.5，鍍液溫度50 ℃時，不同硫酸銅質(zhì)量濃度對鍍速的影響如圖1所示。由圖1可知：化學(xué)鍍銅的鍍速隨著硫酸銅質(zhì)量濃度的提高而增加。在實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)硫酸銅質(zhì)量濃度為8 g/L時，沉銅速度慢，鍍層外觀暗；當(dāng)硫酸銅質(zhì)量濃度為16 g/L，沉銅速度快，鍍層外觀光亮；但當(dāng)硫酸銅質(zhì)量濃度達(dá)到20 g/L以后，雖然沉銅速度快，但鍍液穩(wěn)定性極差，鍍層粗糙。故本實(shí)驗(yàn)研究選用硫酸銅質(zhì)量濃度為16 g/L。

圖1 硫酸銅質(zhì)量濃度對鍍速的影響Fig.1 Effect of CuSO4 mass content on plating rate

2.2 甲醛質(zhì)量濃度對化學(xué)鍍銅工藝的影響

溶液組成為：硫酸銅16 g/L，酒石酸鉀鈉30 g/L，Na2EDTA 20 g/L，α,α′-聯(lián)吡啶 25 mg/L，亞鐵氰化鉀25 mg/L和PEG-1000 1 g/L。當(dāng)控制pH為12.5，鍍液溫度50 ℃時，不同甲醛含量對鍍速的影響如圖2所示。由圖2可見：隨著甲醛含量的增加，化學(xué)鍍銅的鍍速明顯加快；當(dāng)甲醛含量為2 mL/L時，沉銅速度慢，鍍層表面有暗紋；當(dāng)甲醛含量為5 mL/L時，沉銅速度較快，鍍液穩(wěn)定，鍍層外觀光亮；同樣，當(dāng)甲醛含量達(dá)到6 mL/L以后，雖然沉銅速度快，但鍍液極不穩(wěn)定，鍍層結(jié)晶粗糙。故本實(shí)驗(yàn)研究選用甲醛含量為5 mL/L。

圖2 甲醛含量對鍍速的影響Fig.2 Effect of HCHO content on plating rate

2.3 鍍液pH對化學(xué)鍍銅的影響

溶液組成為：硫酸銅16 g/L，甲醛5 mL/L，酒石酸鉀鈉 30 g/L，Na2EDTA 20 g/L，α,α′-聯(lián)吡啶 25 mg/L，亞鐵氰化鉀25 mg/L和PEG-1000 1 g/L，控制鍍液溫度為50 ℃。由于甲醛必須在pH＞11的堿性條件下才具有還原銅的能力，同時，由于化學(xué)鍍銅過程將產(chǎn)生氫氣，使得鍍液pH不斷降低，必須定期調(diào)整鍍液pH以維持化學(xué)鍍銅的進(jìn)行[11]。本文通過加入NaOH溶液調(diào)整鍍液pH在11.5～13.5范圍內(nèi)，不同鍍液pH對鍍速的影響見圖3。由圖3可見：化學(xué)鍍銅鍍速隨鍍液pH的增大而加快；當(dāng)pH≤12時，鍍速慢，鍍層發(fā)暗；當(dāng)pH為12.5～13.0時，鍍液穩(wěn)定，沉銅速度較快，鍍層外觀光亮；當(dāng)pH≥13.5時，由于鍍液開始自動分解，鍍液中有紅色 Cu2O析出，鍍層表面粗糙。所以，本實(shí)驗(yàn)控制pH為12.5～13.0。

圖3 鍍液pH對鍍速的影響Fig.3 Effect of bath pH on plating rate

2.4 鍍液溫度對化學(xué)鍍銅的影響

溶液組成為：硫酸銅16 g/L，甲醛5 mL/L，酒石酸鉀鈉 30 g/L，Na2EDTA 20 g/L，α,α′-聯(lián)吡啶 25 mg/L，亞鐵氰化鉀25 mg/L和PEG-1000 1 g/L，控制pH為12.5。不同鍍液溫度對鍍速的影響如圖4所示。從圖4可看出：化學(xué)鍍銅鍍速隨著溫度增加而呈直線增長；當(dāng)反應(yīng)溫度為20～30 ℃時，沉積銅的速度較慢，鍍層發(fā)灰暗；當(dāng)反應(yīng)溫度高于 50 ℃以后，鍍液分解速度加快，鍍液中產(chǎn)生大量紅色 Cu2O粉末；當(dāng)反應(yīng)溫度控制在40～50 ℃之間時，鍍速較快，鍍層呈紅銅色，且鍍液穩(wěn)定。因此，本實(shí)驗(yàn)選用 50 ℃作為化學(xué)鍍液體系溫度。

2.5 雙絡(luò)合劑對化學(xué)鍍銅的影響

圖4 鍍液溫度對鍍速的影響Fig.4 Effect of bath temperature on plating rate

除主鹽和還原劑外，鍍液中最重要的組成部分是絡(luò)合劑[12]。鍍液中加入適量的絡(luò)合劑以形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，有利于細(xì)化晶粒，也有利于提高沉積速度及溶液的穩(wěn)定性，改善化學(xué)鍍層的性能。本文選用酒石酸鉀鈉和 Na2EDTA雙絡(luò)合劑體系，溶液組成為：硫酸銅 16 g/L，甲醛 5 mL/L，酒石酸鉀鈉 30 g/L，α,α′-聯(lián)吡啶25 mg/L，亞鐵氰化鉀25 mg/L，PEG-1000 1 g/L。當(dāng)控制pH為12.5，鍍液溫度50 ℃時，不同Na2EDTA質(zhì)量濃度對鍍速的影響如圖5所示。其他組成及工藝條件不變，保持Na2EDTA質(zhì)量濃度為20 g/L時，不同酒石酸鉀鈉質(zhì)量濃度對鍍速的影響見圖6。

從圖 5和圖 6可見：化學(xué)鍍銅鍍速都隨著Na2EDTA和酒石酸鉀鈉質(zhì)量濃度的增加而減少，當(dāng)兩者質(zhì)量濃度分別達(dá)到20 g/L和30 g/L時，鍍速較快，且鍍層光亮，鍍液較為穩(wěn)定；當(dāng)兩者的質(zhì)量濃度過小時，鍍速雖然快，但鍍液穩(wěn)定性差，鍍層質(zhì)量差；反之，則鍍速很慢。本研究選擇質(zhì)量濃度為 20 g/L Na2EDTA和30 g/L酒石酸鉀鈉作為雙絡(luò)合劑。

圖5 Na2EDTA質(zhì)量濃度對鍍速的影響Fig.5 Effect of Na2EDTA mass content on plating rate

圖6 酒石酸鉀鈉質(zhì)量濃度對鍍速的影響Fig.6 Effect of NaKC4H4O6 content on plating rate

2.6 添加劑對化學(xué)鍍銅的影響

為了提高鍍液穩(wěn)定性、改善鍍層質(zhì)量等，在鍍液中同時加入了亞鐵氰化鉀、α,α′-聯(lián)吡啶和 PEG-1000等添加劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：亞鐵氰化鉀和α,α′-聯(lián)吡啶不僅具有穩(wěn)定鍍液的能力，而且可改善鍍層的外觀，無添加劑時鍍層呈褐色；加入亞鐵氰化鉀鍍層呈紅褐色；α,α′-聯(lián)吡啶的加入可使鍍層顯得紅亮。由于化學(xué)鍍銅過程伴隨著氫氣的析出，鍍層中吸附氫氣引起“氫脆”現(xiàn)象而導(dǎo)致鍍層質(zhì)量下降[11]，PEG-1000的加入將減少“氫脆”發(fā)生，有利于提高鍍層質(zhì)量。本文作者選擇質(zhì)量濃度為25 mg/L的α,α′-聯(lián)吡啶、質(zhì)量濃度為25 mg/L的亞鐵氰化鉀和質(zhì)量濃度為 1 g/L的PEG-1000作為混合添加體系。

2.7 超聲強(qiáng)化對微孔化學(xué)鍍銅的影響

由反應(yīng)式(1)可知：化學(xué)鍍銅的過程伴隨氫氣產(chǎn)生，生成大量氣泡。由于本實(shí)驗(yàn)選用的微孔聚氨酯泡沫呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，平均孔徑僅為0.3 mm，產(chǎn)生于微孔聚氨酯泡沫大量氣泡如不及時排出，不僅大大降低鍍速，同時將會造成泡沫深處產(chǎn)生“漏鍍”現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)電沉積出現(xiàn)缺陷[13]。本文作者探索了外加超聲場強(qiáng)化化學(xué)鍍過程，在溶液組成及其他操作條件不變的情況下，將預(yù)鍍3 min后的聚氨酯泡沫放入功率為400 W的超聲場中進(jìn)行化學(xué)鍍銅。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲強(qiáng)化可提高化學(xué)鍍銅鍍速20%～30%。既通過超聲空化“震碎”原有的氣泡而形成微小的氣泡，增加了兩相接觸面積；又利用超聲波產(chǎn)生的高速微射流強(qiáng)化了溶液的攪拌，加強(qiáng)了微氣泡與鍍液金屬離子的流動。

2.8 泡沫金屬電沉積制備

電極材料常用的泡沫金屬主要有泡沫鎳、泡沫鉛和泡沫鋅。作者選擇硫酸鹽鍍液體系進(jìn)行導(dǎo)電化聚氨酯泡沫的金屬鋅電沉積研究，鍍液配方為：ZnSO4250 g/L，Al2(SO4)320 g/L，KAl(SO4)245 g/L，Na2SO430 g/L，以及硫鋅-30光亮劑10 mL/L。以純鋅板作為陽極，在陰極表觀電流密度為0.04 A/dm2，電鍍液溫度為30 ℃，pH為3.5，異極距為4 cm的條件下進(jìn)行電沉積操作制備泡沫鋅。

聚氨酯泡沫及經(jīng)過化學(xué)鍍銅?電沉積鋅的泡沫鋅材料結(jié)構(gòu)形貌用 JSM?6360LV型掃描電子顯微鏡觀察，如圖7所示。從圖7可見：泡沫鋅材料基本上保持了原有聚氨酯泡沫基體的結(jié)構(gòu)形貌，呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，平均孔徑為0.3～0.4 mm，組成泡沫鋅材料的骨架縱橫交錯，每一個接點(diǎn)一般由3～5根骨架交叉形成。根據(jù)選用聚氨酯泡沫基體初始孔隙率為96%，按式(3)測定估算，泡沫鋅孔隙率為92.2%。

圖7 泡沫材料制備各階段掃描電鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM photos of foam material on different phases

3 結(jié)論

(1) 選用平均孔徑為0.3～0.4 mm的微孔聚氨酯泡沫作為基體材料進(jìn)行化學(xué)鍍銅研究，化學(xué)鍍銅鍍速隨著硫酸銅質(zhì)量濃度、甲醛含量、鍍液溫度和 pH的增加而增加，隨著絡(luò)合劑酒石酸鉀鈉和 Na2EDTA質(zhì)量濃度的增加而降低；鍍速越高，銅鍍層越松散，鍍層表面越粗糙。添加劑 α , α′-聯(lián)吡啶、亞鐵氰化鉀和PEG-1000對鍍速的影響不大，但對鍍層的質(zhì)量及外觀有較大影響。

(2) 確定優(yōu)化配方和工藝條件為：硫酸銅16 g/L，甲醛5 mL/L，酒石酸鉀鈉30 g/L，Na2EDTA 20 g/L，α , α′-聯(lián)吡啶 25 mg/L，亞鐵氰化鉀 25 mg/L，PEG-1000 1 g/L，控制pH為12.5～13.0，鍍液溫度為50 ℃。在優(yōu)化條件下，鍍液穩(wěn)定性好，鍍層光亮平整，鍍速可達(dá)0.102 mg/min。

(3) 聚氨酯泡沫預(yù)鍍后外加超聲強(qiáng)化，可強(qiáng)化溶液攪拌，加強(qiáng)微氣泡與鍍液金屬離子的流動，有效提高鍍速20%～30%。

(4) 采用化學(xué)鍍銅后的導(dǎo)電泡沫基體經(jīng)電沉積工藝可制備得到呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬鋅泡沫材料，孔隙率為92.2%。

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(編輯 張?jiān)鴺s)

Ultrasonic enhanced electroless copper plating on microporous polyurethane foam

TIAN Qing-hua, GUO Xue-yi

(School of Metallurgical Science & Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to get good conductive foam substrates for foam metal materials, a novel method for electroless copper plating on microporous polyurethane foam with diameter of 0.3 mm was proposed. The main factors affecting the plating rate such as the solution composition, temperature, pH and adding ultrasonic were investigated comprehensively.The results show that the optimal conditions are 16 g/L CuSO4, 5 mL/L HCHO, 30 g/L NaKC4H4O6, 20 g/L Na2EDTA,25 mg/L α,α′-Dipyridyl, 25 mg/L K4Fe(CN)6, 1 g/L PEG-1000, at pH 12.5?13.0, temperature 50 ℃. Under above conditions, the process has efficient bath stability with the plating rate up to 0.102 mg/min. The result shows that adding ultrasonic on the process can elevate the plating rate of copper by 20%?30%. Foam metal material with a porosity of 92.2%, and a three-dimensional network structure can be fabricated by electrodeposition after electroless copper plating.

electroless copper plating; microporous; polyurethane foam; ultrasonic; foam metal

TQ153.3

A

1672?7207(2011)01?0011?06

2009?09?06；

2010?01?05

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2010FJ3117)；長沙市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(K0802027-11)

田慶華(1981?)，男，四川宜賓人，博士后，講師，從事有色金屬資源循環(huán)利用研究；電話：0731-88877863；E-mail: qinghua@mail.csu.edu.cn