溶脹條件對(duì)聚碳酸酯表面粗化效果的影響

夏曙光，李志新，王增林

(陜西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西西安 710062)

溶脹條件對(duì)聚碳酸酯表面粗化效果的影響

夏曙光，李志新，王增林

(陜西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西西安 710062)

聚碳酸酯表面金屬化處理后廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。利用環(huán)境友好的二氧化錳-硫酸微蝕體系，研究了溶脹處理過程中，溶脹液組成、溶脹條件及微蝕時(shí)間對(duì)聚碳酸酯表面粗化效果的影響。利用掃描電鏡對(duì)其溶脹效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而得到理想的聚碳酸酯表面粗化溶脹效果。

聚碳酸酯;溶脹;表面粗化;粘結(jié)強(qiáng)度;二氧化錳;硫酸

引 言

隨著新材料的不斷產(chǎn)生，非金屬材料如塑料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、通訊設(shè)備和日常生活用品中。塑料通過表面金屬化處理可以應(yīng)用到某些特殊領(lǐng)域，如汽車、家電中的塑料電鍍件、計(jì)算機(jī)和印刷電路板中的金屬化層等［1］。通過金屬化處理，塑料不僅可以增強(qiáng)其本身的強(qiáng)度，具有更為良好的耐溶劑性、耐蝕性、耐磨性、耐光照性及傳熱性，同時(shí)又具有金屬的外觀和導(dǎo)電性能。當(dāng)塑料兼有金屬及其自身的共同優(yōu)點(diǎn)時(shí)，在某些方面就可以代替貴重的有色金屬。在眾多用于金屬化的塑料中，聚碳酸酯(PC)和ABS工程塑料以其良好的物理、機(jī)械和化學(xué)性能，以及較低的價(jià)格，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域中。

PC是一種無色透明的無定型熱塑性材料，具有良好的耐熱、抗沖擊、阻燃以及機(jī)械性能，廣泛的應(yīng)用于玻璃裝配業(yè)、汽車工業(yè)、電子電器工業(yè)以及辦公室設(shè)備。其名稱來源于其內(nèi)部的碳酸酯基基團(tuán)(R1OCOOR2)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聚碳酸酯的結(jié)構(gòu)

為了提高PC基體與鍍層之間的粘結(jié)強(qiáng)度，PC基體在表面金屬化前需要進(jìn)行包括除油、溶脹、微蝕及中和的前處理過程，以期達(dá)到增大鍍層與基體表面的接觸面積，使得鍍層沉積在基體表面產(chǎn)生“錨效應(yīng)”［2］。

目前PC基體的處理大多采用等離子體進(jìn)行改性處理。在國(guó)外，Latella［3］等研究了水蒸氣等離子對(duì)PC表面改性，并考察了等離子處理?xiàng)l件對(duì)其沉積銅膜粘接強(qiáng)度的影響。Ong［4］研究了氧等離子PC表面改性。結(jié)果表明，利用氧氣等離子處理，可以在PC表面產(chǎn)生許多小微孔，增強(qiáng)了界面的粘結(jié)性，Lee等［5］也對(duì)此做了相關(guān)的研究。國(guó)內(nèi)劉裕明［6］等研究了低溫等離子體對(duì)聚碳酸酯材料表面改性，發(fā)現(xiàn)PC表面潤(rùn)濕接觸角隨處理時(shí)間的增加而減小。然而該方法需要較高的設(shè)備，使其應(yīng)用受到限制，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

王艷芝等［6］采用丙酮微蝕液，研究了不同的微蝕條件對(duì)PC板微蝕效果的影響。通過丙酮溶液處理，提高鍍層與PC板之間的粘結(jié)性，但未有具體的粘接強(qiáng)度結(jié)果。

本研究小組利用MnO2-H2SO4膠體作為微蝕劑，成功的實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好的ABS板和環(huán)氧樹脂板的表面粗化［7-10］，在此基礎(chǔ)上，開展了以 MnO2-H2SO4膠體作為微蝕劑，對(duì)PC表面進(jìn)行化學(xué)微蝕的研究工作，并通過掃描電鏡(SEM)，研究溶脹和微蝕條件對(duì)PC表面粗化效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

首先將δ為1.0 mm聚碳酸酯板切成25mm×40mm的試片，進(jìn)行除油、溶脹處理。溶脹溶液由一定濃度的N，N'-二甲基甲酰胺(DMF)、表面活性劑和水組成。通過對(duì)溶脹溫度、溶脹時(shí)間以及溶脹溶液中N，N'-二甲基甲酰胺的濃度對(duì)聚碳酸酯板表面粗化效果的影響確定溶脹液的組成及溶脹條件。將溶脹后的PC板插入MnO2-H2SO4膠體中進(jìn)行表面粗化。微蝕液的組成:30g/L二氧化錳，12.3mol/L硫酸，微蝕液 θ為70℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶脹液對(duì)聚碳酸酯表面粗化效果的影響

首先利用文獻(xiàn)報(bào)道的對(duì)ABS板和環(huán)氧樹脂板非常有效的方法對(duì)PC板進(jìn)行除油、溶脹處理，然后研究不同的硫酸濃度、二氧化錳質(zhì)量濃度、微蝕液溫度、微蝕時(shí)間對(duì)PC板表面粗化效果的影響，通過SEM對(duì)其微蝕效果進(jìn)行觀察。結(jié)果表明，不論如何改變微蝕液中硫酸濃度(9.6～14.7mol/L)，提高處理溫度(60～90℃)，延長(zhǎng)處理時(shí)間(5～60min，PC板的表面形貌沒有任何明顯的變化。圖2為12.3mol/L硫酸，θ為70℃，不同微蝕時(shí)間，PC 表面溶脹，微蝕后的SEM照片。

圖2 經(jīng)傳統(tǒng)溶脹、微蝕后PC板表面的SEM照片

2.2 DMF溶脹液對(duì)聚碳酸酯表面粗化效果的影響

文獻(xiàn)［6］報(bào)道了通過丙酮處理，可以提高PC表面與金屬膜的粘接強(qiáng)度，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PC表面除油后通過適當(dāng)?shù)谋芤禾幚?，?jīng)二氧化錳-硫酸膠體微蝕，可以獲得一定的微蝕效果，但不能達(dá)到企業(yè)的要求。在此基礎(chǔ)上，選用了大量的有機(jī)溶劑和表面活性劑組成新的溶脹液，研究了不同組成的溶脹液、在不同條件下的溶脹處理和表面粗化，觀察其表面的形貌變化，最終發(fā)現(xiàn)N，N'-二甲基甲酰胺和表面活性劑組成的水溶液，對(duì)PC板的溶脹有非常好的效果。

當(dāng)PC板經(jīng)過 w(DMF)分別為60%、70%和85%的溶脹水溶液室溫處理4min后，經(jīng)過二氧化錳-硫酸膠體處理，微蝕不同時(shí)間PC板表面的SEM照片如圖3、圖4和圖5所示。

當(dāng)溶脹液中w(DMF)為60%，微蝕10min，PC板表面已經(jīng)有一定的小孔出現(xiàn)［見圖3(a)］。與傳統(tǒng)的溶脹處理相比，有了明顯改進(jìn)，說明DMF的溶脹液對(duì)PC板的溶脹有一定效果。在相同溶脹條件下，隨著微蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，PC板表面微孔的密度也隨之增加，但微孔密度和深度仍顯不足［見圖3(d)］。

圖3 w(DMF)為60%溶脹液中不同微蝕時(shí)間PC板的SEM圖

圖4 w(DMF)為70%溶脹液中不同微蝕時(shí)間PC板的SEM圖

圖5 w(DMF)為85%溶脹液中不同微蝕時(shí)間PC板的SEM圖

當(dāng)溶脹液中w(DMF)為70%，僅微蝕10min，PC板表面已經(jīng)有大量、均勻的、高密度的細(xì)小微孔出現(xiàn)［見圖4(a)］。經(jīng)20min微蝕，PC表面的微孔密度和深度達(dá)到最大［見圖4(b)］極大的改變了表面的粗糙度，微蝕效果非常理想。然后隨著表面粗化時(shí)間的延長(zhǎng)，PC基板表面的微孔密度開始減小，微孔深度也降低，這主要與溶脹效果有關(guān)。通過溶脹處理，使溶脹劑分子很好的進(jìn)入基板的內(nèi)部，使其表面發(fā)生溶脹。而溶脹使得PC基板表面的反應(yīng)點(diǎn)暴露充分，加劇了基板表面粗化劑對(duì)活性點(diǎn)與非活性點(diǎn)的微蝕速率差，從而增加了微蝕后基板表面的粗化度。

當(dāng)溶脹液中w(DMF)為85%時(shí)，僅微蝕10min，PC板表面就出現(xiàn)了大量的、很深的微孔，當(dāng)微蝕時(shí)間增加到20min時(shí)，PC基板表面的微孔直徑變大，微孔密度變小，這是過度微蝕的結(jié)果。上述結(jié)果說明溶脹液中w(DMF)大，使得溶脹后產(chǎn)生的溶脹層很容易被微蝕掉。再通過進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶脹液中w(DMF)為80% ～85%時(shí)，可以使PC表面有效溶脹，達(dá)到最為理想的微蝕效果。

3 結(jié)論

利用環(huán)境友好的硫酸-二氧化錳體系，研究了溶脹組成、溶脹條件對(duì)PC板表面粗化效果的影響。通過對(duì)溶脹、微蝕后PC板表面SEM照片觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)w(DMF)為80% ～85%，PC板在室溫下，經(jīng)過4min的浸泡，可獲得最佳的微蝕效果。

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Effects of Swelling Conditions on Surface Etching for Polycarbonate Substrates

XIA Shu-guang，LI Zhi-xin，WANG Zeng-lin
(School of Chemistry and Materials Science，Shanxi Normal University，Xi＇an 710062，China)

Effects of composition of swelling solution，processing condition and etching time on surface etching for PC substrate were investigated in MnO2-H2SO4colloid system.The surface etching performance was evaluated by SEM observation，when N，N-dimethylformamide concentration was 85%and swelling time was 4 min，satisfied swelling and etching results were obtained at room temperature.

polycarbonate(PC);swelling;surface etching;adhesion strength;MnO2;sulfuric acid

TQ153.3

A

1001-3849(2011)06-0029-04

2011-02-28

2011-04-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(20873080)資助