桐木板材表面化學(xué)鍍鎳工藝的研究

劉西德

（曲阜師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山東 曲阜 273165）

桐木板材作為普通的材料，在建筑、裝飾等方面有著廣泛的用途，具有金屬、塑料等其他材料無法比擬的資源優(yōu)勢和環(huán)境友好特性。但由于木材自身變異性大，易腐，易燃，抗靜電性能弱，不導(dǎo)電，電磁屏蔽效果差等特點(diǎn)，使得桐木板材的應(yīng)用范圍受到限制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，木材功能性表面改性技術(shù)也取得了較大的發(fā)展，由原來的阻燃、防蟲蛀、抗裂、防變形等性能改良，逐漸發(fā)展為在此基礎(chǔ)上注重賦予木材某些特殊功能。利用化學(xué)鍍技術(shù)在木材表面沉積一層金屬[1-2]，改變木材表面的導(dǎo)電性能，制造木材金屬復(fù)合材料，不但可以保持木材本身所特有的表面裝飾效果及溫度調(diào)節(jié)、隔音、濕度調(diào)節(jié)等性能，還具有令人滿意的電性能，并具有很高的強(qiáng)重比。改變木材本身所不具備的屏蔽電磁波等性能，拓寬木材的應(yīng)用范圍及利用效果，木材金屬復(fù)合材料作為新一代功能性材料必將具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和新的應(yīng)用領(lǐng)域。

化學(xué)鍍主要是利用適宜的還原劑使溶液中的金屬離子在催化劑活化表面還原析出成金屬鍍層的一種化學(xué)處理方法?；瘜W(xué)鍍的沉積過程是液相離子通過溶液中的還原劑在金屬或其他材料表面上的還原沉積?；瘜W(xué)鍍的關(guān)鍵是還原劑的選擇和應(yīng)用，最常用的還原劑是次亞磷酸鈉和甲醛，近年來又逐漸采用其他多種還原劑如肼、硼氫化物、胺基硼烷和它們的衍生物等。實(shí)際上，化學(xué)鍍是一種無外加電場的電化學(xué)過程，由于具有鍍層均勻、硬度高、耐磨、耐腐蝕性好、操作方便等優(yōu)良的特性，越來越被廣泛應(yīng)用[3-5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

氯化鎳，次亞磷酸鈉，檸檬酸鈉，氯化氨，氯化鈀，氯化亞錫，鹽酸，錫粒，氨水，無水乙醇（均為分析純）。

JSM-6700F 型冷場掃描電鏡（FSEM），QZ77-101 遠(yuǎn)紅外輻射干燥箱，F(xiàn)A2004N 光電天平，CS501型超級恒溫水浴器，PHSJ-4A 型pH 計(jì)。

1.2 桐木板材表面預(yù)處理

首先將桐木板材表面的木屑、灰塵清洗除去，由于桐木板材表面存在一些脂溶性成分，會(huì)對鍍層質(zhì)量及鍍層與鍍件之間的結(jié)合力產(chǎn)生不利影響，因此施鍍前需用溶劑將桐木板材表面的脂溶性物質(zhì)除去。使用苯醇混合溶劑（苯∶乙醇=2∶1）在室溫條件下浸泡桐木板材20min，將脂溶性成分溶解除去，然后洗凈、烘干，避免對鍍層產(chǎn)生影響。

1.3 敏化和活化處理

桐木板材在進(jìn)行化學(xué)鍍鎳時(shí)，其表面必須具有催化活性中心，在化學(xué)鍍鎳過程中才能起到催化作用，加速鎳離子在桐木板材表面的沉積。要使桐木板材表面具有催化活性中心，必須對其進(jìn)行敏化和活化處理[6]。敏化就是使非金屬表面吸附一些易氧化的物質(zhì)；活化處理就是將此吸附有還原劑的鍍件浸入含有氧化劑即貴金屬離子的溶液中，使貴金屬析出在鍍件表面上形成催化活性中心。

敏化劑溶液：取10.2g 氯化亞錫溶解于40mL 濃鹽酸中，然后加入蒸餾水稀釋至1000mL。為防止Sn2+被氧化成Sn4+,溶液中需放入一些錫粒。

活化液：取氯化鈀0.22g 溶解于2.5mL 濃鹽酸中，并加蒸餾水稀釋至1000mL。

敏化處理是將預(yù)處理過的桐木單板放入敏化液中，在30℃的恒溫條件下，敏化處理10min,并不斷攪拌，然后水洗。將敏化處理過的鍍件放入活化液中，在30℃恒溫條件下處理10min, 并不斷攪拌，然后水洗干凈即可。

1.4 桐木板材表面化學(xué)鍍鎳

將經(jīng)過敏化、活化處理的桐木板材置于一定溫度恒溫槽內(nèi)的鍍鎳容器中，倒入鍍鎳溶液并用氨水調(diào)整鍍液的pH 值，化學(xué)鍍鎳即可開始。鍍鎳過程中每隔10min 攪拌1 次，施鍍時(shí)間控制在40min 左右，然后取出鍍件，經(jīng)水洗后烘干并稱重。

鍍液組成：分別稱取氯化鎳(NiCl2·6H2O)、次亞磷酸鈉(NaH2PO2·H2O)、檸檬酸鈉(C6H5Na3O7·2H2O)、氯化氨(NH4Cl)，溶解于1000mL 蒸餾水中即可。

2 結(jié)果與討論

2.1 桐木板材表面化學(xué)鍍鎳的結(jié)構(gòu)表征

實(shí)驗(yàn)條件：加速電壓5.0kV，加速電流10μA，工作距離7.0mm，分辨率為微米級。由圖1 可知，木板表面形成了一層致密而且均勻的Ni-P 合金鍍層，鍍層結(jié)晶細(xì)致、平整光亮。在掃描電鏡下可以看到桐木板材表面已經(jīng)完全均勻地被金屬包裹，表面形成了光亮的金屬鍍層。

圖1 桐木單板表面化學(xué)鍍鎳電鏡掃描圖

2.2 鍍液pH 值對鍍層質(zhì)量的影響

鍍鎳溶液的pH 值對鎳的沉積速度影響較大。隨著鍍液pH 的增加，H2PO2-的還原能力增強(qiáng)，因此鎳在桐木板材表面的沉積速度加大，隨著pH 值的升高，鍍層質(zhì)量先增加后降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鍍液pH 值過高，會(huì)使鍍層變得灰暗、粗糙，鍍層結(jié)構(gòu)松散，鍍層與基體之間結(jié)合力較弱，鍍層易脫落。這是由于過高的pH 值會(huì)使鍍液分解，容易出現(xiàn)混濁，從而降低了次亞磷酸鈉的還原能力，且鍍層夾帶的鍍液沉淀物共沉積，影響了鍍層的質(zhì)量。桐木板材表面化學(xué)鍍鎳的最佳pH 值控制在8.0 左右為宜。

表1 65℃時(shí)鍍液不同pH 值對鍍件質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 鍍液溫度對鍍層質(zhì)量的影響

桐木板材表面化學(xué)鍍鎳過程中，溫度對鍍層質(zhì)量的影響較大。在敏化、活化、化學(xué)鍍鎳過程中，溫度都必須嚴(yán)格控制。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)可知敏化、活化過程溫度應(yīng)控制在30℃左右。溫度低于15℃時(shí)，敏化、活化效果不好；溫度較高時(shí)，鍍層質(zhì)量差且不均勻?；瘜W(xué)鍍鎳過程中提高溫度，有利于鍍鎳反應(yīng)的進(jìn)行，鎳的沉積速度加快；若溫度過高，鍍層質(zhì)量反而下降。這是因?yàn)闇囟冗^高時(shí)，鍍液揮發(fā)性增加，鍍液不穩(wěn)定，容易氧化分解而出現(xiàn)渾濁。這時(shí)鍍層變得粗糙，出現(xiàn)針孔和皺褶，金屬鍍層與桐木板材之間的結(jié)合力變小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，桐木板材表面化學(xué)鍍鎳的溫度控制在65℃為宜。

表2 pH 為8.0 時(shí)不同溫度下鍍件質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 鍍液主鹽濃度對鍍層質(zhì)量的影響

桐木板材化學(xué)鍍鎳過程中，氯化鎳作為化學(xué)鍍鎳的主鹽，在鍍液中提供反應(yīng)生成金屬鎳的來源，其濃度對于鍍層質(zhì)量及鍍層之間的結(jié)合力影響較大。氯化鎳濃度過小，則無法提供足夠的金屬鎳離子進(jìn)行施鍍反應(yīng)；濃度過大，容易造成金屬鎳的沉積速度較快結(jié)合力較弱，而且鍍液中還容易形成氫氧化物沉淀，使得鍍液的穩(wěn)定性變差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NiCl2·6H2O 的濃度控制在45g·L-1左右為宜。

2.5 絡(luò)合劑對鍍層質(zhì)量的影響

化學(xué)鍍鎳過程中絡(luò)合劑具有重要的作用，絡(luò)合劑與鎳離子生成鎳絡(luò)合物，可降低游離鎳離子的濃度，防止沉積速度過快和在進(jìn)行化學(xué)鍍后期由于溶液中亞磷酸離子的積累，與游離的鎳離子結(jié)合生成亞磷酸鎳白色沉淀，同時(shí)還防止在堿性溶液中由于鎳離子濃度過大造成的氫氧化鎳沉淀。鍍液中絡(luò)合劑的用量對于鍍層質(zhì)量具有較大的影響，化學(xué)鍍鎳可使用的絡(luò)合劑種類較多，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水楊酸及酒石酸作為絡(luò)合劑時(shí)，鎳的沉積速度較小而沒有實(shí)用價(jià)值，在桐木板材化學(xué)鍍鎳過程中檸檬酸鈉作為絡(luò)合劑效果較好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明檸檬酸鈉絡(luò)合劑的用量控制在45g·L-1為宜。

表3 鍍液溫度65℃、pH 為8.5 時(shí)不同主鹽濃度時(shí)鍍件質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 絡(luò)合劑不同用量對鍍層質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

桐木板材化學(xué)鍍鎳的試驗(yàn)，有許多工作值得認(rèn)真探索和嘗試，雖然經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，確定了桐木板材表面化學(xué)鍍鎳的工藝流程和控制條件，但是實(shí)驗(yàn)的許多方面還需要進(jìn)一步的研究。隨著研究的深入和加強(qiáng)，桐木板材化學(xué)鍍鎳技術(shù)必將更加完善，桐木板材金屬復(fù)合材料的應(yīng)用前景將更加廣泛，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值會(huì)得到充分的體現(xiàn)。

[1] 王立娟，李堅(jiān).木材化學(xué)鍍鎳工藝學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2007：43-49.

[2] 胡信國，張欽京.化學(xué)鍍鎳技術(shù)的新進(jìn)展[J].新技術(shù)新工藝，2001(2): 35-37.

[3] 田從學(xué)，楊東平.化學(xué)鍍Ni-Cu-P 添加劑的研究[J].電鍍與環(huán)保，2002，22(6)：12-14.

[4] 劉西德，崔培英.陶瓷材料表面化學(xué)鍍鎳[J].化學(xué)世界，2006，47(1)：54-56.

[5] 劉鐵虎，王毅堅(jiān).一種高速化學(xué)鍍Ni-Cu-P 合金工藝[J].表面技術(shù)，2000，29(6)：43-46.

[6] 劉西德，李修善.橡膠表面化學(xué)鍍鎳[J].應(yīng)用化學(xué)，2006，23(1)：113-114.

[7] 李鵬，黃英，黃濤，等.非金屬材料化學(xué)鍍鎳工藝與鍍層性能研究[J].應(yīng)用化工，2003，32(5)：1-5.

[8] 李鵬，黃英，熊佳，王琦潔.玻璃纖維化學(xué)鍍Ni-Fe-P合金的研究[J].功能材料，2005，36(2)：263-266.

[9] 楊連威，姚廣春，王東署.碳纖維鍍銅及其對銅基復(fù)合材料界面影響[J].化工學(xué)報(bào)，2005，56(7)：1343-1348.