電沉積非晶態(tài)鎳磷合金柔性電磁屏蔽織物的制備及其性能研究

蘇 毅

(江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 529090)

隨著電子產(chǎn)品的日益普及，電磁波幾乎覆蓋了人類所有的工作生活場所，電磁輻射污染嚴(yán)重危害人類的生活，國際上把它稱為是繼水污染、空氣污染和噪聲污染后的第四大污染，因此有關(guān)電磁防護(hù)產(chǎn)品的屏蔽性能研究也逐漸成為研究的的熱點(diǎn)。電磁屏蔽織物不僅具有紡織品原有的彈性、透氣性、柔軟性、耐折疊性等特性，同時(shí)還具有金屬材料的光澤、導(dǎo)電性、電磁屏蔽性等功能，成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。材料表面金屬化的方法主要包括物理法和化學(xué)法，后者由于鍍層均勻、厚度可控、設(shè)備簡單且操作方便，具有良好的實(shí)用性。目前已有研究將銅、鎳、銀等金屬通過化學(xué)鍍的方法鍍覆在滌綸、尼龍等紡織品上而獲得導(dǎo)電織物，其電磁屏蔽效能可達(dá)30～70 dB。由于銅的電導(dǎo)率僅次于銀，價(jià)格又較銀低，是制備高頻區(qū)電磁屏蔽織物鍍層的首選金屬。為了提高電磁屏蔽效果并防止銅的氧化，也有研究利用化學(xué)鍍技術(shù)制備銅鎳合金鍍層作為電磁屏蔽材料，即采用在鍍銅織物上再鍍鎳的雙層鍍技術(shù)。

非晶態(tài)合金材料是20世紀(jì)后期材料科學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展的一種新型材料，是亞穩(wěn)態(tài)金屬及其合金材料的一個(gè)重要組成部分。由于其具有較高的硬度和耐蝕性、優(yōu)異的耐磨性、高獨(dú)特的磁性能及電催化析氫性能，已引起越來越多的人們關(guān)注。目前工業(yè)上制取非晶態(tài)鎳磷合金鍍層基本上采用化學(xué)鍍方法，而用電鍍法制備非晶態(tài)鎳磷合金的研究相對(duì)較少，本文通過對(duì)電鍍非晶態(tài)鎳磷合金工藝進(jìn)行探究，以期對(duì)工業(yè)應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 滌綸織物

規(guī)格：滌塔夫290T；密度(單位：根/10cm)：51/63；樣品面積：10 cm×10 cm。

1.2 藥品

氫氧化鈉、次亞磷酸鈉、銅鹽、高分子溶液、交聯(lián)劑、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、EDTA鈉鹽、甲醛、亞鐵氰化鉀、硫酸鎳、硼酸、氯化鎳、次亞磷酸鈉，均為分析純，所用水為去離子水。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器與裝置

圖1 預(yù)處理和化學(xué)鍍裝置示意圖

電熱恒溫水浴箱(上海醫(yī)療機(jī)械五廠)、DHG-9140A電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海恒科學(xué)儀器有限公司)、JA2003N電子天平(上海菁海儀器有限公司)、SNE-3000MB可移動(dòng)臺(tái)式電子顯微鏡(韓國SEC公司)、DR-913織物防電磁輻射性能測試儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)。

1.4 測試方法

1.4.1 表面形貌

掃描電鏡分析(電壓為10 kV)，將樣品置于雙面膠上，在真空條件下噴金后進(jìn)行SEM分析，比較鍍前后的織物表面形態(tài)變化。

1.4.2 結(jié)合力(透明膠帶測試法)

①把測試樣品放在橡膠墊上；

②把聚酯膠帶粘在測試樣品上；

③用2 kg滾柱在聚酯膠帶上面往返摩擦10次；

④用滾柱來回擦10次測試樣品后立刻從測試樣品上慢慢剝掉聚酯膠帶；

⑤根據(jù)被粘在膠帶上的金屬粉末多少來評(píng)價(jià)金屬與基體結(jié)合力。從低到高分為1～5 個(gè)等級(jí)。

圖2 金屬鍍層與基體結(jié)合力測試裝置

圖3 金屬鍍層與基體結(jié)合力測試評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.4.3 電磁屏蔽效能(SE)分析

對(duì)放置于織物防電磁輻射性能測試儀中的織物在300 kHz～3000 MHz頻率范圍內(nèi)測試其電磁屏蔽效能。

1.5 工藝過程

基材水洗除油→粗化→活化→化學(xué)鍍銅→電鍍鎳磷合金

1.5.1 滌綸織物堿性條件下除油

利用熱堿溶液對(duì)油脂的皂化和乳化作用，去除滌綸織物表面的污漬和油脂，工藝如下：氫氧化鈉15 g/L，70℃處理20～30 min。去油后的樣品，用自來水清洗干凈后，進(jìn)入下一道粗化工序。

1.5.2 滌綸織物堿減量(粗化)

為加大滌綸織物表面的微觀粗糙程度、接觸面積和親水性能，保證鍍層有良好的附著力，提高金屬與織物表面的結(jié)合強(qiáng)度，通過堿減量加工改變織物表面的微結(jié)構(gòu)和聚合物分子的化學(xué)性質(zhì)，在該表面上形成極性基，使表面成為親水性，具體工藝為：氫氧化鈉200 g/L，60℃處理30 min。

1.5.3 活化

為使織物表面吸附數(shù)量足夠的具有催化能力的“核”，作為化學(xué)鍍中誘發(fā)次亞磷酸鈉氧化的催化中心，使得化學(xué)鍍自發(fā)進(jìn)行。具體工藝：銅鹽25 g/L、高分子溶液20 g/L、交聯(lián)劑5 g/L，混合攪拌30 min制得均勻分散的“銅-高分子溶膠”，將上述處理干凈的織物浸漬于配置好的溶膠中30 min，二浸二軋(壓力為3 kg/cm2)，烘干(70℃×30 min)。

1.5.4 化學(xué)鍍銅

將活化處理后的織物處于硫酸銅(主鹽)16 g/L、酒石酸鉀鈉(絡(luò)合劑)14 g/L 、EDTA鈉鹽(絡(luò)合劑)20 g/L、氫氧化鈉15 g/L、甲醛(還原劑)15 g/L、亞鐵氰化鉀10 mg/L的鍍液中45℃處理，待織物表面形成一層金屬鍍層后用蒸餾水清洗干凈。布面呈現(xiàn)均勻的桔紅色，泛有金屬光澤。

1.5.5 電鍍鎳磷合金

在硫酸鎳(主鹽)260 g/L、硼酸(緩沖劑)30 g/L、氯化鎳(導(dǎo)電鹽)40 g/L、次亞磷酸鈉(磷化劑)60 g/L的電鍍槽中，以金屬鎳板為陽極，已經(jīng)活化鍍銅后的織物為陰極，在電流密度1.11 A/dm2、pH值2～3，50℃下處理10 min后，即得到電沉積在滌綸織物表面的合金鍍層。

2 基本原理

2.1 以甲醛為還原劑的化學(xué)鍍基本沉積原理和反應(yīng)過程

陽極反應(yīng)：2HCHO+4OH-→HCOO-+ H2+2H2O+2e

陰極反應(yīng)：Cu2++2e→Cu

總反應(yīng)：Cu2++ 2HCHO+4OH-→Cu+2HCOO-+H2+2H2O

此過程中，除了Cu2+在催化表面被甲醛還原成金屬銅進(jìn)行有效的表面化學(xué)反應(yīng)之外，還存在許多副反應(yīng)。這些副反應(yīng)不僅消耗了鍍液中的有效成分，而且產(chǎn)生了氧化亞銅和金屬銅微粒從而造成鍍層疏松粗糙，甚至引起鍍液自發(fā)分解。

2.2 鎳磷合金電沉積機(jī)理

電鍍鎳磷合金屬于誘導(dǎo)共沉積，磷元素不會(huì)單獨(dú)從水溶液中析出。電鍍鎳磷合金的沉積機(jī)理分為直接沉積機(jī)理和間接沉積機(jī)理兩種。

直接沉積機(jī)理是由Brenner于1963年提出的，反應(yīng)歷程為：

H3PO3+3H++3e→P+ 3H2O (1)

Ni2++2e-→Ni (2)

2H++2e-→H2(3)

Brenner認(rèn)為以上三個(gè)反應(yīng)是同時(shí)發(fā)生的，反應(yīng)產(chǎn)生的吸附態(tài)鎳原子與磷原子之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用從而形成具有一定化學(xué)計(jì)量比的Ni-P合金鍍層。

間接沉積機(jī)理認(rèn)為亞磷酸的電化學(xué)還原取決于氫離子的還原和氣態(tài)中間產(chǎn)物PH3的形成，反應(yīng)歷程如式(4)～(6)所示：

6H++ 6e-→6H (4)

H3PO3+ 6H→PH3+ 3H2O (5)

2PH3+ 3Ni2+→2P+ 3Ni+ 6H+(6)

也有研究者認(rèn)為在不同pH值(分別為1.5和4)下，非晶態(tài)鎳磷合金的電沉積機(jī)理不完全相同，過程更為復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。

3 實(shí)驗(yàn)效果

3.1 SEM圖

圖4 290T滌綸織物SEM照片 圖5 織物去油及粗化后的 SEM 照片

3.2 電磁屏蔽效能對(duì)比

表1 電磁屏蔽效能對(duì)比一覽表

在0.3～3000 MHz頻率范圍內(nèi)，鍍銅織物和鍍銅/Ni-P金屬織物的電磁屏蔽效能均大于70 dB，屏蔽效果優(yōu)良；在0.3～600 MHz頻率范圍內(nèi)，復(fù)合鍍金屬織物的電磁屏蔽效能明顯高于鍍銅織物。這推測主要是由于鎳磷合金導(dǎo)磁性高，根據(jù)電磁屏蔽的原理，在頻率低時(shí)能增大金屬織物的磁屏蔽性能，從而能夠有效地產(chǎn)生吸收損耗。