給電方式對(duì)聚乙烯薄膜電鍍鎳性能的影響

丁祥，靳俊玲，陳紅輝 ，鐘毅，喻鵬

（1.湖南文理學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，湖南 常德 415000; 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128; 3.湖南中鋰新材料有限公司，湖南 常德 415000； 4.湖南金富力新能源股份有限公司，湖南 常德 415000）

隨著高科技電子產(chǎn)品的普及使用，對(duì)人類(lèi)身體健康產(chǎn)生損害的電磁輻射引起人們的關(guān)注，大量研究者開(kāi)始研究如何降低甚至避免電磁輻射對(duì)人體健康的影響[1-4]。表面導(dǎo)電型電磁屏蔽材料能提高導(dǎo)電率和磁導(dǎo)率，增強(qiáng)屏蔽效應(yīng)，具有成本低、屏蔽性好、制備簡(jiǎn)單且應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)[5]。采用立式連續(xù)電鍍方法在有機(jī)高分子薄膜表面沉積金屬層來(lái)作為表面導(dǎo)電型電磁屏蔽材料是當(dāng)前行業(yè)通用的工藝，但立式電鍍想提高生產(chǎn)效率，陽(yáng)極一般就要做得較長(zhǎng)，以增加陰極的導(dǎo)電面積。然而在生產(chǎn)實(shí)踐中，陽(yáng)極在電解液中的實(shí)際有效導(dǎo)電面積往往被忽略，導(dǎo)致電流效率以及鍍層性能出現(xiàn)差異。本文提出一種在現(xiàn)有立式電鍍中將陽(yáng)極等分成兩部分，并且對(duì)每一部分單獨(dú)給電的工藝方法，對(duì)比了端部給電及分布給電時(shí)鍍層的性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

作為陰極的聚乙烯(PE)薄膜(50 cm × 50 cm × 5 μm)由湖南中鋰新材料有限公司提供。陽(yáng)極為鈦籃內(nèi) 裝填5 cm × 5 cm × 10 cm的鎳塊，鈦籃框與陰極的面積比為1∶2。其他試劑均為市售分析純。

1.2 裝置

分布式給電是將端部給電的陽(yáng)極框(如圖1a所示)平均分成兩部分(如圖1b所示)，由兩臺(tái)直流電源分別給陽(yáng)極框給電，兩個(gè)陽(yáng)極框接口之間用屏蔽板進(jìn)行屏蔽，消除陽(yáng)極框的尖端效應(yīng)。

圖1 不同給電方式的陽(yáng)極籃結(jié)構(gòu) Figure 1 Structures of anode baskets in different power supply modes

1.3 樣品制備

采用PVD(物理氣相沉積)工藝在真空度1.0 × 10-2Pa、靶功率10 kW的條件下對(duì)PE薄膜進(jìn)行10 min的鍍鎳導(dǎo)電化處理。將經(jīng)過(guò)導(dǎo)電化處理后的聚乙烯薄膜置于溫度45 ℃、pH 4.5的由180 g/L硫酸鎳、35 g/L氯化鎳和30 g/L硼酸組成的鍍液中電鍍。

1.4 分析測(cè)試

陽(yáng)極面極有效利用率是指陽(yáng)極實(shí)際導(dǎo)電的面積與陽(yáng)極總面積的百分比。如圖2所示，在陽(yáng)極極板上按縱深5 cm的距離，沿水平方向分別測(cè)試左、中、右(與一側(cè)分別距離1、50和100 cm)3個(gè)點(diǎn)位的電流。

圖2 電流測(cè)試點(diǎn)位置示意圖 Figure 2 Schematic diagram showing the sampling points for current measurement

樣品的微觀形貌由TESCAN CLARA掃描電鏡表征；電磁屏蔽效能(SE)采用Agilent-5242A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在頻率1 ～ 6 GHz的范圍內(nèi)測(cè)試[6]；耐腐蝕性能根據(jù)上海辰華604E電化學(xué)工作站測(cè)得的極化曲線(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，電位掃描范圍從-1.8 V到1.0 V，掃描速率1 mV/s，工作電極為鍍鎳PE試樣(暴露面積1 cm2)，對(duì)電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，電解質(zhì)為3%氯化鈉溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 給電方式對(duì)陽(yáng)極電流分布的影響

陽(yáng)極面的不同部位、電極處于鍍槽中不同位置、板面(陰極)與陽(yáng)極的距離不同，板面上的電流密度分布就會(huì)不同。電流密度分布不均勻會(huì)導(dǎo)致鍍層厚度不均[7]。

從圖3可以看出，端部給電在陽(yáng)極上的電流分布呈現(xiàn)沿深度增加而逐步下降的趨勢(shì)，浸入液面距離25 cm后，溶液電阻及陽(yáng)極電阻增大，至陽(yáng)極底部時(shí)，基本沒(méi)有電流分布，而分布給電是將端部給電的陽(yáng)極等分為二之后分別給電，因此在陽(yáng)極上的電流分布較為穩(wěn)定與均勻，有效利用率達(dá)到98.5%。

圖3 給電方式對(duì)陽(yáng)極電流分布的影響 Figure 3 Effect of power supply mode on anodic current distribution

2.2 給電方式對(duì)聚乙烯薄膜鍍鎳層形貌的影響

從圖4可以看出，端部給電所獲得的鍍層顆粒粗大而分散，表面平整度較差，平均厚度為6.7 μm，而分布給電所獲得的鍍層平整、顆粒細(xì)致，平均厚度為6.2 μm。

圖4 給電方式對(duì)聚乙烯薄膜鍍鎳層形貌的影響 Figure 4 Effect of power supply mode on morphology of nickel coating on polyethylene film

2.3 給電方式對(duì)聚乙烯薄膜電磁屏蔽性能的影響

從圖5可以看出，不同的給電方式所獲得的鍍鎳層微觀結(jié)構(gòu)不同，繼而導(dǎo)致導(dǎo)電聚乙烯薄膜的電磁屏蔽效能不同。2種給電方式所獲得的鍍層在5 ～ 6 GHz頻段具有最強(qiáng)的屏蔽效能，在3 ～ 4 GHz頻段內(nèi)的屏蔽效能最弱。但分布給電所獲得的導(dǎo)電聚乙烯薄膜在5 ～ 6 GHz頻段的電磁屏蔽效能平均達(dá)到64 dB，比端部給電時(shí)高出15%。

圖5 給電方式對(duì)鍍鎳聚乙烯薄膜電磁屏蔽效能的影響 Figure 5 Effect of power supply mode on electromagnetic shielding efficiency of nickel-coated polyethylene film

2.4 給電方式對(duì)聚乙烯薄膜鍍鎳層耐蝕性的影響

對(duì)圖6所示的極化曲線(xiàn)進(jìn)行擬合后得出，端部給電方式所得鍍層的腐蝕電位為-0.84 V，腐蝕電流密度為0.059 6 mA/cm2，而分布給電方式的腐蝕電位為-0.80 V，腐蝕電流密度為0.043 6 mA/cm2。這說(shuō)明分布給電方式所得鍍層比端部給電方式所得鍍層更耐腐蝕。

圖6 不同給電方式所得鍍層在3% NaCl溶液中的極化曲線(xiàn) Figure 6 Polarization curves in 3% NaCl solution for the coatings electroplated in different power supply modes

3 結(jié)論

在立式電鍍中，以陽(yáng)極分布式給電替代目前的端部給電方式，可以使陽(yáng)極面積導(dǎo)電更均勻，提高電流效率，并制備出性能更好的導(dǎo)電聚乙烯薄膜。