玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺研究*

1． 陕西工业职业技术学院土木工程学院，陕西 咸阳 712000 2． 西藏民族大学科研处，陕西 咸阳 712000

玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺研究*

王飞龙1刘爱华2

1． 陕西工业职业技术学院土木工程学院，陕西 咸阳 712000 2． 西藏民族大学科研处，陕西 咸阳 712000

研究硫酸镍浓度、钨酸钠浓度、次亚磷酸钠浓度、柠檬酸钠浓度及镀液温度和反应时间对玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺的增重率(镀层沉积速率的表征指标)的影响，然后结合单因素试验结果，并通过正交试验，确定了玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺的最优镀液配方和工艺参数。

玻璃纤维，化学镀Ni-W-P，工艺

电磁污染被世界卫生组织列为继水源、大气、噪声之后的第四大污染源。镀金属玻璃纤维具有导电性好、密度小、成本较低、容易加工成型等特点，可以应用在耐高温、耐腐蚀的特殊工作环境，是一种极具发展前景的电磁屏蔽材料，在催化载体材料方面也有较大的应用潜力。玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺，具有结合力强、硬度高、耐腐蚀性和耐磨性好等优点，工艺上具备成本低廉、设备简单、操作灵活等特点，因此在新型复合导电与电磁波屏蔽涂料的功能填料等方面都有广泛的应用。本文对玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺进行探讨，旨在优化化学镀工艺技术，扩宽该工艺的应用领域，以期产生更好的社会和经济效益。

1 化学镀

纤维表面金属化处理的化学方法包括化学镀和电镀[1]。化学镀又称“自催化镀”，是利用适当的还原剂，使溶液中的金属离子在具有催化活性的材料表面进行还原的过程。化学镀实质上是一个在催化条件下发生的有电子转移但无外电源的氧化还原反应过程[2]。

与电镀相比，化学镀具有许多优点，如镀层的分散能力特别好[3]，过程中不需要外加电源，流程简单，操作便捷，且镀层均匀、孔隙率低、外观良好，而且能在塑料、陶瓷等多种非金属基体上沉积[4]。

2 化学镀Ni-W-P

化学镀Ni-W-P是利用强还原剂的氧化，使镍离子还原成金属Ni，钨酸根离子还原成W，次亚磷酸钠提供P原子，形成三元合金镀层，其反应过程：

还原反应

Ni2++2e=Ni

(1)

(2)

(3)

氧化反应

(4)

当把镀件置入镀液中时，表面能较高的原子将优先吸附和沉积其他原子、原子团等，使系统能量降低。本试验镀液中，Ni原子诱导W原子与之产生共沉积，此时P原子被还原，继而在镀件表面产生3种 元素的共沉积。

化学镀Ni-W-P镀层具有良好的热稳定性和耐磨性，且硬度高，熔化温度也较高，能够适用于较高温度的工作条件，同时在酸性环境中可作为防护性镀层[5]。在高温高湿条件下，化学镀Ni-W-P镀层的稳定性也较好，因其可降低电力消耗，一般用作点接触点材料或热传感器的测头。

3 试验部分

3.1试验材料

原材料：玻璃纤维长丝，135 tex，陕西华特玻璃纤维有限公司生产。主盐：硫酸镍，钨酸钠。还原剂：次亚磷酸钠。络合剂：柠檬酸钠。蒸馏水、稳定剂、缓冲剂等。

3.2镀液配制

镀液配制的具体步骤[6]：

(1) 用少量蒸馏水或去离子水分别溶解事先称取的主盐、还原剂、络合剂、缓冲剂等；

(2) 将完全溶解的主盐溶液倒入络合剂溶液中；

(3) 将完全溶解的还原剂溶液混入步骤(2)配制的溶液中；

(4) 依次将稳定剂溶液、缓冲剂溶液倒入步骤(3)配置的溶液中；

(5) 用蒸馏水或去离子水稀释上述溶液至计算体积；

(6) 调节溶液pH值；

(7) 过滤溶液；

(8) 取样，化验合格，备用。

3.3工艺流程

除油→粗化→敏化→活化→化学镀→水洗。

3.4工艺条件

试验拟采用的工艺条件见表1。

表1 工艺条件

3.5镀层沉积速率测试

试验采用称重法测试镀层沉积速率(以下简称“镀速”)，因此使用增重率(δ)来表征镀速，其算式[7]：

式中：δ为增重率，%；

W1为化学镀前镀件质量，g；

W2为化学镀后镀件质量，g。

4 结果分析与工艺优化

4.1镀液主要成分对增重率的影响

镀液主要成分指硫酸镍、钨酸钠、次亚磷酸钠和柠檬酸钠，它们的浓度对增重率的影响较大，下面重点分析这几种主要成分的浓度对增重率的影响规律。

4.1.1 硫酸镍浓度、钨酸钠浓度对增重率的影响

硫酸镍和钨酸钠为玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺的主盐。镀层中的Ni由硫酸镍还原生成，而镀层中的W由钨酸钠还原生成。硫酸镍浓度对增重率的影响如图1所示。钨酸钠浓度对增重率的影响如图2所示。

图1 硫酸镍浓度对增重率的影响

图2 钨酸钠浓度对增重率的影响

从图1可以看出，当硫酸镍浓度小于23.000 g/L时，随着浓度增加，增重率逐渐增大；当硫酸镍浓度大于23.000 g/L时，增重率开始减小，而且在该浓度附近，镀层光亮细致。因此，硫酸镍浓度宜控制在18.000～24.000 g/L。

从图2可以看出，随着钨酸钠浓度的增加，增重率不断增大，当钨酸钠浓度大于34.000 g/L时，增重率明显减小。钨酸钠浓度在一定范围内增加时，对镀液稳定性没有影响，但是其浓度继续增加，镀液稳定性变差，其反应能力也下降。因此，钨酸钠浓度应保持在28.000～34.000 g/L。

4.1.2 次亚磷酸钠浓度、柠檬酸钠浓度对增重率的影响

次亚磷酸钠既是玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺的还原剂，也是镀层中P的来源。次亚磷酸钠浓度对增重率的影响如图3所示。柠檬酸钠是玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺的络合剂，对反应过程有重要作用。柠檬酸钠浓度对增重率的影响如图4所示。

从图3可以看出，随着次亚磷酸钠浓度的提高，增重率持续增大，当次亚磷酸钠浓度大于24.000 g/L时，增重率的增加速率开始减小，但仍保持上升趋势。大量试验表明，随着次亚磷酸钠浓度的不断提高，镀层中P的含量也不断增加，W与Ni的含量则减少。因此，次亚磷酸钠浓度以20.000～24.000 g/L为宜。

从图4可以看出，随着柠檬酸钠浓度的提高，增重率不断增大，当柠檬酸钠浓度为35.000 g/L左右时，增重率达到一个最高值，并开始降低。因此。柠檬酸钠浓度以32.000～38.000 g/L为宜。

4.2工艺参数对增重率的影响

镀液温度对增重率的影响如图5所示。反应时间对增重率的影响如图6所示。

图5 镀液温度对增重率的影响

图6 反应时间对增重率的影响

由图5可以看出，镀液温度从45 ℃升高到90 ℃，增重率呈现持续增长趋势；当镀液温度低于75 ℃时，增重率增加速率较快；当镀液温度高于75 ℃时，增重率变化较小。镀液温度较高时，镀液稳定性变差，同时镀层的致密度下降，镀层的沉积速率也趋于稳定。因此，玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺过程中，镀液温度应控制在70 ℃左右。

从图6可以看出，随着反应时间的延长，增重率也呈现持续增长趋势，即镀层厚度逐渐增加，尤其是初始阶段，增重率增加速率较快，几乎呈直线增加，但是当镀液反应达到一定程度时，增重率增加幅度减小。因为随着反应的不断进行，镀液中游离镍离子不断减少，还原剂的量也不断减少，反应就变得非常缓慢，此时继续反应，镀层厚度也不会有太大的变化。因此，反应时间确定在60 min左右。

4.3玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺优化

为得到较优的玻璃纤维化学镀Ni-W-P镀液配方，以上述试验结果为依据，确定镀液的主要成分(即硫酸镍、钨酸钠、次亚磷酸钠、柠檬酸钠)浓度为影响因素，每个因素选取3个水平进行正交试验，以增重率作为玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺质量的考核指标。正交试验因素水平设计及正交试验结果分别见表3、表4。

表3 正交试验因素水平设计

表4 正交试验结果

通过对表4中数据的分析，得出玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺的最优镀液配方为A2B2C3D2。结合单因素试验结果，玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺优化结果见表5。

表5 玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺优化结果

5 结语

考虑镀速(增重率)和成本等因素，采用单因素试验和正交试验相结合的方法，确定玻璃纤维化学镀Ni-W-P工艺的最佳镀液配方及工艺参数：硫酸镍浓度22.000 g/L，钨酸钠浓度30.000 g/L，次亚磷酸钠浓度24.000 g/L，柠檬酸钠浓度34.000 g/L，硫酸氨浓度29.000 g/L，乳酸浓度5.000 g/L，醋酸铅浓度0.008 g/L，镀液温度(70±2)℃，反应时间(60±1)min，镀液pH值7.0。

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Study on electroless Ni-W-P plating process for glass fibers

WangFeilong1，LiuAihua2

1. School of Civil Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang, 712000，China；2. Research Department, Xizang Minzu University, Xianyang, 712000,China

Effects of concerntrations of nickel sulfate, sodium tungstate, hypo sodium phosphate and lemon acid sodium, as well as temperature of plating solution and reaction time on the mass gain rate(identification index for deposition rate) of electroless Ni-W-P plating process for glass fibers, were studied. Then, in combination with the results of single-factor experiment, the best formula of plating solution and process parameters of the electroless Ni-W-P plating process for glass fibers were determined through the orthogonal experiment.

glass fiber, electroless Ni-W-P plating, process

*2016年西藏自治区自然科学基金(2016ZR-MY-08)

2017-03-24

2017-04-20

王飞龙，男，1982年生，助教，主要研究方向为功能性纺织品的开发

TQ153.2

A

1004-7093(2017)10-0032-05