涤纶织物纳米碳化锆复合镀Ni-P镀层

【简介】

涤纶织物纳米碳化锆复合镀Ni-P镀层

张辉，冯义威

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安710048)

摘要：采用化学复合镀技术，实现了涤纶织物纳米碳化锆酸性、碱性复合镀Ni-P。借助扫描电镜、X射线能谱仪、X射线衍射仪和热重分析仪对镀层表面形貌、成分、结构以及织物热性能进行了研究，并测试了化学镀织物的电磁波屏蔽效能和耐磨性能。结果表明：酸性化学镀Ni-P为无定形态，加入吐温80后向结晶态转变，为典型的纳米晶结构，加入纳米碳化锆后无定形态有所增强；碱性化学镀Ni-P为纳米晶结构，加入吐温80后衍射峰强度明显减弱，加入纳米碳化锆后衍射峰强度又有所增强。涤纶织物经过酸性、碱性化学镀Ni-P和纳米碳化锆复合镀Ni-P后，热起始分解温度都有所降低。随着纳米碳化锆的质量浓度的增加，酸性和碱性复合镀Ni-P织物的电磁波屏蔽效能逐渐减小。较普通化学镀Ni-P织物，酸性纳米碳化锆复合镀 Ni-P织物的耐磨性变差，而碱性纳米碳化锆复合镀Ni-P织物的耐磨性变好。

关键词：涤纶织物；纳米碳化锆；化学复合镀Ni-P

中图分类号：TQ 153    文献标识码：A    文章编号：1000-4742(2011)02-0022-04

0前言

以往使用海藻酸钠来分散纳米碳化硅、二氧化锡和氧化锌微粒，并将其添加到化学镀镍液中对涤纶织物进行复合镀Ni-P^[1-3]。研究结果表明：纳米粉体的种类对镀层结构、耐磨性和电磁波屏蔽效能都会产生不同程度的影响，但未对酸性和碱性化学镀Ni-P工艺进行深入地研究。因此本文使用分散荆吐温80对纳米碳化锆微粒进行分散，然后再对涤纶织物分别进行酸性、碱性纳米碳化锫微粒复合镀 Ni-P，比较了化学镀Ni-P织物的耐磨性、导电性和电磁波屏蔽效能。

1  实验

1.1实验材料

织物选用未染色涤纶平纹织物，经、纬纱线线密度为8×8 tex，经纬纱密度为380×310根/10 cm。   

化学试剂有：硫酸镍，次磷酸钠，柠檬酸钠，无水乙酸钠，氯化铵，硫酸，氨水，吐温80，以上试剂均为分析纯；纳米碳化锆微粒（合肥开尔纳米技术发展有限责任公司），平均粒度<50 nm，纯度>99．O%。

1.2  实验方法

1.2.1镀液配方

(1)酸性化学镀Ni-P

硫酸镍30 g/L，次磷酸钠25 g/L，柠檬酸钠5.5g/L，无水乙酸钠6 g/L，pH值4.5（硫酸调节），80℃。

(2)碱性化学镀Ni-P

硫酸镍30 g/L，次磷酸钠30 g/L，柠檬酸钠20 g/L，氯化铵25 g/L，pH值9（氨水调节），60℃。

1.2.2  涤纶织物纳米碳化错复合镀Ni-P

首先将一定量的纳米碳化锆微粒分散在2.0 g/L的吐温80溶液中，超声波振荡30 min，配制成1．O g/L的纳米分散液；然后分别向酸性、碱性化学镀Ni-P液中添加30 mL/L，60 mL/L，90 mL/L，120 mL/L和150 mL/L的纳米分散液，不添加以及仅添加吐温80分散剂溶液150 mL/L，以制备相同增重率（酸性84%～88%，碱性91 %～93%）、不同纳米添加量的化学复合镀Ni-P织物；另外，向酸性镀镍液中添加90 mL/L的纳米分散液，以制备不同增重率、相同纳米添加量的化学复合镀Ni-P织物。

1.3表征与测试

1.3.1镀层表面形貌和成分分析

用JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜观察织物镀层表面形貌，并用扫描电镜配备的X射线能谱仪(Oxford INCA)对镀层元素进行分析。

1.3.2镀层结构分析

用XRD-7000S型X射线衍射仪对镀层结构进行分析，管电压40 kV，管电流40 mA，扫描范围30⁰～90⁰，扫描速率10⁰/min，扫描步长0.02⁰。

1.3.3热性能分析

用TGA/SDTA851e型热重分析仪测定化学镀织物的热失重曲线，氮气流量30 mL/min，升温速率10℃/min，温度范围35～800℃。

1.3.4  电磁波屏蔽效能测试

用防电磁波辐射测试仪测定化学镀织物的电磁波屏蔽效能，测试范围2 250～2 650 MHz，试样工作尺寸为10 cm×6 cm，电磁波屏蔽效能的计算方法，如公式(1)所示：

    (1)

式中：E₀和E₁表示入射和透射的电场强度；H₀和 H₁表示入射和透射的磁场强度；W₀和W₁表示入射和透射的功率。

1.3.5表面比电阻测试

将织物剪成10 cm×1 cm的长条形试样，用 VC 9806+型数字万用表测量织物两端的电阻R_s，正、反两面取平均值，每种试样测试3块取平均值，表面比电阻计算方法，如公式(2)所示：

   (2)

式中：h为两电极之间试样夹持的宽度；L为两电极之间试样夹持的长度。

1.3.6耐磨性能测试

用YG (B) 401D型全自动织物平磨仪，参照 FZ/T60012-93标准测定化学镀织物的耐磨性。磨料选用涤纶织物，平磨500次后用DS-Ril型数码显微成像系统观察织物表面的磨损情况。

2  结果与讨论

2.1  镀层表面形貌分析

利用扫描电镜分别观察了涤纶织物酸性、碱性化学镀Ni-P、分散剂吐温80对镀层的影响及纳米分散液的体积分数分别为30 mL/L和150 mL/L时所得复合镀Ni-P织物的表面形貌。由实验结果可知：化学镀镍液中添加分散剂吐温80或纳米分散液后对酸性、碱性化学镀Ni-P织物镀层的表面形貌没有明显影响；与酸性化学镀Ni-P织物相比，碱性化学镀Ni-P织物表面镀层相对比较光滑、洁净。

2.2镀层成分分析

表1为酸性和碱性化学镀Ni-P、纳米碳化锆复合镀Ni-P(纳米分散液的体积分数为150 mL/L)织物的X射线能谱测试结果。由表1可知：酸性化学镀Ni-P镀层中磷元素的质量分数明显大于碱性化学镀Ni-P的，酸性、碱性纳米碳化锆复合镀Ni-P镀层中都含有少量的纳米碳化锆微粒。

2.3镀层结构分析

图1为化学镀Ni-P织物的X射线衍射谱图。由图l(a)可知：酸性化学镀Ni-P在2θ=45⁰左右出现一个宽阔的衍射峰，表明其为无定形态，由几何形状不规则的非晶区组成，微晶尺寸很小，沉积时具有方向性，以镍的密排原子面(111)面为沉积面；加入分散剂吐温80后，在2θ=45⁰，52⁰和76⁰左右均出现了衍射峰，为典型的纳米晶结构，分别是面心立方结构镍的3个衍射峰(111)、(200)和(220)，表明碰温80的加入促使镀层由非晶态向晶态转变；加入纳米碳化锆后，Ni(111)处衍射峰强度又有所减弱，表明纳米碳化锆的引入使镀层的无定形态有所加强。由图l(b)可知：3种碱性化学镀Ni-P均在2θ=45⁰，52⁰和76⁰左右出现了衍射峰，为典型的纳米晶结构，加入分散剂吐温80后衍射峰强度明显减弱，而纳米碳化锆的加入又使得衍射峰强度有所增强。

表1化学镀层成分

图1化学镀Ni-P织物X射线衍射谱图

  2.4热性能分析

图2是化学镀Ni-P织物热失重曲线，测试结果，如表2所示。由表2可知：与涤纶织物相比，酸性、碱性化学镀Ni-P织物的热起始分解温度分别降低了14.5℃和45.8℃，而纳米碳化锆酸性、碱性复合镀Ni-P织物的热起始分解温度都降低了约44℃。这是由于化学镀过程中的化学作用，以及金属镀层与纤维之间的复合化学键作用，对纤维热分解起了催化作用，使得化学镀织物的热起始分解温度有所下降；而纳米碳化锆的加入使化学镀Ni-P织物的热起始分解温度又进一步下降。同时还发现当温度超过500℃之后，酸性化学镀Ni-P、纳米碳化锆复合镀Ni-P织物都出现了热失重现象，这可能是镀层中磷元素的质量分数较高所致。当温度超过650℃之后，化学镀织物的质量又有所增加，表明有可能形成了氮化物。

图2化学镀Ni-P织物热失重曲线

表2化学镀织物热重测试结果

2.5  电磁波屏蔽效能与表面比电阻分析

图3是增重率接近(酸性84%～88%，碱性91%～93%)时，纳米碳化锆分散液的体积分数对酸性和碱性复合镀Ni-P织物平均电磁波屏蔽效能和表面比电阻的影响。由图4可以看出：随着纳米碳化锫分散液的体积分数的增加，酸性复合镀Ni-P织物的平均屏蔽效能开始时下降较快，当其体积分数达到90 mL/L以后，变化趋于缓和，表面比电阻随着纳米碳化锆分散液的体积分数的增加逐渐增大；碱性复合镀Ni-P织物的平均屏蔽效能开始时下降较慢，当其体积分数达到90 mL/L以后下降较快，表面比电阻变化趋势则正好相反。虽然碱性复合镀Ni-P织物的增重率大于酸性复合镀Ni-P织物的，但酸性复合镀Ni-P织物的电磁波屏蔽效能明显好于碱性复合镀Ni-P织物的。这可能与镀层的结构、磷元素和纳米碳化锆的质量分数等因素有关。图4是纳米碳化锆分散液的体积分数相同(90 mL/L)时，增重率对酸性复合镀Ni-P织物平均屏蔽效能和表面比电阻的影响。由图4可以看出：随着增重率的增加，开始时平均屏蔽效能和表面比电阻变化较快；当增重率达到60%以后，平均屏蔽效能和表面比电阻变化趋于缓和。

2.6耐磨性能分析

化学镀Ni-P织物磨损后的数码显微照片显示，织物经过500次平磨之后，表面镀层都不同程度地

图3纳米碳化锆对平均屏蔽效能和表面比电阻的影响

图4增重率对平均屏蔽效能和表面比电阻的影响

发生了磨损，特别是表面凸起部位镀层脱落比较明显；与普通化学镀Ni-P织物相比，纳米碳化锫酸性复合镀Ni-P织物的耐磨性较差，而纳米碳化锆碱性复合镀Ni-P织物的耐磨性稍好。这主要是因为酸性复合镀Ni-P织物的表面比较粗糙，碱性复合镀 Ni-P织物的表面比较光滑的缘故。

3  结论

将经吐温80分散的纳米碳化锆微粒添加到酸性或碱性化学镀镍液中，制备出了纳米碳化锆复合镀Ni-P涤纶织物。扫描电镜结果表明：酸性化学镀Ni-P和纳米碳化锆酸性复合镀Ni-P;织物表面比较粗糙，碱性化学镀Ni-P和纳米碳化锆碱性复合镀 Ni-P织物表面比较光滑。X射线衍射结果表明：对于酸性化学镀Ni-P，加入吐温80后镀层由无定形态向结晶态转变，加入纳米碳化锆后镀层无定形态有所增强；对于碱性化学镀Ni-P，加入吐温80后衍射峰强度明显减弱，加入纳米碳化锆后衍射峰强度又有所增强。热失重结果表明：涤纶织物经过酸性、碱性和纳米碳化锆复合镀Ni-P之后，热起始分解温度降低。电磁波屏蔽测试结果表明：随着纳米碳化锆分散液的体积分数的增加，酸性、碱性复合镀Ni-P织物的平均屏蔽效能逐渐减小，表面比电阻逐渐增大；随着增重率的增加，酸性纳米碳化锆复合镀Ni-P织物的平均屏蔽效能逐渐增加，表面比电阻逐渐减小；当增重率接近时，酸性复合镀Ni-P织物的电磁波屏蔽效能好于碱性复合镀Ni-P织物的。纳米碳化锆碱性复合镀Ni-P织物的耐磨性好于纳米碳化锆酸性复合镀Ni-P织物的。

参考文献：

[1]张辉，刘荣立，涤纶织物纳米SiC化学复合镀Ni-P [J].材料工程，2008(5)：62-65.

[2]刘荣立，张辉．涤纶织物化学复合镀(Ni-P) -Sn02纳米微粒复合镀层[J].电镀与精饰，2008，30(8): 29-32，39.

[3]刘荣立，张辉．涤纶织物化学复合镀Ni-P-纳米Zn0 [J].材料保护，2008，41(9)：61-63，74．