ABS塑料化學(xué)鍍銅實(shí)驗(yàn)

朱絨霞

(空軍工程大學(xué)理學(xué)院 陜西西安 710051)

本實(shí)驗(yàn)采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行教學(xué)。教師布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，由學(xué)生查找相關(guān)資料、設(shè)計(jì)具體步驟、制作實(shí)驗(yàn)試樣、配制試劑等，3人或4人一組進(jìn)行自主性實(shí)驗(yàn)，教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行具體分析和指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料選用ABS塑料，做成尺寸為30mm×20mm×5mm試樣。分別用6個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，1號(hào)試樣經(jīng)過(guò)打磨、超聲波清洗后，沒(méi)有進(jìn)行去油、粗化、敏化、活化預(yù)處理，直接放入化學(xué)鍍銅液中進(jìn)行化學(xué)鍍銅40min。2～6號(hào)試樣進(jìn)行打磨、超聲波清洗、去油、粗化、敏化、活化預(yù)處理后，分別進(jìn)行10min、20min、40min、60min、80min化學(xué)鍍銅。

1.1 塑料試樣預(yù)處理

化學(xué)鍍銅預(yù)處理工藝流程為打磨試樣→超聲波清洗→去油→粗化→敏化→活化[1]，各步之間用去離子水沖洗。

① 打磨試樣。分別用400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂紙對(duì)試樣進(jìn)行逐級(jí)打磨至表面光亮。

② 超聲波清洗。用丙酮對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗10min，去除塑料表面的污物。溫度25℃(室溫)。

③ 去油處理，即去除塑料表面的油污。工藝條件：1.00mol/L NaOH，0.08mol/L Na3PO4·12H2O，0.19mol/L Na2CO3，溫度約為65℃，時(shí)間為5min。

④ 粗化處理，使塑料表面呈微觀的粗糙狀態(tài)，以增大表面積并提高表面的親水性。工藝條件：4.00mol/L CrO3，2.76mol/L H2SO4，溫度約為65℃，時(shí)間為15min。

⑤ 敏化處理，使粗化的塑料表面吸附一層具有較強(qiáng)還原性的Sn2+，用于還原活化液中的Ag+。工藝條件：0.09mol/L SnCl2·2H2O，0.48mol/L HCl，溫度為28～30℃，時(shí)間為5min。

⑥ 活化處理，使塑料表面沉積上一層金屬Ag微粒。工藝條件：0.02mol/L AgNO3，滴加6mol/L氨水溶液至沉淀溶解，溫度為28～30℃，時(shí)間為20min。

從活化液中取出塑料制件后，用去離子水沖洗，晾干。

1.2 化學(xué)鍍銅

化學(xué)鍍銅液配方為[2]：0.08mol/L CuSO4·5H2O，0.20mol/L HCHO，0.05mol/L NaKC4H4O6·4H2O，0.30mol/L NaOH。用pH試紙測(cè)定化學(xué)鍍銅液的pH，并用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH為11～12。然后，把已預(yù)處理過(guò)的塑料試樣浸入化學(xué)鍍銅液中，并不斷翻動(dòng)試樣。鍍液溫度為50～55℃。鍍銅時(shí)間分別為10min、20min、40min、60min、80min。取出后，用去離子水沖洗，晾干。

1.3 沉積速率[3]

用電子天平稱(chēng)量試樣預(yù)處理后(化學(xué)鍍銅前)的質(zhì)量m1和化學(xué)鍍銅后質(zhì)量m2，按照下式計(jì)算化學(xué)鍍銅的沉積速率v。

式中t為化學(xué)鍍銅的時(shí)間，Δm為試樣增重。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 化學(xué)鍍銅機(jī)理[4]

塑料化學(xué)鍍銅預(yù)處理的主要步驟是敏化處理和活化處理。粗糙的塑料表面在敏化液中吸附一層Sn2+后，由于活化液中存在Ag+，且φ(Sn4+/Sn2+)=0.151V<φ(Ag+/Ag)=0.7996V，因此，塑料表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)(式(1))，將Ag+還原為金屬Ag而吸附在塑料表面，這些Ag微粒將成為銅膜形成的結(jié)晶中心。

Sn2++2Ag+=Sn4++2Ag

(1)

以甲醛為還原劑進(jìn)行化學(xué)鍍銅的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

Cu2++2HCHO+4OH-=Cu+2HCOO-+H2+2H2O

(2)

反應(yīng)機(jī)理可分為陰極反應(yīng)(還原反應(yīng))和陽(yáng)極反應(yīng)(氧化反應(yīng))，兩電極反應(yīng)同時(shí)在塑料表面進(jìn)行。

陰極反應(yīng)為 Cu2++2e-=Cu,φ(Cu2+/Cu)=0.3419V。

陽(yáng)極反應(yīng)為 2HCHO+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O+2e-，φ(甲醛)=0.320-0.12pH。

2.2 化學(xué)鍍銅的沉積速率

對(duì)1號(hào)和4號(hào)試樣分別進(jìn)行40min化學(xué)鍍銅，其中1號(hào)試樣沒(méi)有進(jìn)行去油、粗化、敏化、活化預(yù)處理，化學(xué)鍍銅后，試樣質(zhì)量沒(méi)有增加，說(shuō)明其表面不能進(jìn)行化學(xué)鍍銅。而經(jīng)過(guò)預(yù)處理的4號(hào)試樣在化學(xué)鍍銅后，試樣質(zhì)量增加了294.5 mg。由此可以說(shuō)明，在塑料化學(xué)鍍銅前，必須進(jìn)行預(yù)處理。

表1為2～6號(hào)試樣增重和沉積速率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。需要說(shuō)明的是，每個(gè)沉積速率都是在相應(yīng)鍍銅時(shí)間段內(nèi)的平均值。表1表明，隨著鍍銅時(shí)間增加，塑料表面沉積銅質(zhì)量和沉積速率在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出先增加后降低的變化規(guī)律，且在40min出現(xiàn)最大值。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，鍍銅時(shí)間高于40min時(shí)，鍍液燒杯底部有明顯銅沉積，同時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣表面原先沉積的銅有脫落現(xiàn)象，這可能是導(dǎo)致40min后試樣增重和沉積速率降低的主要原因。

表1 2～6號(hào)試樣增重和沉積速率

3 結(jié)論與說(shuō)明

① 本實(shí)驗(yàn)證明塑料化學(xué)鍍銅前的預(yù)處理是必須的。

② 隨著鍍銅時(shí)間的增加，沉積速率呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律，且鍍銅時(shí)間在40min時(shí)，沉積速率最大。

③ 鍍銅過(guò)程中，特別是在40min后，沉積出來(lái)的銅是否又溶解在鍍液中，還需要進(jìn)一步研究。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 浙江大學(xué)普通化學(xué)教研組.普通化學(xué)實(shí)驗(yàn).第2版.北京:高等教育出版社,1990

[2] 余曉皎，張?zhí)詠啠掇?等.電鍍與涂飾,2007,26(5):10

[3] 張清，李全安，文九巴,等.輕金屬，2007，12:54

[4] 陳林根.工程化學(xué)基礎(chǔ).第2版.北京：高等教育出版社,2005