硫酸銅酸性鍍銅液的碳纖維電鍍銅預處理探討

郭麗平(廣東嘉元科技股份有限公司 514759)

上世紀六十年代，發展一種新型增強材料——碳纖維，擁有高比模量、低密度及其良好的自潤滑性等優點，進而使得在復合材料中得到廣泛應用。碳纖維電鍍銅工藝在增強復合材料的導熱性、導電性，但由于碳銅間不潤滑及不反應，使得復合效果相對較差。鑒于此種原因，應處理好碳纖維與銅機體之間的界面結合，進而改善碳纖維電鍍銅工藝。

一、碳纖維電鍍銅預處理實驗

本次實驗采用12碳纖維，其直徑為(7-8)μm；添加劑采用乙撐硫脲、甲基藍、乳化劑及聚二硫二丙烷磺酸鈉等按照比例配制成溶液；水采用去離子水。采用三種電鍍液成分，其一：200g/L的CuSO4、70g/L的H 2SO4；其二：60 g/L的CuSO4、180g/L的H 2SO4；其三：60g/L的CuSO4、180g/L的H 2SO4、5m l/L添加劑。電鍍采用MPS702的直流穩壓穩流電源，其工作電壓設置為(1.6-2.0)V，陽極為2塊含磷銅板，其纖維長度設為46厘米，實驗室內溫度為18℃左右。

采用空氣氧化除膠，并將碳纖維原絲在空氣中加熱到400℃，保溫30分鐘，待除膠后，將碳纖維浸入到40%的HNO3溶液中，連續加熱煮沸，直至20分鐘，對其進行粗化氧化。采用去離子水對其沖洗，直到中性，待干燥后以防備用。對纖維表面的分析采用SEM及XPS分析。

二、影響碳纖維質量的因素分析

碳纖維質量的影響因素主要從預處理、鍍液成分及其處理工藝環境四大方面來探討，下面對其給予具體分析：

1.預處理。碳纖維表面有一層有機膠，且與水有著較差的潤滑性，很難在水中分散，進而給電鍍工作帶來較大困難，應加強對碳纖維的預處理，最終提高碳纖維表面活性，并增強親水性。經過預處理后碳纖維表面的紋理有所加深，且深度逐漸加大，表面及所有增加，并提高了碳纖維的表面活性，使鍍層與碳纖維間的活力更加緊密。表明通過預處理并未對碳纖維的機械性能有所影響。

通過采用X射線對氧化除膠或粗化氧化后的碳纖維樣品進行再分析，可得到氧化除膠及硝酸粗化氧化后的碳纖維表面富含較為豐富的氧。同時對Cis進行分峰處理，得到碳纖維表面并有各種官能團。其中氧的C-H含量分別為285.2、61.3%；C-OH含量分別為287.5、23.6%；C-O 為 289.6、9.2%；COOH為291.4、6.8%。HNO3的C-H含量分別為28.5.1、62.6%；C-OH含量分別為287.4、32.1%；C-O 為 289.9、6.1%；COOH 為290.5、1.9%。碳纖維表面所生成的量主要為C-OH的含氧官能團，其親水性較強，可有效改善碳纖維及水溶液的潤滑性，使得在鍍液中充分分散碳纖維，創造均勻鍍層。

2.鍍液成分。碳纖維電鍍銅中常常遇到“黑心”問題，直接影響碳纖維表面活性。實驗所使用碳纖維內外層纖維到陽極距離有著較大差異且外層的纖維對內層纖維的電屏蔽作用較明顯，為了有效解決這一難題，則必須使鍍液擁有較高的分散能力。通過試驗研究表明：電鍍液的分散能力與溶液的導電性能有著密切關系。且對于硫酸銅酸性電鍍液，可有效提高電鍍液的導電性能及陰極化度，最終提高分散能力。在提高游離H 2SO4濃度之后，可有效提高電鍍液的陰極極化度。但在纖維束內側的纖維表面較難得到鍍層，也就產生了“黑心”的問題。當各個纖維都電鍍一層，其黑心問題得到緩解。在電鍍溶液中容易受到添加劑的影響，通常情況下，常用的添加劑有乙撐硫脲及聚二硫二丙烷磺酸鈉等，與甲基藍、乳化劑相配合使用，能夠細化鍍層晶粒，使鍍液擁有良好的整平能力。用使硫酸濃度處于高的條件下，使用添加劑的將對陰極極化并沒有多大影響，且對電鍍液分散能力的影響也較小。通過實踐表明：在電鍍液中加入添加劑后，可得到鍍層微觀形貌，平整鍍層，由此可看出，可有效提高鍍液的整平性。

3.處理工藝環境。由于碳纖維電阻率較大，加上直徑較小，容易纖維長度方向上的電位衰減較快，并在電鍍過程中，銅鍍層應靠近夾具位置沉積，并沿著纖維長度方向生長，直到電鍍結束，在形成鍍層的電荷傳遞的載體，降低其電阻率，并增加電鍍體系的陰極面積。若采用恒電流對其進行控制，其體系的陰極有效面積將不斷發生變化，導致陰極電流密度非常不穩定，也就不能在纖維表面形成較好的鍍層。針對以上幾點原因，碳纖維電鍍銅的體系的控制應采用恒電壓。電壓可在較大范圍內選擇，當所控制的電壓大于2.1V時，臨近夾具的位置碳纖維電流密度相對較大，且容易出現“燒焦”的問題，更為嚴重的是能夠分離出氫氣。當電壓控制在1.1V時，所需要的時間為370秒，當工作電壓較低時，其生產效率相對較低。對其進行綜合考慮及分析，體系電壓適宜控制在(1.6-2.0)V。

結束語

由于碳纖維自身具有的特性，使得在復合材料具有較高應用價值。但由于碳銅間的不反應及其不潤滑，使得復合效果相對較差。針對此種情況，本文重點探討硫酸銅性鍍銅液的帶電鍍處理工藝，并分析其影響因素。通過實驗可得：通過空氣高溫氧化及硝酸粗化能夠增加碳纖維的表面粗糙度，并有效改善與鍍液的潤滑性，提高與鍍層的結合力。

[1]章素娟.硫酸鹽鍍銅液中硫酸銅的準確測定[J].電鍍與精飾,2005,27(3):49-50.

[2]羅浩,彭同江,孫紅娟等.硫酸銅酸性鍍銅法制備銅-康銅熱電堆的最佳實驗條件研究[J].西南科技大學學報,2012,27(1):19-24.

[3]朱卓敏.淺談硫酸鹽光亮鍍銅除雜劑[C].2011海峽兩岸電鍍行業發展現狀與未來展望學術論壇論文集.2011:176-178.