玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝研究*

1． 陜西工業職業技術學院土木工程學院，陜西 咸陽 712000 2． 西藏民族大學科研處，陜西 咸陽 712000

玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝研究*

王飛龍1劉愛華2

1． 陜西工業職業技術學院土木工程學院，陜西 咸陽 712000 2． 西藏民族大學科研處，陜西 咸陽 712000

研究硫酸鎳濃度、鎢酸鈉濃度、次亞磷酸鈉濃度、檸檬酸鈉濃度及鍍液溫度和反應時間對玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝的增重率(鍍層沉積速率的表征指標)的影響，然后結合單因素試驗結果，并通過正交試驗，確定了玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝的最優鍍液配方和工藝參數。

玻璃纖維，化學鍍Ni-W-P，工藝

電磁污染被世界衛生組織列為繼水源、大氣、噪聲之后的第四大污染源。鍍金屬玻璃纖維具有導電性好、密度小、成本較低、容易加工成型等特點，可以應用在耐高溫、耐腐蝕的特殊工作環境，是一種極具發展前景的電磁屏蔽材料，在催化載體材料方面也有較大的應用潛力。玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝，具有結合力強、硬度高、耐腐蝕性和耐磨性好等優點，工藝上具備成本低廉、設備簡單、操作靈活等特點，因此在新型復合導電與電磁波屏蔽涂料的功能填料等方面都有廣泛的應用。本文對玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝進行探討，旨在優化化學鍍工藝技術，擴寬該工藝的應用領域，以期產生更好的社會和經濟效益。

1 化學鍍

纖維表面金屬化處理的化學方法包括化學鍍和電鍍[1]。化學鍍又稱“自催化鍍”，是利用適當的還原劑，使溶液中的金屬離子在具有催化活性的材料表面進行還原的過程。化學鍍實質上是一個在催化條件下發生的有電子轉移但無外電源的氧化還原反應過程[2]。

與電鍍相比，化學鍍具有許多優點，如鍍層的分散能力特別好[3]，過程中不需要外加電源，流程簡單，操作便捷，且鍍層均勻、孔隙率低、外觀良好，而且能在塑料、陶瓷等多種非金屬基體上沉積[4]。

2 化學鍍Ni-W-P

化學鍍Ni-W-P是利用強還原劑的氧化，使鎳離子還原成金屬Ni，鎢酸根離子還原成W，次亞磷酸鈉提供P原子，形成三元合金鍍層，其反應過程：

還原反應

Ni2++2e=Ni

(1)

(2)

(3)

氧化反應

(4)

當把鍍件置入鍍液中時，表面能較高的原子將優先吸附和沉積其他原子、原子團等，使系統能量降低。本試驗鍍液中，Ni原子誘導W原子與之產生共沉積，此時P原子被還原，繼而在鍍件表面產生3種 元素的共沉積。

化學鍍Ni-W-P鍍層具有良好的熱穩定性和耐磨性，且硬度高，熔化溫度也較高，能夠適用于較高溫度的工作條件，同時在酸性環境中可作為防護性鍍層[5]。在高溫高濕條件下，化學鍍Ni-W-P鍍層的穩定性也較好，因其可降低電力消耗，一般用作點接觸點材料或熱傳感器的測頭。

3 試驗部分

3.1試驗材料

原材料：玻璃纖維長絲，135 tex，陜西華特玻璃纖維有限公司生產。主鹽：硫酸鎳，鎢酸鈉。還原劑：次亞磷酸鈉。絡合劑：檸檬酸鈉。蒸餾水、穩定劑、緩沖劑等。

3.2鍍液配制

鍍液配制的具體步驟[6]：

(1) 用少量蒸餾水或去離子水分別溶解事先稱取的主鹽、還原劑、絡合劑、緩沖劑等；

(2) 將完全溶解的主鹽溶液倒入絡合劑溶液中；

(3) 將完全溶解的還原劑溶液混入步驟(2)配制的溶液中；

(4) 依次將穩定劑溶液、緩沖劑溶液倒入步驟(3)配置的溶液中；

(5) 用蒸餾水或去離子水稀釋上述溶液至計算體積；

(6) 調節溶液pH值；

(7) 過濾溶液；

(8) 取樣，化驗合格，備用。

3.3工藝流程

除油→粗化→敏化→活化→化學鍍→水洗。

3.4工藝條件

試驗擬采用的工藝條件見表1。

表1 工藝條件

3.5鍍層沉積速率測試

試驗采用稱重法測試鍍層沉積速率(以下簡稱“鍍速”)，因此使用增重率(δ)來表征鍍速，其算式[7]：

式中：δ為增重率，%；

W1為化學鍍前鍍件質量，g；

W2為化學鍍后鍍件質量，g。

4 結果分析與工藝優化

4.1鍍液主要成分對增重率的影響

鍍液主要成分指硫酸鎳、鎢酸鈉、次亞磷酸鈉和檸檬酸鈉，它們的濃度對增重率的影響較大，下面重點分析這幾種主要成分的濃度對增重率的影響規律。

4.1.1 硫酸鎳濃度、鎢酸鈉濃度對增重率的影響

硫酸鎳和鎢酸鈉為玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝的主鹽。鍍層中的Ni由硫酸鎳還原生成，而鍍層中的W由鎢酸鈉還原生成。硫酸鎳濃度對增重率的影響如圖1所示。鎢酸鈉濃度對增重率的影響如圖2所示。

圖1 硫酸鎳濃度對增重率的影響

圖2 鎢酸鈉濃度對增重率的影響

從圖1可以看出，當硫酸鎳濃度小于23.000 g/L時，隨著濃度增加，增重率逐漸增大；當硫酸鎳濃度大于23.000 g/L時，增重率開始減小，而且在該濃度附近，鍍層光亮細致。因此，硫酸鎳濃度宜控制在18.000～24.000 g/L。

從圖2可以看出，隨著鎢酸鈉濃度的增加，增重率不斷增大，當鎢酸鈉濃度大于34.000 g/L時，增重率明顯減小。鎢酸鈉濃度在一定范圍內增加時，對鍍液穩定性沒有影響，但是其濃度繼續增加，鍍液穩定性變差，其反應能力也下降。因此，鎢酸鈉濃度應保持在28.000～34.000 g/L。

4.1.2 次亞磷酸鈉濃度、檸檬酸鈉濃度對增重率的影響

次亞磷酸鈉既是玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝的還原劑，也是鍍層中P的來源。次亞磷酸鈉濃度對增重率的影響如圖3所示。檸檬酸鈉是玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝的絡合劑，對反應過程有重要作用。檸檬酸鈉濃度對增重率的影響如圖4所示。

從圖3可以看出，隨著次亞磷酸鈉濃度的提高，增重率持續增大，當次亞磷酸鈉濃度大于24.000 g/L時，增重率的增加速率開始減小，但仍保持上升趨勢。大量試驗表明，隨著次亞磷酸鈉濃度的不斷提高，鍍層中P的含量也不斷增加，W與Ni的含量則減少。因此，次亞磷酸鈉濃度以20.000～24.000 g/L為宜。

從圖4可以看出，隨著檸檬酸鈉濃度的提高，增重率不斷增大，當檸檬酸鈉濃度為35.000 g/L左右時，增重率達到一個最高值，并開始降低。因此。檸檬酸鈉濃度以32.000～38.000 g/L為宜。

4.2工藝參數對增重率的影響

鍍液溫度對增重率的影響如圖5所示。反應時間對增重率的影響如圖6所示。

圖5 鍍液溫度對增重率的影響

圖6 反應時間對增重率的影響

由圖5可以看出，鍍液溫度從45 ℃升高到90 ℃，增重率呈現持續增長趨勢；當鍍液溫度低于75 ℃時，增重率增加速率較快；當鍍液溫度高于75 ℃時，增重率變化較小。鍍液溫度較高時，鍍液穩定性變差，同時鍍層的致密度下降，鍍層的沉積速率也趨于穩定。因此，玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝過程中，鍍液溫度應控制在70 ℃左右。

從圖6可以看出，隨著反應時間的延長，增重率也呈現持續增長趨勢，即鍍層厚度逐漸增加，尤其是初始階段，增重率增加速率較快，幾乎呈直線增加，但是當鍍液反應達到一定程度時，增重率增加幅度減小。因為隨著反應的不斷進行，鍍液中游離鎳離子不斷減少，還原劑的量也不斷減少，反應就變得非常緩慢，此時繼續反應，鍍層厚度也不會有太大的變化。因此，反應時間確定在60 min左右。

4.3玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝優化

為得到較優的玻璃纖維化學鍍Ni-W-P鍍液配方，以上述試驗結果為依據，確定鍍液的主要成分(即硫酸鎳、鎢酸鈉、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉)濃度為影響因素，每個因素選取3個水平進行正交試驗，以增重率作為玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝質量的考核指標。正交試驗因素水平設計及正交試驗結果分別見表3、表4。

表3 正交試驗因素水平設計

表4 正交試驗結果

通過對表4中數據的分析，得出玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝的最優鍍液配方為A2B2C3D2。結合單因素試驗結果，玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝優化結果見表5。

表5 玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝優化結果

5 結語

考慮鍍速(增重率)和成本等因素，采用單因素試驗和正交試驗相結合的方法，確定玻璃纖維化學鍍Ni-W-P工藝的最佳鍍液配方及工藝參數：硫酸鎳濃度22.000 g/L，鎢酸鈉濃度30.000 g/L，次亞磷酸鈉濃度24.000 g/L，檸檬酸鈉濃度34.000 g/L，硫酸氨濃度29.000 g/L，乳酸濃度5.000 g/L，醋酸鉛濃度0.008 g/L，鍍液溫度(70±2)℃，反應時間(60±1)min，鍍液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年西藏自治區自然科學基金(2016ZR-MY-08)

2017-03-24

2017-04-20

王飛龍，男，1982年生，助教，主要研究方向為功能性紡織品的開發

TQ153.2

A

1004-7093(2017)10-0032-05