化学工程与工艺专业终稿-ABS工程塑料表面无铬粗化微蚀体系的研究-中石油北京.doc

1、 中国石油大学（北京）现代远程教育毕 业 设 计（论文）ABS工程塑料表面无铬粗化微蚀体系的研究姓 名： 学 号： 性 别： 专 业: 化学工程与工艺年 级： 学习中心： 指导教师： 2022年2月28日中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）ABS工程塑料表面无铬粗化微蚀体系的研究摘 要当前，在塑料表面进行金属镀层非常的普遍，在镀层前需要进行微蚀，目前普遍采用铬酐浓硫酸体系进行塑料表面的微蚀，对环境的污染很大。为此，本文以二氧化锰-硫酸-水作为微蚀液，进行微蚀研究。重点研究ABS工程塑料表面无铬粗化微蚀体系，通过文献资料法和实验法进行研究。分析研究背景及意义，以及ABS塑料表面微蚀研

2、究现状；进行ABS基板表面微蚀实验；采用二氧化锰-硫酸-水微蚀体系对ABS基板进行微蚀，分析不同硫酸浓度下对ABS基板微蚀效果的影响。通过本次的研究发现，这种微蚀体系能够有效的增强粘结强度，保证镀层的牢固性，而且操作方便，成本较低，处理后效果明显，在工业上会有很大的应用前景，对环境保护也会起到很大的作用。关键词：二氧化锰；表面微蚀；粘结强度ii目 录第一章 绪 论11.1 研究的背景与意义11.2 ABS塑料表面微蚀研究现状2第二章 实验方法32.1 实验材料32.2 实验流程32.2.1 ABS塑料表面前处理过程32.2.2 ABS塑料表面化学镀及电镀铜过程42.3 前处理后ABS塑料表面物

3、理、化学性质的表征52.3.1 微蚀前后ABS塑料表面的变化52.3.2 塑料表面化学性质的变化5第三章 ABS表面微蚀的研究73.1 引言73.2 二氧化锰-硫酸-水微蚀体系处理后的ABS塑料表面形貌73.3 不同硫酸浓度对ABS塑料微蚀效果的影响73.3.1 不同硫酸浓度对微蚀体系的影响83.3.2 不同硫酸浓度对ABS塑料表面形貌的影响93.3.3 不同硫酸浓度对ABS塑料表面化学成分的影响123.3.4 不同硫酸浓度对ABS塑料粘结强度的影响133.3.5 剥落后界面的表面成分检测143.4 本章小结15第四章 结 论17参考文献18致 谢19第一章 绪 论1.1 研究的背景与意义随着

4、科技的发展，不断出现新的材料诸如非金属材料，非金属材料包括玻璃、塑料、橡胶、陶瓷等，它们在通讯、航空、汽车等领域发挥着越来越重要的作用。但是非金属材料的表面进行金属化处理后，能够进一步扩大它的应用范围，比如在玻璃表面进行镀镍处理、在陶瓷表面进行镀镍处理、家电配件的塑料进行电镀、电路板表面的金属镀层、碳化硅表面的处理等1。塑料的表面进行金属化处理能够让塑料同时具有塑料和金属的优点，扩宽塑料的可使用的领域和范围。塑料进行金属化后，一方面能够增强它的机械性能，比如具有良好的耐腐蚀性、耐磨性、耐溶解性、耐光照性等，另一方面，又让它具备了金属的导电性能和外观。因此，对塑料的表面进行金属化的处理具有很重要

5、的发展意义，引起人们的关注。目前，塑料的金属化处理已经相对成熟，应用于很多的领域中，比如电路板的设计、装饰涂层、化学镀层、屏蔽技术等多个方面和领域。塑料属于绝缘体不导电，需要利用电镀的方法在塑料的表面形成一层金属膜，这首先需要进行金属化处理，然后在进行电镀才可以。在塑料的表面形成金属导电膜的方式主要有：化学镀层、真空溅射、气相沉积的方法等。在多种方法中，化学镀层是操作最简单、成本最低的方法。化学镀层不需要借助电，是根据氧化还原反应进行的，主要是将还原剂放入有金属离子的溶液中，将金属离子还原成金属后在材料表面进行沉积，然后形成一层金属层。在利用化学镀层的时最常用到的溶液包括：镀银、镀镍、镀铜等溶

6、液。化学镀层的方式由于不通电，又称为不通电镀。没有处理过的ABS塑料表面比较光滑，粗糙度小，金属层和塑料表面不能很好的结合，容易起泡和脱落，在一定程度上限制了塑料的发展空间，为此需要做好塑料的前处理。进行前处理的方法很多，其中，化学微蚀法应用最为广泛。进行化学微蚀后，塑料和金属镀层更加匹配。目前，对ABS塑料进行微蚀的方法主要是CrO3/H2SO4体系,这种体系含铬量高，污染非常严重，在废水处理中也会增加企业的生产成本，为此，研究无铬的微蚀体系非常的有必要。1.2 ABS塑料表面微蚀研究现状ABS工程塑料是指由丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三种物质聚合的物质，它耐热性强、耐冲击性强、

7、抗腐蚀性强，具有很大的应用空间和发展潜力。目前，对于ABS工程塑料的微蚀还是以含铬微蚀系统为主，但随着对环境的重视以及降低处理成本，无铬微蚀法成为了研究的重点2。国内外关于ABS塑料无铬粗化的研究有很多，Juana Abenojar等专家研究等离子体的速度和时间对ABS塑料表面的影响。速度越慢表面的接触角降低越明显，时间越长接触角越多。但由于等离子体对实验的要求比较高，不好操作，无法得到大范围的推广。在国内，唐雪娇利用双氧水-硫酸微蚀体系对ABS表面进行处理，然后放在糖水溶剂中进行浸泡，在一定程度上促进了金属膜的粘结性，但效果不大。洪祥乐等研究不同的助氧化剂对ABS表面的影响，结果发现助氧化剂

8、能够促进微蚀液的氧化能力，但效果甚微。到目前为止，由于各种原因，应用最多的仍然是铬酐-硫酸微蚀体系，对环境的污染比较严重，而且进行废水的处理时会增加企业的成本。18第二章 实验方法2.1 实验材料在进行实验时，选用的塑料是ABS塑料，塑料的厚度在1.0mm左右，将塑料分割为40mmx25mm的大小备用。2.2 实验流程 实验流程包括进行前处理，化学镀、电镀等多个过程，各个过程中又有具体的方法，下面逐一进行分析。2.2.1 ABS塑料表面前处理过程在进行前处理时，有除油、膨润、微蚀、中和四个基本步骤。（1）除油这一步是去掉塑料表面的油污，加强表面的清洁，保证反应的均匀性和粘结性。在进行除油的时候

9、，将除油浓缩液和蒸馏水按照1:1的比例混合制成除油剂，然后将ABS塑料放到除油液中，将温度控制在60，搅拌10分钟，让反应充分的进行。（2）膨润进行膨润处理能够有效的溶胀高分子链，增强微蚀产生的效果，比如让表面的密度和孔隙更加的均匀，提高微蚀的效果。膨润剂的配制是将适量的氢氧化钠和蒸馏水进行混合，然后加入丁醚搅拌后制成膨润剂，将除油后的ABS塑料浸泡到膨润剂中，将温度控制在65，10分钟取出3。（3）微蚀经过以上两步后，就可以进行微蚀处理了，通过微蚀让塑料表面变得粗糙，增大塑料和镀层的接触面积；同时在微蚀的过程中，碳碳双键发生了断裂，产生大量的羟基、羧基，导致亲水性能增强，这些都提高了塑料和镀

10、层之间的粘结性。微蚀液的配制是：取一定量的二氧化锰加入到硫酸溶液中在70下加热两个小时，然后将ABS塑料浸入，将温度控制在60，进行反应。（4）中和经过微蚀后的ABS塑料表面会残留二氧化锰，可能会影响后续的工作，需要通过还原反应进行中和。将草酸、硫酸和蒸馏水进行混合，制成中和剂，在55的温度下进行搅拌，然后用蒸馏水冲洗ABS塑料，去掉中和剂。2.2.2 ABS塑料表面化学镀及电镀铜过程ABS塑料经过前处理后，就要进行化学镀和电镀。在化学镀前还有一系列步骤：（1）化学镀前的处理在进行化学镀前要对ABS塑料进行一系列处理，具体如下：预浸：防止残留的处理液对活化液造成污染。活化：均匀正负电离子，保证

11、铜离子的生成，以及后续镀铜能够连续和均匀。敏化：除去表面的氯化亚锡让钯核暴露出来，形成一个新的活性层，进行催化反应4。（2）ABS塑料表面化学镀铜经过一系列的处理后就可以对ABS塑料进行化学镀铜，将温度控制在70，PH值为12.5，反应时间是20分钟。进行化学镀之后，塑料表面会形成一层铜膜。这个过程中的溶液的组成见表2-1。表2-1 化学镀铜溶液的组成名称含量甲醛3 ml/L五水硫酸铜10 g/L乙二胺四乙酸二钠30 g/L毗啶15 mg/LPEG 10000.5g/L（3）ABS塑料表面电镀铜为了测试化学镀铜膜的强度，利用电镀的方式增加镀膜的厚度。具体方法为：将化学镀后的塑料浸泡在5%的硫酸

12、溶液中，去掉表面的氧化铜，然后进行电镀处理，电镀后在塑料表面形成20m铜层。这个过程的溶液的组成见表2-2。表2-2 电镀铜溶液的组成名称含量五水硫酸铜150g/L98%硫酸98 ml/LCl-离子40 ppm/LPEG200 ppm/L2.3 前处理后ABS塑料表面物理、化学性质的表征前处理后对塑料表面的物理和化学性质进行检测，从而确定最佳的条件。主要从以下几个方面对发生的变化进行分析：2.3.1 微蚀前后ABS塑料表面的变化在经过微蚀后，表面会发生氧化现象，产生很多的微孔，通过显微镜对表面进行观察，分析在不同的微蚀条件下表面粗糙度的变化。选取20x20m2大小的样本进行粗糙度的计算，然后根

13、据得出的相关数据选择最佳的组成条件。2.3.2 塑料表面化学性质的变化 经过微蚀后的塑料表面也发生了化学变化，产生了很多亲水性的基团，这些基团能够让金属镀层更加紧密的附在塑料上,增加塑料和镀层之间的连接强度。通过比较微蚀处理前后的接触角的变化，研究表面亲水基因的变化。由于每个基团中的原子有不同的化学环境，导致原子所激发的能量不同，利用这种不同的电子能的差异对表面的化学基团进行检测5。第三章 ABS表面微蚀的研究3.1 引言ABS塑料的耐温能力强、易加工性强、抗冲击性强，能够进行电镀、焊接等加工，在机械、电子等领域发挥着重要的作用。对ABS塑料进行微蚀的效果直接影响到镀层的均匀度和粘合性，而且表

14、面性质发生了变化，由憎水性变成亲水性，表面的粗糙度增大。目前都是用铬酐-硫酸-水体系进行微蚀处理的，每年要消耗大量的铬酐，对环境的污染十分严重。研究对环境污染小的微蚀体系是重点。3.2 二氧化锰-硫酸-水微蚀体系处理后的ABS塑料表面形貌根据观察，当微蚀液中的二氧化锰含量达到30g/L时，ABS表面的粗糙度增加，由15nm增加到320nm，接触角由92.2减小到33，强度也比之前有所增加。上面已经提到，用二氧化锰代替铬酐对ABS塑料进行微蚀处理后，粘合度和亲水性增加。图3-1是微蚀处理后的SEM图和AFM图。根据图片可以看出，处理后的ABS表面坑坑洼洼，比较粗糙；而且发现这种微蚀体系有一定的限

15、制，当温度比较高，处理时间比较长的时候，会影响钯离子的吸附，影响其发展6。图3-1 微蚀处理后的ABS表面SEM和AFM图3.3 不同硫酸浓度对ABS塑料微蚀效果的影响 ABS塑料不能超过70，因此在微蚀时维持的温度是60，在实验中发现二氧化锰的含量对微蚀的影响不大，主要是硫酸对反应产生影响。因此将二氧化锰的浓度固定，分析不同的硫酸浓度对微蚀效果的影响。3.3.1 不同硫酸浓度对微蚀体系的影响ABS塑料的微蚀是进行氧化还原反应的过程，让表面进行充分氧化，形成很多的微孔，加强粘结强度。为了能够进行充分的反应，就需要让氧化能力得到最大程度的发挥，如果氧化能力过弱，就会影响微孔的形成，氧化能力过强，就会造成表面的脱落，难以形成微孔。用电路位测试氧化能力的大小，数值越大，表示氧化能力越强。经过实验后发现影响微蚀效果的因素有以下几个：（1）氧化还原的电位大小；（2）锰离子的浓度。为此进行氧化还原反应和锰离子含量的研究。表3-1是在不同的硫酸浓度下锰离子和氧化还原反应的电位值。根据表格可以看出：硫酸浓度越高