化学镀法制备电磁屏蔽聚酯织物的研究rz081230-3

杜宁1 　罗欣2 　汪晓东1 3 (1. 北京化工大学新型高分子材料的制备与加工北京市重点实验室,北京100029;2. 中国纺织科学研究院研究开发中心,北京100025)

收稿日期:2006 206225

第一作者: 女,1982 年生,硕士生3 通讯联系人E2mail:wan gxd@mail.buct.edu.cn

原载：北京化工大学学报第34 卷第3 期2007 年

网上来稿：zhanyizhen，2008/12/30

【摘要】为开发具有电磁屏蔽作用的织物,采用化学镀法制备了具有电磁屏蔽性能的聚酯类化纤织物,并研究了化学处理方法———碱减量处理对涤纶织物表面化学镀层的性能及化学镀后织物的电磁屏蔽性能的影响。研究表明,在20 g/LNaOH 溶液中处理既可使纤维表面形成微观凹坑,增大比表面积,又可改非极性的疏水表面为亲水表面,提高表面活性,提高敏化和活化时金属离子和金属在纤维表面的吸附性,在化学镀过程中使基体与金属形成平整的结合。碱减量处理2～3h 有利于提高镀层与织物结合牢度,并使镀层光亮均匀,电磁屏蔽性能更加优异。

【关键词】电磁屏蔽; 涤纶(PET) 织物; 化学镀铜; 化学镀镍; 表面处理

【中图分类号】TQ153

引言

随着电子产业的飞速发展,生产生活中的电子设备已经得到广泛应用,给人类生活带来方便的同时,也成为电磁辐射的污染源。电磁辐射会损害人体健康,也会造成电子设备运行紊乱甚至信息泄露。为防止电磁辐射的干扰与泄露,采用电磁屏蔽材料进行屏蔽是主要的防范手段之一。化学镀技术是一种优势明显的材料金属化手段[123] ,已经应用于材料的防腐、耐磨保护、装饰等领域。电磁屏蔽织物的制备中也引入了化学镀技术,由于其获得织物的电磁屏蔽性能优于金属喷镀织物,服用性能优于金属纤维混纺织物[4] ,因此化学镀法制备电磁屏蔽织物仍是国内外学者研究的热点。

化学镀层电磁屏蔽的基本原理是利用金属与空气的波阻抗不一致,起到对电磁波的反射作用。铜的导电性能优异,可以防止电荷在屏蔽材料表面的积聚,但易氧化为不导电的铜氧化物;镍的化学稳定性好,比导磁率高,对高频带电磁波有良好的屏蔽效果。因此本文中采用的铜镍复合化学镀层性能优于单一金属镀层,可具有性能优异的电磁屏蔽效果。现有的化学镀法制备电磁屏蔽聚酯织物多存在表面金属与织物结合牢度差的问题,市售产品均不可洗涤。本文借鉴了传统纺织品的染整处理方法,施镀前对纤维表面进行了化学刻蚀。由于纤维属于非金属基体,要提高表面粗糙度,与镀层间形成机械咬合,从而提高镀层与纤维的结合力[5] 。

1 　实验部分

1·1 　原料

CuSO4·5H2O、甲醛、EDTA、NaOH、NiSO4·6H2O、次亚磷酸钠、柠檬酸钠、氨水、SnCl2 和PdCl2均为天津市福晨化学试剂厂生产,分析纯。

1·2 　化学镀工艺及方法

将织物在20g/LNaOH 溶液中于98℃分别处理1、2、3h, 浴比1∶50 (织物和溶液的质量比)。清洗,晾干。在20g/LSnCl2 溶液中于35℃敏化5min, 之后在015 g/L PdCl2溶液中于35℃活化3min。化学镀铜溶液以15～30 g/L CuSO4·5H2O 为主盐,10～25mL/L 甲醛为还原剂,15～30 g/LED 2TA 为络合剂。为了保护铜镀层,防止氧化和提高耐磨擦性能,需对其进行化学镀镍处理。活化敏化步骤同前。化学镀镍溶液以15 ～30g/LNiSO4·6H2O 为主盐,20～30 g/L 次亚磷酸钠为还原剂,20g/L 柠檬酸钠为络合剂。

1·3 　性能测试

耐湿磨实验按照GB/T8629 —2001 进行。B型家用全自动洗衣机,10B 洗涤程序。单次洗涤时间为10min, 摊平晾干,陪洗物为涤棉布。用GDM28055 型数字万用表测量镀层表面的接触电阻,两面各测3 处,取平均值。采用JEDLJSM 26360 型扫描电子显微镜(SEM) 对镀层进行表面形貌观察并拍照。用接触角测量仪JC98A 量取接触角。

2 结果与讨论

2·1 　碱减量处理

PET 纤维表面光滑,分子中缺少极性基团,给其表面化学镀造成了困难。但由于其在碱性条件下易发生酯键的离子化和水解[6],可用碱减量处理对其表面进行改性。本文对织物分别进行了1、2、3h的碱减量处理,对应的减量率为814%、2518%、4212%。碱减量处理时间越长,织物减量率大幅上升,力学强度,服用性能降低。织物作为化学镀的基体,需要保证其强度,因此碱减量处理时间不宜过长。

图1 　不同碱减量处理时间的PET 纤维SEM

图1 中的SEM 照片反映了碱减量处理时间对PET 纤维表面形貌的影响。未处理的织物纤维(图1a ) 表面光滑;随着碱减量处理时间的延长,纤维表面凹坑数量增多,粗糙度明显增大,处理3h 的纤维直径比处理前下降了约20% (图1b 、c、d) 。这表明碱减量处理可使纤维表面产生凹坑,增大比表面积,并可通过处理时间控制纤维表面的粗糙度,因此可作为一种PET 纤维表面处理的化学刻蚀手段。

通过测量织物空气、甘油的接触角,研究了碱减量处理对涤纶织物表面润湿性能的改善情况。如图2,

图2 　不同碱减量处理时间下的织物接触角

未经处理的涤纶织物接触角为10815°,处理1 、2 、3h 后分别为98°、97°和95°。可见随着碱减量处理

时间的增加,织物表面的接触角减小,润湿性能上升。因此,碱减量处理既可使纤维表面形成微观凹坑,增大比表面积,又可改非极性的疏水表面为亲水表面,提高敏化和活化时金属离子和金属在纤维表面的吸附性,有利于进一步的化学镀反应。

212 　镀层表面形貌

本研究采用SEM 观测了铜镀层和镍镀层微观形貌。

图3 　PET 纤维上铜镀层的SEM 照片

图3 中铜镀层表面粗糙,布满铜聚集形成的小颗粒。对比各图发现,图3a、b 镀层疏松,图3c、d镀层密实。说明碱减量处理时间的延长有利于提高镀层与纤维的结合紧密程度。

图4 　PET 纤维上镍镀层的SEM 照片

图4 反映了镍镀层的微观表面形貌,镀层上有大量颗粒状凸起,结构致密均匀,没有孔隙。碱减量处理并未对化学镀层的表面形貌产生明显影响。一般认为活化步骤会在基体表面形成大量的活性点,从而引发镀层金属的生长[7] 。本实验中经活化的织物表面存在大量的活性点,每个活性点上金属生长。生长达一定程度后会彼此影响,在镀层表面形成大量颗粒状的凸起,因此镀层表面形成了微观不平滑的形貌。

213 　接触电阻

根据Schelkunoff 的电磁理论,材料的电磁屏蔽效果与其导电率、屏蔽层厚度及入射电磁波的频率密切相关。提高材料的导电率是增强其电磁屏蔽性能的关键。金属镀层的电磁屏蔽效果主要决定于对电磁波的反射衰减作用,为了提高屏蔽效果,需获得导电性能好的镀层[8]。具有较低表面接触电阻的镀层将会具有较优的电磁屏蔽性能。接触电阻是表征屏蔽性能的重要参数。连续均匀的金属镀层具有电磁屏蔽性能,而随着镀层破坏接触电阻将下降,进而降低电磁屏蔽性。由于湿磨会对镀层造成破坏,而该破坏程度关系着镀层与织物的结合牢度,故用耐湿磨实验表征镀层牢度。耐湿磨实验中测量了各次洗涤后的镀层表面接触电阻。随着洗涤次数的增加,各镀层的电性能都将下降,接触电阻都呈上升趋势,并且最后会出现局部断路的情况。

a —未处理;b —碱减量处理1h;

c —碱减量处理2h;d —碱减量处理3h

图5 　镀层表面接触电阻随水洗时间的变化

如图5 所示,图5a 镀层接触电阻上升最快,耐洗性能最差,图5c 、d 镀层电阻的上升趋势趋于平缓,耐洗性能较好。可见图5c 、d 镀层与织物结合牢度较高;而图5a 镀层的结合牢度较低,在耐湿磨实验中较易被破坏。这说明织物的碱减量处理时间越长,镀层与织物的结合牢度将增强。

图6 　耐水洗处理后PET 纤维上镀层的SEM 照片

如图6 经水洗后,图6a 、b 镀层发生断裂和剥离,图6c 镀层表面损坏形式以裂纹为主,很少出现剥离的情况。图6d 镀层水洗后仅有小部分损坏,与图6a 镀层相比,局部剥离的现象已经得到了改善。对涤纶织物的碱减量处理有利于提高镀层与之的结合牢度。如前所述,经碱减量处理过的织物中纤维表面较粗糙,为镀层与织物的结合提供了机械互锁点,提高了结合牢度。碱减量处理时间越长,涤纶纤维表面形成的凹坑越多,则能提供越多的机械互锁点,因此随着碱减量处理时间的增加,镀层的耐湿磨性能逐渐增强。碱减量处理提高了织物表面和润湿性能,得于产生更多的生长活化点,使织物表面形成致密均匀的镀层。

从图6 可见,经洗涤后图6a 镀层的完整性遭到了严重破坏,导致电性能随洗涤次数的增加迅速下降。图6d 镀层损坏情况较轻,在纤维表面仍存在连续的导电层,电性能随洗涤次数的变化较为平缓。进而从镀层的微观形貌角度解释了不同碱减量处理时间对镀层电性能的影响。镀层的破坏形式以断裂和从纤维表面剥离为主,而没有出现镀层表面的磨损或变薄,说明镀层与纤维间的结合力远远低于金属原子间的结合力,而且镀层自身的延展性不够理想,仍然很容易遭到破坏。镀层表面不够光滑,存在许多凸起,容易在水洗过程中引起应力集中,促使镀层从纤维表面小块剥离。因此化学镀的配方和工艺仍有很大的改进空间。

3 　结论

(1) 对聚酯织物进行碱减量处理,使织物表面接触角由10815°降低至95°,提高了润湿性能,改善了织物表面的易镀性。且在织物纤维表面刻蚀出凹坑,增强了镀层与织物的结合牢度。

(2) 镀层的耐湿磨性可通过适当增加碱减量处理时间来进一步得到提高。经过2 和3h 碱减量处理的织物在经过50min 洗涤后表面接触电阻仍能保持012Ω以内。

(3) 随着碱减量处理时间由0 增加到3h, 镀层与织物的结合牢度呈上升趋势,有利于形成连续致密的电磁屏蔽镀层。

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