胶体铜活化碳纤维并一步制备化学镀铜-镍双金属层的方法技术

本发明专利技术为一种胶体铜活化碳纤维并一步制备化学镀铜‑镍双金属层的方法。该方法采用的胶体铜活化法，取代传统的钯，采用便宜的物料硫酸铜，且优化后的活化液稳定性好、活化性强、后续化学镀时形成的复合镀层均匀连续；并且一步法化学镀铜‑镍双金属层的方法，比起先镀铜后镀镍的两步法而言，硫酸铜和硫酸镍的用量减少，一步法更快捷，效率更高；用次亚磷酸钠替代甲醛作还原剂，减少环境污染和对人体危害。

Colloidal Copper Activates Carbon Fiber and One-Step Preparation of Electroless Copper-Nickel Bimetallic Layer

The invention relates to a colloidal copper activated carbon fiber and a one-step method for preparing electroless copper-nickel bimetallic layer. The colloidal copper activation method is used to replace the traditional palladium, and the cheap material copper sulfate is used. The optimized activation solution has good stability, strong activation, and the composite coating formed during subsequent electroless plating is uniform and continuous. The one-step method of electroless copper-nickel bimetallic coating reduces the amount of copper sulfate and nickel sulfate compared with the two-step method of first copper plating and then nickel plating, and the one-step method reduces the amount of copper sulfate and nickel sulfate. The method is faster and more efficient. Sodium hypophosphite is used instead of formaldehyde as reducing agent to reduce environmental pollution and harm to human body.

【技术实现步骤摘要】
胶体铜活化碳纤维并一步制备化学镀铜-镍双金属层的方法
本专利技术属于复合材料领域，涉及一种胶体铜活化碳纤维并一步制备化学镀铜-镍双金属层的方法。
技术介绍
碳纤维(carbonfiber，简称Cf)是由碳元素组成的一种特种纤维，具有密度小、质量轻、强度大、热膨胀系数小、摩擦系数小、润滑性好、导电性好、耐腐蚀性好、与其他材料相容性好、柔曲性好、可设计性强等优点，常被选作理想的复合材料增强体广泛应用于复合材料的制备。碳纤维增强铝基复合材料综合碳纤维增强相和铝基体的优异性能于一体，具有抗氧化、耐高温、抗辐照及防燃、不吸湿不放气不老化、导电导热性好等诸多方面的优点，成为最具发展潜力的复合材料之一。其应用领域也由航空航天、军工领域向民用的汽车工业、电子、体育用品、建筑等领域逐步拓展，显示出了巨大的潜力。碳纤维增强铝基复合材料一般采用液态铸造法制备，Cf和Al的润湿性有限，导致复合材料中Cf与Al的界面相容性差，高温下Cf与Al在界面处反应生成脆性相Al4C3使复合材料的性能有所下降。对碳纤维进行改性，在Cf表面涂覆单金属层(Ni或Cu)，可以改善Cf和Al的润湿性，抑制界面反应的发生。Rams研究表明，Ni涂层在Cf/Al界面处生成的Ni-Al-P的金属间化合物可改善6061铝合金和碳纤维的润湿性，但是Al3Ni相不规则地沉积在Cf-Al界面上或者分散在基体合金中，可能会作为潜在的裂纹源使复合材料的承载能力变差而容易断裂，同时Ni向纤维的扩散会促进纤维的石墨化并损伤碳纤维。Urena研究表明，Cu在Cf/Al界面处生成Al2Cu相，阻止纤维与铝的直接接触及Al4C3的生成，改善润湿性，且镀Cu碳纤维在高温下具有较好的强度保持率，但是Cf-Cu界面不存在化学反应及扩散反应，其界面是一种以机械结合为主的物理结合，界面处存在孔隙，致密性差，界面结合力差。故Ni涂层和Cu涂层作为单一涂层并不是最理想的涂层。而Cu-Ni双镀层改性碳纤维经热处理后，复合镀层与碳纤维形成结合力强的扩散结合，且Cu层作为中间层对Ni向C的扩散有阻碍作用，减弱对纤维的损伤。邹豪豪采用两步法化学镀(碳纤维表面先镀铜再镀镍)制备Cu-Ni复合金属涂层，化学镀单层Ni和单层Cu所需硫酸镍和硫酸铜的用量分别为20-25g/L和25-30g/L，而本专利采用一步法化学镀Cu-Ni双镀层所需的硫酸镍和硫酸铜的用量仅为2g/L和10g/L，药品用量更少，实验步骤简捷，实验效率更高；且一步法化学镀所用的还原剂为次亚磷酸钠，替代传统化学镀铜时的甲醛，减少对人体的危害。张宁采用传统的金属钯活化法(金属钯活化是使基体表面形成一层非连续的贵金属颗粒，使基体表面有催化还原的能力，使化学镀反应能在基体表面顺利进行)对碳纤维进行活化处理，金属钯的价格昂贵，药品成本高，废液易造成环境污染；赖兴华采用传统的胶体铜活化法对ABS塑料进行活化处理，传统的胶体铜活化液的稳定性差，活化性弱，活化处理后化学镀时存在漏镀现象且难以形成连续均匀的金属镀层，且经传统胶体铜活化处理后只能进行化学镀单金属层。综上所述，当前技术中，存在着金属钯活化法中金属钯的用量多且钯价格昂贵，废液严重污染环境等不足；传统胶体铜活化液稳定性差、活化性弱、活化处理后化学镀时存在漏镀现象且难以形成连续均匀的金属镀层等不足；以及当前化学镀复合镀层中两步法化学镀原料用量多且步骤繁琐等不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对当前技术中存在的不足，提供一种优化的胶体铜活化碳纤维并一步制备化学镀铜-镍双金属层的方法。该方法采用的胶体铜活化法，取代传统的钯，采用便宜的物料硫酸铜，且优化后的活化液稳定性好、活化性强、后续化学镀时形成的复合镀层均匀连续；并且一步法化学镀铜-镍双金属层的方法，比起先镀铜后镀镍的两步法而言，硫酸铜和硫酸镍的用量减少，一步法更快捷，效率更高；用次亚磷酸钠替代甲醛作还原剂，减少环境污染和对人体危害。本专利技术的技术方案为：一种胶体铜活化碳纤维并一步制备化学镀铜-镍双金属层的方法，包括以下步骤：步骤一、碳纤维表面预处理(1)去胶：将碳纤维置于管式炉氩气保护气氛中，380～420℃下保持20～40min，完成去胶；(2)分散：将去胶后的碳纤维放入聚乙二醇分散剂中，并在室温下超声处理5～15min；(3)除油：将经分散处理后的碳纤维放入除油剂中，并在45～55℃下浸泡30～40min；其中，除油剂为含有50g/L的氢氧化钠、15g/L的碳酸钠、30g/L的磷酸钠的水溶液；(4)粗化：将除油处理后的碳纤维放入粗化液中，30～40℃下浸泡20～40min；其中，粗化液为含有200g/L的硫酸铵、100mL/L硫酸的水溶液；(5)中和：经粗化处理的碳纤维浸没入10％的氢氧化钠溶液中，超声处理2-4min；(6)活化：将粗化处理后的碳纤维在50-55℃下浸没在活化液中3～8min；其中，活化液为每升含有10g的明胶、25g硫酸铜、8g硼氢化钠、20mL正丁醇、2mL稀硫酸，且pH值为8-9的水溶液；(7)解胶：活化处理后的碳纤维浸没入5％的氢氧化钠溶液，室温下超声处理2min；上述预处理过程中每一步完成后，都要用去离子水冲洗2-3次。步骤二、一步法碳纤维表面化学镀铜-镍双金属层将预处理过的碳纤维放入镀液中，60-70℃下保温55-65min，即可得到包覆铜-镍双金属层的改性碳纤维；所述的镀液为每升含有10g的五水硫酸铜、2g的硫酸镍、25g的柠檬酸钠、30g的硼酸、30g的次亚磷酸钠、10mg的2.2’-联吡啶、50mg的苯亚磺酸钠、6.5mg的甲基橙，且pH值为8-9的水溶液；其中，硫酸铜作为铜盐，是Cu2+的供应源；2.2’-联吡啶、苯亚磺酸钠、甲基橙为本化学镀体系中有效的添加剂，一定程度上降低化学沉积速率，镀液更稳定；次亚磷酸钠作为还原剂，硫酸镍形成的Ni+作再活化剂，二者保证化学镀反应的持续进行；柠檬酸纳作为缓冲剂调节镀液pH值，使镀液更稳定；硼酸配合缓冲剂作为pH值调节剂。所述的碳纤维为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维。所述的步骤一中第(6)步中活化液的制备方法为：A、称取10g的明胶溶于700mL去离子水中，溶液温度保持在60℃，得到A溶液；B、将上述溶液用稀硫酸调节pH值至1.8，称取25g硫酸铜加入A溶液中，使之溶解，得到B溶液；C、称取8g硼氢化钠溶解于B溶液中，得到C溶液；D、向C溶液中加入20ml正丁醇作消泡剂，得到D溶液；E、待冷却至室温后，将D溶液加去离子水至1L，氨水调节活化液pH值为8.5，活化温度50℃，活化时间5min。所述的步骤二中的镀液的制备方法为：(1)称取10g的五水硫酸铜用900mL去离子水溶解，搅拌；(2)依次称取2g的硫酸镍、25g的柠檬酸钠、30g的硼酸、10mg的2.2’-联吡啶、50mg的苯亚磺酸钠、6.5mg的甲基橙加入上述溶液中，搅拌；(3)称取30g的次亚磷酸钠用100mL去离子水充分溶解后加入上述溶液中，搅拌；(4)用氨水调节上述混合溶液的pH值为8-9；(5)将预处理过的碳纤维放入上述镀液中，在恒温箱中60-70℃下保温55-65min。本专利技术的实质性特点为：本专利技术用铜代替贵金属钯作为活性组分进行非金属镀前活化处理，不用贵金属钯，降低成本，减少环境污染，降低了传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种胶体铜活化碳纤维并一步制备化学镀铜‑镍双金属层的方法，其特征为该方法包括以下步骤：步骤一、碳纤维表面预处理(1)去胶：将碳纤维置于管式炉氩气保护气氛中，380～420℃下保持20～40min，完成去胶；(2)分散：将去胶后的碳纤维放入聚乙二醇分散剂中，并在室温下超声处理5～15min；(3)除油：将经分散处理后的碳纤维放入除油剂中，并在45～55℃下浸泡30～40min；其中，除油剂为含有50g/L的氢氧化钠、15g/L的碳酸钠、30g/L的磷酸钠的水溶液；(4)粗化：将除油处理后的碳纤维放入粗化液中，30～40℃下浸泡20～40min；其中，粗化液为含有200g/L硫酸铵、100mL/L硫酸的水溶液；(5)中和：经粗化处理的碳纤维浸没入10％的氢氧化钠溶液中，超声处理2‑4min；(6)活化：将粗化处理后的碳纤维在50‑55℃下浸没在活化液中3～8min；其中，活化液为每升含有10g的明胶、25g硫酸铜、8g硼氢化钠、20mL正丁醇、2mL稀硫酸，且pH值为8‑9的水溶液；(7)解胶：活化处理后的碳纤维浸没入5％的氢氧化钠溶液，室温下超声处理2min；上述预处理过程中每一步完成后，都要用去离子水冲洗2‑3次；步骤二、一步法碳纤维表面化学镀铜‑镍双金属层将预处理过的碳纤维放入镀液中，60‑70℃下保温55‑65min，即可得到包覆铜‑镍双金属层的改性碳纤维；所述的镀液为每升含有10g的五水硫酸铜、2g的硫酸镍、25g的柠檬酸钠、30g的硼酸、30g的次亚磷酸钠、10mg的2.2’‑联吡啶、50mg的苯亚磺酸钠、6.5mg的甲基橙，且pH值为8‑9的水溶液；所述的碳纤维为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维。...

【技术特征摘要】
1.一种胶体铜活化碳纤维并一步制备化学镀铜-镍双金属层的方法，其特征为该方法包括以下步骤：步骤一、碳纤维表面预处理(1)去胶：将碳纤维置于管式炉氩气保护气氛中，380～420℃下保持20～40min，完成去胶；(2)分散：将去胶后的碳纤维放入聚乙二醇分散剂中，并在室温下超声处理5～15min；(3)除油：将经分散处理后的碳纤维放入除油剂中，并在45～55℃下浸泡30～40min；其中，除油剂为含有50g/L的氢氧化钠、15g/L的碳酸钠、30g/L的磷酸钠的水溶液；(4)粗化：将除油处理后的碳纤维放入粗化液中，30～40℃下浸泡20～40min；其中，粗化液为含有200g/L硫酸铵、100mL/L硫酸的水溶液；(5)中和：经粗化处理的碳纤维浸没入10％的氢氧化钠溶液中，超声处理2-4min；(6)活化：将粗化处理后的碳纤维在50-55℃下浸没在活化液中3～8min；其中，活化液为每升含有10g的明胶、25g硫酸铜、8g硼氢化钠、20mL正丁醇、2mL稀硫酸，且pH值为8-9的水溶液；(7)解胶：活化处理后的碳纤维浸没入5％的氢氧化钠溶液，室温下超声处理2min；上述预处理过程中每一步完成后，都要用去离子水冲洗2-3次；步骤二、一步法碳纤维表面化学镀铜-镍双金属层将预处理过的碳纤维放入镀液中，60-70℃下保温55-65min，即可得到包覆铜-镍双金属层的改性碳纤维；所述的镀液为每升含有10g的五水硫酸铜、2g的硫酸镍、...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹晓明，程晓超，范永哲，赵雪，马瑞娜，杜安，武建军，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12