表面工程导论综述论文-塑料电镀的原理与应用.docx

塑料电镀的原理与应用综述金材112 黄智超 11430214 编辑资料金材112 彭志宁 11430217 搜集资料金材112 林海豹 11430215排版校对塑料电镀发展至今已经成为一门极有应用价值的表面处理技术。塑料电镀制品广泛用于汽车仪器仪表、电子、家用电器、服装等行业。随着工程塑料应用领域的扩大，塑料电镀范围也在扩大。但目前，国内传统的电镀前处理技术不够完善，尤其是在环保方面比较落后，塑料电镀厂家普遍采用的前处理工艺不仅繁琐，而且在粗化过程中使用铬酐，产生含铬污水，严重的污染环境，这在一定程度上阻碍了塑料电镀的发展制约了电镀工艺的应用和发展。本综述主要对最近几年塑料电镀的原理与应用进行简单介绍。一、 塑料电镀原理电镀是利用电解作用在机械制品上沉积出附着良好的、但性能和基体材料不同的金属覆层的技术。电镀层比热浸层均匀，一般都较薄，从几个微米到几十微米不等。通过电镀，可以在机械制品上获得装饰保护性和各种功能性的表面层，还可以修复磨损和加工失误的工件。镀层大多是单一金属或合金，如钛靶、锌、镉、金或黄铜、青铜等；也有弥散层，如镍-碳化硅、镍-氟化石墨等；还有覆合层,如钢上的铜-镍-铬层、钢上的银-铟层等。电镀的基体材料除铁基的铸铁、钢和不锈钢外,还有非铁金属,如ABS塑料、聚丙烯、聚砜和酚醛塑料，但塑料电镀前,必须经过特殊的活化和敏化处理。在盛有电镀液的镀槽中，经过清理和特殊预处理的待镀件作为阴极，用镀覆金属制成阳极，两极分别与直流电源的负极和正极联接。电镀液由含有镀覆金属的化合物、导电的盐类、缓冲剂、pH调节剂和添加剂等的水溶液组成。通电后，电镀液中的金属离子，在电位差的作用下移动到阴极上形成镀层。阳极的金属形成金属离子进入电镀液，以保持被镀覆的金属离子的浓度。在有些情况下，如镀铬，是采用铅、铅锑合金制成的不溶性阳极，它只起传递电子、导通电流的作用。电解液中的铬离子浓度，需依靠定期地向镀液中加入铬化合物来维持。电镀时，阳极材料的质量、电镀液的成分、温度、电流密度、通电时间、搅拌强度、析出的杂质、电源波形等都会影响镀层的质量，需要适时进行控制。 塑料电镀原理是底材为塑胶，通过化学方法将不导电的塑胶表面，形成导电层，再用电镀的方法进行装饰性或功能性的电镀，最常见的为ABS塑胶电镀，还有一种塑胶电镀为真空电镀，也是在塑胶的表面电镀，原理不同，达到的效果也大同小异。图表 1 电镀原理示意图二、 塑料电镀工艺原理塑料湿法电镀工艺基本流程为：除油一(预处理)一浸蚀一中和一(表面清洗)一添加催化剂一活化一非电解电镀一电镀。各个步骤的作用和原理如下。 (1)除油 由于塑料制品表面常沾有指纹、油污等有机物，以及靠静电作用而附着的灰尘等无机物，这些污垢都应加以去除。常用于除油的碱性试剂有硅酸盐和磷酸盐两类+其中硅酸盐会在表面形成硅酸盐薄膜，对后续浸蚀处理有影响，所以通常使用磷酸盐除油剂。 (2)预浸蚀 由于工程塑料及超工程塑料耐化学药品性能好，一般难以被化学药品浸蚀，因此在浸蚀之前要进行预浸蚀。预浸蚀常使用有机溶剂，利用有机溶剂使塑料表面产生膨润。经过预浸蚀处理可提高浸蚀加工效果。有的塑料较易被化学药品浸蚀，则可省略预浸蚀步骤。 (3)浸蚀 浸蚀是采用强氧化剂或强酸、强碱对塑料进行化学处理，使塑料表面有选择性的溶解，产生凹凸不平的固定点，结果使电镀产生良好的外观并保证镀层附着性好。如ABS塑料(苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚物)采用铬酸和硫酸的混合液做浸蚀剂，在强氧化性的铬酸作用下，塑料中的丁二烯氧化形成羰基等极性基并在塑料表面产生固定点。这些固定点是发生电镀的有利位置i又如工程塑料和超工程塑料经预浸蚀处理后，再在铬酸作用下，膨润的表面层就会局部产生氧化的固定点。而有无机物或玻璃纤维做填充剂的工程塑料；在强氧化剂的浸蚀作用下，填充剂溶解脱落而在塑料表面形成固定点。含有酯类结构的塑料在强酸、强碱浸蚀下也会解离而形成活化的固定点。(4)中和 经浸蚀处理后必须去除塑料表面残留的浸蚀剂，如用盐酸做浸蚀剂，需用氢氧化钠等碱中和。如用铬酸做浸蚀赳，表面上有残留的铬酸，会使后续的非电解电镀产生的镀层无法在塑料表面形成，导致镀层附着下降，外观不好，此时通常使用有还原性的盐酸或有机酸去除之。 (5)表面清理 对工程塑料和超工程塑料需要这一步骤，目的为在后续的添加催化剂处理步骤中提高表面对催化剂(金属钯)的吸附性。 (6)添加催化剂及活化处理 为使非电解电镀得到良好的效果，在塑料表面要吸附催化剂金属钯。具体作法为把塑料浸渍在含有氯化钯和二氯化锡的溶液(催化剂C)中浸渍。再在碱液或酸液中进行活化处理(多采用在硫酸或盐酸溶液中活化处理)以促进金属钯的生成。其反应式为： PdCl2+SnCl2 = Pd+SnCl4 (7)非电解电镀 非电解电镀(又称化学镀)是不依靠外界电流作用，而依靠化学试剂的氧化还原反应在物体表面沉积一层金属的方法。如化学镀银即是利用甲醛或还原性糖与银氨络合物发生氧化还原反应在金属、玻璃、塑料等的表面沉积一层银的方法。化学镀镍即是把被镀件浸入硫酸镍、次磷酸二氢钠(NaH2PO2)、柠檬酸(螯合剂)组成的混合溶液中在一定pH值和温度下；溶液中镍离子被次磷酸二氢钠还原为金属并沉积在表面上。在这个反应中钯起催化剂的作用。具体反应为： Ni2+ H2PO2- H2O = PdNi H2PO-3 2H+ 同时伴有副反应 H2PO2- H2O H2PO3 H2 H2PO2- H H2O OH- P 化学镀铜，即把被镀件浸入硫酸铜，酒石酸钾钠(螯合剂)和甲醛组成的混合溶液中，在碱性条件下，溶液中的铜离子被甲醛还原成金属铜而沉积在表面上。其反应式为： Cu2+2HCHO2 0H- =CuH22HCOOH并伴有副反应：2Cu2+HCHO5 0H- = Cu2OHCOO- + 3H2OCu2O + 2HCHO +20H-2Cu + H2 +2HCOO- + H2O 为使电镀层获得满意效果，在完成第一次化学镀层之后需继续多次进行化学镀层以提高镀层厚度。或利用化学镀层的导电性用常规电镀方法继续进行电镀处理。图表 2 电镀设备三、 塑料电镀的应用（1） 功能性应用 功能性应用的技术背景主要还是源于产品的轻量化和异形结构加工的简化。显然，采用塑料制件不仅重量大为减轻，而且加工成型也变得简易，特别是对于形状复杂的零件，如果采用注塑成型法，比起金属加工的效率要高得多。这在汽车、造船、航天航空等领域有着特别重要的价值。因为对于产承重装载功能的机械，自重的减轻意味着能耗的降低和效率的提高。 机械类 齿轮可以说是机械类制品的代表，其身份向来是钢铁或高强度的有色金属合金，但现在已经有了塑料的齿轮在各种机械中动转。齿条、叶轮、反光镜面、外壳、盖板、支柱、套筒、隔板等，都可以采用工程塑料制作，有些也用到电镀的方法加以保护或增强。早期的活字，也有采用塑料电镀制成的。有些产品只有在电镀后其制件的机械强度才能满足设计的要求，才可以大胆地采用塑料或塑料电镀的加工方法来制作相关零件。以齿轮和齿条为例，金属齿轮和齿条的加工是费时费料的工作，若采用塑料来制作，只要设计和制作好齿轮或齿条的模具，就可以注塑成型法大量生产。可是，在没有塑料电镀技术以前，塑料齿轮类零件只能用在玩具或非精密仪器仪表上，因为其机械强度和耐磨性能都不是很好。经过电镀加工后，镀上铜镍铬等金属，其机械强度和耐磨性能等大为改观，许多工业用仪器仪表和小承重的齿轮、齿条传动机构中，都可以采用塑料电镀制品；有些要求更高强度的制品，则可以采用玻璃纤维或其他材料增强了的树脂，比如玻璃钢（FRP）。这种非金属材料的引入使树脂制品在机械工业和日用五金结构中的应用不断增长。特别是在交通和运载工具中有着广泛应用。现在很多机壳机座，管线管道都用到了塑料或树脂制品，虽然不是都要求电镀，但是电镀作为一种选择在增强功能方面有其独到之处，是其他加工方法不能替代的。 电子类 高频电器屏蔽、印制板孔金属化、燃料计电极、无涡流开关、电波反射体、选择性透光体等，还有一些功能性和装饰性兼有的结构件，比如手机外壳、笔记本电脑外壳等，都有功能方面的要求。因为电脑和无线电信产品大都有电磁屏蔽方面的要求，而这些产品用来进行电磁屏蔽的金属膜，几乎都是采用电镀技术加工。当采用装饰性电镀后，只要镀层组合选择合理，就可以兼有电磁屏蔽的作用。 电子类产品的功能性要求大都是与电子传递、电波传送、导磁导电等有关，而这些功能以往都是靠金属制品来实现的。但是，在微电子特别是电波传送的场合，电波往往是在表面传送的，只要赋于表面相关金属的性能，就能达到所要的功能性目的。这就为塑料电镀制品在电子产品中的应用提供了空间。例如，微波的传输有一种趋肤效应，即在微波器件特别是在波导中，微波只在导体的表面与空间交界的区间传输；另一方面，微波传输过程中的传输损耗也很敏感，因此制作波导最好是高导电性材料，比如金属银。若全部用银来制作波导，那成本将是惊人的，所以实际上大都是用铜或铝来制作波导，表面镀银就行了。如果采用塑料来制作波导，表面镀银，同样能够完成微波的传输，曾有人试过用聚氨酯塑料镀银来制作轻型波导和天线。当然，对于大功率的微波器件，传输过程中会有较高的热效应，提高塑料的耐热性能成为关键。相信随着高分子材料的发展，这样的问题会迎刃而解。 塑料电镀在印刷线路方面的应用更是另辟蹊径的一个独特领域。不论是过去传统的印刷线路板还是现在的高密度多层板、绕性板等，都要用到塑料电镀技术。 交通运载类 汽车工业：前面已提到，汽车工业在采用塑料和树脂产品方面有广阔前景。特别在应用玻璃钢（FRP）方面，已经取得重要进展。这些应用中有些采用了表面金属化技术，并且采用电镀来增强其使用性能的比例会增长。 造船业：在造船业，塑料制品的应用也越来越多。特别是游艇或小艇，现在几乎完全是玻璃钢制成的。玻璃钢制造船体无论是强度还是成型性能方面都比钢材有较大优势，且其耐海水腐蚀性能也比钢船或木船要好得多。因此，玻璃钢在造船业的应用比在其他交通工具中更为广泛。在造船中使用其他非金属材料也比比皆是，其中不乏塑料电镀制品。尤其在仿古类型船只的制造，随船装饰品、船只附件和配件，都可用塑料电镀制品来仿制。包括镀铜的扶手、围栏、古代的金属盾牌、金属盔甲仍至于火炮都可用玻璃钢电镀来仿制。不光民用船只，军舰也有用到玻璃钢及其表面金属化技术，北约、丹麦等国家舰艇的舰体所用材料，正是用FRP制成的夹层构造。在外部和内部FRP层板之间使用蜂巢状结构内核，这种先进复合材料不仅减轻了舰艇的自身重量，而且强度高于同等重量的钢材，也无需考虑舰体腐蚀问题。更为重要的是这种树脂复合材料是无磁性的，这在反雷达侦察上有重要军事意义。为了实现电磁兼容性，在保证船体无磁性的同时，对电缆密封管、贯穿的非金属管和输送管等非金属表面采用热喷涂锌层进行屏蔽。 航天航空业：塑料电镀由于重量轻和比强度高，在航空、航天领域有着重要用途。用玻璃钢材料制作火箭整流罩这已众所周知，飞机的尾翼也有用玻璃钢制造的。这些场合，增加塑料的阻燃性非常重要，而经过电镀后的塑料有很好的阻燃性，且强度也有所增加。在人造非金属柔材料表面镀覆金属制作航空航天防护服也是这个领域的应用例子。早在上世纪6070年代，前苏联就开始采用聚四氟乙烯经镀铜、锡铅等后用作火箭技术工业中的密封圈，这种密封圈在低温下的性能，比天然橡胶的密封圈要好。（2） 装饰性应用现代汽车、摩托车和自行车日趋轻量化且豪华美观，其塑料电镀发挥了重要作用。如车门拉手、商标、反光镜、方向盘、轮壳罩等装饰，大量采用塑料电镀制品。增加塑料配件的用量对降低车体重量是有效的措施，但是若没有电镀金属作为其表面装饰和防护，是不现实的。除了汽车，在高级游轮、高速列车、飞机上都不乏用塑料电镀制品做装饰，特别是造型独特的标志性商标类雕塑制品，采用塑料成型可以很方便复制出其完美的造型而又在其表面呈现各种高档的金属质感。目前，塑料电镀技术已广泛应用到建筑工程、电子电器、家庭用品等众多领域。 交通工具类 现代汽车、摩托车和自行车，在追求轻量化、豪华美观的发展中，塑料电镀起到了举足轻重的作用。从车门拉手、汽车商标、车内饰、反光镜、表盘装饰、操作杆头、方向盘装饰、高级车轮壳罩等，大量采用塑料电镀制品。增加塑料配件的用量对于降低车体自重是有效的措施，但是，如果没有电镀金属作为其表面的装饰和防护，要想在汽车摩托车行业大量采用塑料是不现实的。 除了汽车，在高级游轮、高速列车、飞机上都不乏使用塑料电镀制品做装饰的例子。特别是造型独特的标志性商标类雕塑制品，采用塑料成型可以很方便复制出其完美的造型而又可以在表面表现各种高级的金属质感。不论是传统的镀装饰铬还是镀仿金、仿银或仿白金，也不论是体现复古情趣的仿古铜、古银还是追求时代感的亚光镍或枪色镀层，塑料电镀都能做到。随着工程塑料技术的进一步发展，高强度塑料在现代交通工具中的应用还会扩大，相信对这些塑料的电镀需求也会同步增长。 建筑装饰类 目前，建筑装饰已经是建筑物的重要组成部分。无论是从经济效益的角度还是提高建筑安全性能的角度，采用轻质非金属材料制作建筑装饰件都是十分有利的事，这种材料的首选就是玻璃钢。在没有玻璃钢电镀技术以前，玻璃钢就已在建筑中有多项应用，比如采用外刷油漆的装饰工艺。在玻璃钢电镀技术开发以后，玻璃钢在建筑装饰中的应用如日中天，并且使之由原来的低档次材料转变为高级的装修手段，比如建筑物的金属楼徽、大型招牌字、墙面浮雕、吊灯、门饰、工艺壁灯、廊柱装饰、室内外雕塑等。不仅是玻璃钢，事实上，在现代建筑材料中，塑料已经占到相当大的比重，早在上世纪70年代，发展国家用于建筑的塑料已经占到塑料总产量的2025%，在21世纪的今天，塑料在建筑工程中的应用更是举不胜举。如果将塑料电镀的应用扩展到建筑结构件上，相信又将催生了一些新的构想。与建筑装饰相关的还有园林装饰件的批量生产或定制生产，这在北美和澳洲已经非常流行。由玻璃钢制作的园林雕塑经过电镀铜再制作出各种效果，在园林中别有情调。 电子电器、家庭用品和文具类 这是一个更大的塑料电镀技术的应用领域。从家用电器的装饰拉手、外框、旋钮、提手、罩盖到商标、铭牌、刻度板、压条、机壳等广泛采用塑料电镀技术。现在流行的手机、MP3、U盘、笔记本电脑等外壳，都有采用塑料电镀配件的例子。这不仅降低了产品的重量和成本，而且又有金属装饰的效果。由于表面镀上了一层金属镀层，还兼有电磁屏蔽或提高强度、增加散热性等功能性作用。因此，在今后新一代电子类产品的开发中，采用塑料电镀技术的例子还会增长。 除了家用电器，家庭用品中还有许多产品可以用到塑料电镀技术。比如镜框、像框、水瓶壳、盖子、挂钟、台历板、家具把手等，现在更发展到卫浴用品的花洒、水龙头、水具等。这类产品也形成了专门的加工产业，从模具的定制到注塑成型，然后电镀，某些生产厂商更是直接面对市场，使其成本进一步下降。文具用品主要是园珠笔、钢笔类产品的笔杆、笔套，小型计算器的外壳、打字机、复印机附件等，由于是消耗性产品，所以用量也是较大的。 工艺品和艺术品类 采用玻璃钢制作雕塑工艺品已经有多年的历史，至今仍经久不衰。这种工艺品以彩绘作为表面装饰，可制作各种小型雕塑工艺品，从中国的十二生肖、神话人物到外国的圣诞老人，从工艺钟表的钟座，到仿古铜工艺台灯座，应有尽有。许多雕塑家制作的人物、动物经表面电镀后以青铜、古铜、古银等表面效果加以装饰后，更为生动感人。这都是因为在开发出塑料和玻璃钢电镀技术以后，增强了这类雕塑工艺品的表现手法和艺术效果，使得这类雕塑工艺品深受市场的欢迎。因为这种产品比起完全的金属制品不仅成本低，而且因为模型可以做得非常细腻而增强了制品的艺术魅力。当前在某些旅游景点，随时都可以看见这种技术制作的工艺品在那里展示风彩。 一些艺术大师的大型雕塑作品或某些大型城市雕塑，也采用玻璃钢电镀作为大样材料。由于玻璃钢可以非常逼真地再现原件的模样，因此，也成为仿制珍贵雕塑类文物的重要手段。加上电镀技术的引入，使得无论是古代文物还是对现代的金属雕塑制品都获得了一种以非金属材料表现金属效果的技术诀窍。（3） 其他应用 由于塑料电镀综合了非金属材料和金属材料两方面的优点，因此其应用前景非常广阔。从前面的例子可以看出，只要设计人员对两者的性能有足够的了解，充分加以利用，就有可能制作出有特点的制品。在陶瓷基体上电镀铜制作特制的电容器，对全塑料封装的小型变压器的外封装塑料进行电镀来屏蔽电磁场等，都是利用了塑料电镀的特点。其中一个很重要的应用就是以非金属为模型的电铸。现在的手机、笔记本电脑、随身听、数码相机等电池已经是家喻户晓的电子产品，