CN109554916A - 一种表面金属化芳纶纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤，1芳纶表面处理：将芳纶纤维除油、清洁后置于三聚氰胺甲醛树脂预聚物溶液中，20～80℃下处理5～60s后取出并轧干表面水分，烘干；2活化：将经步骤1处理后的芳纶纤维浸入活化液中进行表面活化处理，然后用水除去芳纶纤维表面残留的溶液；3还原：将活化处理后的芳纶纤维置于能将活化液中的金属离子还原的还原剂中，室温反应1～5min，然后用水冲洗并烘干；4化学镀：将还原的芳纶纤维置于镀液中进行化学镀，完成后取出、水洗、烘干。该方法简单易行、安全可靠、操作方便、经济环保，易于规模化生产；得到的表面金属化芳纶具有密度小、强度高、导电性好等特点。

Description

一种表面金属化芳纶纤维的制备方法
技术领域
本发明属于纤维材料的表面金属化处理领域，具体涉及一种表面金属化芳纶纤维的制备方法。
背景技术
芳纶以高强度、高模量、耐高温、阻燃等优异的性能而广泛应用于先进复合材料、防护材料、橡胶增强材料、缆绳和光缆、工业织物、建筑结构加固材料、摩擦材料和密封材料等诸多领域。但芳纶表面能低、惰性大，缺乏可改性的官能团，因此与基体的界面相容性差，影响复合材料的力学性能，限制了其应用范围。在芳纶表面金属化处理后，有利于增强其与金属基体的界面粘接强度，可用于金属基复合材料的力学增强。此外，表面金属化还可以大幅提高芳纶的导电性能，与金属线相比具有质轻、柔软等显著的优势，可作为航空航天、通讯线缆等设备的屏蔽材料使用。
化学镀法是高分子材料表面金属化的一种简单有效的途径，已被广泛应用在化学、机械、汽车、电子、航空航天等工业部门。与电镀相比，化学镀不需要外加电源，利用溶液中的还原剂将金属离子还原为金属并沉积在基体表面上形成镀层，操作方便，工艺简单，镀层均匀、孔隙率小、外观良好，而且能在高分子材料、陶瓷等多种非金属基体上沉积。化学镀法的主要工艺流程为除油、粗化、敏化、活化以及施镀等工艺。其中，粗化工艺是指采用物理或化学的方法使高分子材料表面变得粗糙、无光泽并具有亲水性的过程。粗化的目的是提供“锚固点”，提高镀层与基体的结合力。此外，由于高分材料表面不具有催化活性，不能诱导镀液中的金属离子发生氧化还原反应，因此化学镀工艺前需对材料表面进行敏化、活化处理，即先使材料表面吸附一些易氧化的物质（敏化剂）如SnCl2、TiCl3等，然后进行活化处理，吸附的敏化剂被氧化，而活化剂被还原成催化晶核，还原的贵金属呈胶体状微粒附着在材料表面，具有较强的催化活性，为化学沉积提供必要条件。
目前，许多学者采用化学镀法对芳纶表面进行金属化处理，如专利CN102899890A公开了一种化学镀法制备表面镀镍或铜的芳纶，采用含碱15～45wt%的乙醇溶液在30～45℃下对芳纶进行粗化处理，然后采用氯化亚锡和氯化钯分别作为敏化剂和活化剂对芳纶进行镀前处理，制备的镀金属芳纶具有良好的导电性能，镀层与纤维界面粘接程度好，镀层不易脱落。专利CN103668944A也公开了一种表面镀银芳纶的制备方法，采用氢氧化钠溶液和强酸溶液对纤维进行粗化处理，分别采用氯化亚锡和氯化钯作为敏化剂和活化剂进行处理，制备的芳纶具有优异的导电性能，能作为屏蔽材料使用。杜邦公司公布的专利CN1089309A和CN1150829A中采用浓度为80～90%的浓硫酸作为粗化试剂，然后使用锡-钯溶液作为敏化液进行镀前处理。虽然采用传统化学镀的工艺可制备表面镀金属的芳纶，但粗化过程会对纤维的聚集态结构造成严重的破坏，导致纤维力学性能大幅下降，且镀层与纤维基体之间仅依靠粗化过程形成的“锚固点”结合，结合力较差，在后续加工或纺织过程中，镀层易因摩擦而脱落，限制了镀金属芳纶的应用范围。另外，传统的敏化过程中使用的氯化亚锡对环境有一定的危害，且活化工艺对价格昂贵的氯化钯的利用率不高。因此，部分学者对传统化学镀工艺进行改进，如梁晶晶等人（镀银导电芳纶纤维的制备及其性能研究，上海大学，博士学位论文，2012）采用金属化溶胀工艺对芳纶进行镀前处理，但该法使用的金属化试剂（NaH-DMSO）易燃、易爆，不能满足大规模生产需求。专利CN1077996A在芳纶中添加2～30wt%的聚乙烯基吡咯烷酮，该复合纤维在化学镀过程中不需要粗化工艺，聚乙烯基吡咯烷酮增强了纤维表面对镀层的附着力，但同时会导致纤维力学性能下降。专利CN104532553A报道采用壳聚糖对芳纶进行镀前处理，避免传统化学镀过程中所需的敏化工艺，制备的镀银芳纶具有良好的导电性能，但芳纶仍需经酸性高锰酸钾溶液在20～50℃下粗化处理20～40min，会对纤维的结构及力学性能造成较大的破坏。
发明内容
本发明旨在解决现有表面金属化芳纶制备过程中粗化工艺导致纤维力学性能降低，敏化过程中使用的氯化亚锡对环境有一定的危害，活化工艺对价格昂贵的氯化钯的利用率不高的问题，提供一种新的表面金属化芳纶的制备方法，该方法工艺简单易行、安全可靠、操作方便、经济环保，易于规模化生产；得到的表面金属化芳纶具有密度小、强度高、导电性好等特点。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤，
（1）芳纶表面处理：将芳纶纤维除油、清洁后置于三聚氰胺甲醛树脂预聚物溶液中，20～80℃下处理5～60s后取出并轧干表面水分，烘干，备用；
（2）活化：将经步骤（1）处理后的芳纶纤维浸入活化液中进行表面活化处理，活化处理后用水除去芳纶纤维表面残留的溶液，备用；
该步骤中，用水冲洗除去芳纶纤维表面残留的活化溶液，可直接用去离子水冲洗，也可以先用清水冲洗，然后再用去离子水冲洗，避免清水中的金属离子影响后续步骤的进行；
（3）还原：将经步骤（2）活化处理后的芳纶纤维置于能将活化液中的金属离子还原的还原剂中，室温反应1～5min，然后用水冲洗并烘干，备用；
（4）化学镀：将经步骤（3）还原的芳纶纤维置于镀液中进行化学镀，完成后取出、水洗、烘干。
所述表面金属化芳纶包括表面镀镍、银以及铜；所述芳纶纤维包括对位芳纶和间位芳纶。
在步骤（1）中，所述三聚氰胺甲醛树脂预聚物溶液的固含量为1～10%。
在步骤（1）中，所述烘干温度为80～170℃。
在步骤（2）中，所述活化液包括氯化钯溶液、硝酸银溶液；所述表面活化处理的温度为20～80℃，时间为1～10min。
所述氯化钯溶液的浓度为20～100mg/L，所述硝酸银溶液的浓度为20～100mg/L。
在所述步骤（3）中，所述能将活化液中的金属离子还原的还原剂包括次亚磷酸钠溶液、次亚磷酸钾溶液、水合肼溶液及甲醛水溶液。所述次亚磷酸钠溶液和次亚磷酸钾溶液的浓度为10～60g/L，所述水合肼溶液和甲醛水溶液分别为5～30ml/L、5～20wt%。
所述步骤（4）中镀液包括镀镍液、镀银液及镀铜液。
步骤（4）中，所述化学镀的温度为40～60℃、化学镀时间为20～60min。
本发明具有以下有益效果
1、现有技术中的纤维表面金属化先将纤维表面粗化处理然后进行敏化处理，然后再吸附活化液中的金属离子，相比现有技术，本发明先在芳纶表面涂覆一层三聚氰胺甲醛（MF）树脂，再利用MF树脂官能团的螯合作用直接吸附活化液中的金属离子，在涂覆一层三聚氰胺甲醛（MF）树脂烘干处理后，直接进入活化步骤，无需进行敏化处理，避免了敏化处理用的氯化亚锡对环境造成的污染，同时，减少了操作步骤；本发明中，MF树脂官能团的螯合作用直接吸附活化液中的金属离子，相比粗化、敏化处理后吸附活化液中的金属离子的操作，由于MF树脂对钯离子有较强的络合吸附能力，能大大的提高活化液的利用率，降低活化液中贵金属成本；本发明通过在芳纶表面涂覆一层MF树脂吸附络合活化液中的金属离子，从而替代了现有技术中的粗化、敏化处理步骤，避免了采用强酸或强碱对纤维进行粗化处理造成的纤维结构破坏问题，从而保留了纤维优异的力学性能，从而保证镀金属芳纶具有较高的力学性能，有利于其用作增强材料使用，拓宽了镀金属芳纶的应用范围。采用本发明制备的表面镀金属芳纶，具有密度小、强度高、导电性好等特点。本发明方法工艺简单易行、安全可靠、操作方便、经济环保，易于规模化生产。
由于MF树脂与活化液中的金属离子络合，从而改变了常规方法仅依靠物理吸附作用而造成的镀层不牢固、易剥落的缺点，制得的芳纶镀层结合力好，镀层致密，在后续加工或纺织过程中镀层不会脱落。
2、本发明采用的三聚氰胺甲醛树脂预聚物溶液可以是任何浓度的三聚氰胺甲醛树脂预聚物溶液，但固含量过低影响生产效率，增加成本，而固含量过高则会导致纤维不易分丝，影响产品的应用范围。因此，本发明优选固含量为1～10%的三聚氰胺甲醛树脂预聚物溶液，既能保证生产效率，同时不会出现纤维不易分丝的情况。
3、三聚氰胺甲醛树脂在低于80℃时，交联反应进行很慢，而在170℃以上可能会发生三聚氰胺甲醛树脂的分解。本发明将芳纶纤维置于三聚氰胺甲醛树脂预聚物溶液中处理后，在80～170℃条件下烘干，使三聚氰胺甲醛树脂充分的进行交联反应，避免温度过低或过高存在的问题。
4、本发明采用的活化液浓度为20～100mg/L，原则上活化液浓度更高也可以，但因为活化液采用氯化钯以及硝酸银等贵金属盐，价格昂贵，浓度过高，不利于提高利用率，增加成本；而浓度过低则会增加活化时间，不利于生产。因此优选的浓度范围是20～100mg/L，能有效避免上述问题。
5、本发明中，还原活化液中的金属离子的还原剂，如果浓度过高；则增加成本，而浓度过低则会增加还原时间，不利于生产，因此本发明还原剂亚磷酸钠溶液和次亚磷酸钾溶液优选的浓度范围是10～60g/L，水合肼溶液优选的浓度为5～30ml/L,甲醛溶液优选的浓度为5～20wt%；保证了生产效率，优化了生产成本。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员可以根据上述本发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
另外，值得说明的是，1）以下实施例和对比例所得纤维的力学性能是按照GB/T14337-2008《短纤维拉伸性能试验方法》测定的；2）以下实施例和对比例所得纤维的电阻率采用欧姆/厘米纤维来度量，为测定每厘米长纤维的欧姆数，需将纤维置于平面上，然后用欧姆计的二探头紧压在相距10cm的纤维两点处；3）以下实施例和对比例所得纤维的镀层附着力是通过将镀膜表面进行摩擦以确定金属从基片上脱落的难易程度来测定的。附着力的大小可用主观法测定，即用手工方法摩擦镀膜物件以估计金属镀层被擦掉的难易程度。客观的测定附着力的方法尚未完全开发出来，本发明采用冷热循环法间接分析纤维基体与镀层之间的结合力，将镀金属后的芳纶纤维样品放入100℃的水中煮30min，然后在冷水中放置5min，如此重复3次，试验后观察镀层有无腐蚀点、裂纹、起泡、脱皮或变色等现象。
实施例1：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤：
①将芳纶置于80℃、固含量为1%的MF树脂预聚物中处理10s。将处理后的芳纶轧干表面水分后在80℃下烘干备用；
②将步骤①处理后的芳纶置于20mg/L氯化钯溶液中，80℃下活化1min后取出，洗涤并干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于10g/L的次亚磷酸钠溶液中还原5min后取出，洗涤并干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀银液中40℃下反应30min，其中镀银液组成为30g/L的硝酸银、30ml/L的氨水、32ml/L的甲醛水溶液（甲醛含量为37%），然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀银芳纶，其性能如表1所示。
实施例2：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤：
①将芳纶置于60℃、固含量为3%的MF树脂预聚物中处理30s。将处理后的芳纶轧干表面水分后在120℃下烘干备用；
②将步骤①处理后的芳纶置于100mg/L氯化钯溶液中，40℃下活化5min后取出，洗涤并干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于10g/L的次亚磷酸钾溶液中还原5min后取出，洗涤并干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀银液中40℃下反应30min，镀液组成同实施例1，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀银芳纶，其性能如表1所示。
实施例3：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤：
①将芳纶置于40℃、固含量为5%的MF树脂预聚物中处理30s。将处理后的芳纶轧干表面水分后在140℃下烘干备用；
②将步骤①处理后的芳纶置于60mg/L氯化钯溶液中，60℃下活化2min后取出，洗涤并干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于60g/L的次亚磷酸钠溶液中还原5min后取出，洗涤并干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀银液中40℃下反应30min，镀液组成同实施例1，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀银芳纶，其性能如表1所示。
实施例4：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤：
①将芳纶置于20℃、固含量为5%的MF树脂预聚物中处理60s。将处理后的芳纶轧干表面水分后在170℃下烘干备用；
②将步骤①处理后的芳纶置于50mg/L氯化钯溶液中，20℃下活化10min后取出，洗涤并干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于60g/L的次亚磷酸钾溶液中还原5min后取出，洗涤并干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀银液中40℃下反应30min，镀液组成同实施例1，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀银芳纶，其性能如表1所示。
表1 实施例1-4所得镀银芳纶性能
实施例5：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤：
①将芳纶置于40℃、固含量为2%的MF树脂预聚物中处理20s。将处理后的芳纶轧干表面水分后在120℃下烘干备用；
②将步骤①处理后的芳纶置于20mg/L氯化钯溶液中，30℃下活化4min后取出，用去离子水洗涤并干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于5ml/L的水合肼溶液中还原3min后取出，洗涤并干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀镍液中40℃下反应60min，其中镀镍液组成为45g/L的五水硫酸镍、35g/L的次亚磷酸钠、20g/L的无水醋酸钠、10g/L的柠檬酸钠，并用氨水调节pH值至9.25，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀镍芳纶，其性能如表2所示。
实施例6：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤：
①将芳纶置于40℃、固含量为2%的MF树脂预聚物中处理20s。将处理后的芳纶轧干表面水分后在120℃下烘干备用；
②将步骤①处理后的芳纶置于20mg/L氯化钯溶液中，30℃下活化4min后取出，洗涤并干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于5wt%的甲醛溶液中还原2min后取出，洗涤并干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀镍液中60℃下反应20min，镀液组成同实施例5，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀镍芳纶，其性能如表2所示。
实施例7：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤：
①将芳纶置于40℃、固含量为2%的MF树脂预聚物中处理20s。将处理后的芳纶轧干表面水分后在120℃下烘干备用；
②将步骤①处理后的芳纶置于20mg/L氯化钯溶液中，30℃下活化4min后取出，洗涤并干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于30ml/L的水合肼溶液中还原1min后取出，洗涤并干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀镍液中50℃下反应40min，镀液组成同实施例5，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀镍芳纶，其性能如表2所示。
表2 实施例5-7所得镀镍芳纶性能
实施例8：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤：
①将芳纶置于50℃、固含量为4%的MF树脂预聚物中处理15s。将处理后的芳纶轧干表面水分后在150℃下烘干备用；
②将步骤①处理后的芳纶置于50mg/L氯化钯溶液中，20℃下活化3min后取出，洗涤并干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于20wt%的甲醛溶液中还原1min后取出，洗涤并干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀铜液中50℃下反应40min，其中镀铜液组成为14.5g/L的无水硫酸铜、23g/L的甲醛水溶液（甲醛含量37%）、25g/L的酒石酸钾钠，并用适量氢氧化钠水溶液调节pH至12.5，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀铜芳纶，其性能如表3所示。
实施例9：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤：
①将芳纶置于40℃、固含量为2%的MF树脂预聚物中处理20s。将处理后的芳纶轧干表面水分后在160℃下烘干备用；
②将步骤①处理后的芳纶置于20mg/L硝酸银溶液中，30℃下活化4min后取出，洗涤并干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于10g/L的次亚磷酸钠溶液中还原3min后取出，洗涤并干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀铜液中50℃下反应30min，镀液组成同实施例8，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀铜芳纶，其性能如表3所示。
实施例10：
一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，包括下述步骤：
①将芳纶置于40℃、固含量为2%的MF树脂预聚物中处理20s。将处理后的芳纶轧干表面水分后在140℃下烘干备用；
②将步骤①处理后的芳纶置于100mg/L硝酸银溶液中，70℃下活化1min后取出，洗涤并干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于30g/L的次亚磷酸钠溶液中还原3min后取出，洗涤并干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀铜液中60℃下反应20min，镀液组成同实施例8，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀铜芳纶，其性能如表3所示。
表3 实施例8-10所得镀铜芳纶性能
为了更好的说明本发明，做以下对比实验详细说明。
对比例1～2实验过程：
①将芳纶置于80℃、浓度为20%的硫酸溶液中分别处理30min（对比例1）、60min（对比例2）后洗涤并干燥；
②将步骤①处理后的芳纶置于20g/L的氯化亚锡溶液中，30℃下敏化3min，洗涤、干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于20mg/L氯化钯溶液中，30℃下活化4min后取出，洗涤、干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀铜液中60℃下反应20min，镀液组成同实施例8，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀铜芳纶，其性能如表4所示。
对比例3～4实验过程：
①将芳纶置于45℃、浓度为45g/L的硫酸溶液中分别处理60min（对比例3）、120min（对比例4）后洗涤并干燥；
②将步骤①处理后的芳纶置于20g/L的氯化亚锡溶液中，30℃下敏化3min，洗涤、干燥；
③将步骤②处理后的芳纶置于20mg/L氯化钯溶液中，30℃下活化4min后取出，洗涤、干燥；
④将步骤③处理后的芳纶置于镀铜液中60℃下反应20min，镀液组成同实施例8，然后用水冲洗至中性，烘干即得表面镀铜芳纶，其性能如表4所示。
表4对比例1-4所得镀铜芳纶性能
由上述表1、2、3、4及对比例1～4数据可知，采用本发明表面金属化芳纶纤维的制备方法，得到的表面镀金属芳纶镀前后镀后力学强度/N降低少，在5N以内，保留率在97%以上，镀层完整、无脱落，而对比例1-4中，镀前后镀后力学强度/N降低多，约为36～54N，保留率最高只有83.2%，且存在镀层易脱落的问题。可见，本发明方法能保证得到的表面镀金属芳纶的力学性能等优良特性。

Claims (10)

1.一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，其特征在于：包括下述步骤，
（1）芳纶表面处理：将芳纶纤维除油、清洁后置于三聚氰胺甲醛树脂预聚物溶液中，20～80℃下处理5～60s后取出并轧干表面水分，烘干，备用；
（2）活化：将经步骤（1）处理后的芳纶纤维浸入活化液中进行表面活化处理，活化处理后用水除去芳纶纤维表面残留的溶液，备用；
（3）还原：将经步骤（2）活化处理后的芳纶纤维置于能将活化液中的金属离子还原的还原剂中，室温反应1～5min，然后用水冲洗并烘干，备用；
（4）化学镀：将经步骤（3）还原的芳纶纤维置于镀液中进行化学镀，完成后取出、水洗、烘干。
2.根据权利要求1所述的一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，其特征在于：所述表面金属化芳纶包括表面镀镍、银以及铜；所述芳纶纤维包括对位芳纶和间位芳纶。
3.根据权利要求1所述的一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，所述三聚氰胺甲醛树脂预聚物溶液的固含量为1～10%。
4.根据权利要求1所述的一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，所述烘干温度为80～170℃。
5.根据权利要求1所述的一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述活化液包括氯化钯溶液、硝酸银溶液；所述表面活化处理的温度为20～80℃，时间为1～10min。
6.根据权利要求5所述的一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，其特征在于：所述氯化钯溶液的浓度为20～100mg/L，所述硝酸银溶液的浓度为20～100mg/L。
7.根据权利要求1所述的一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，所述能将活化液中的金属离子还原的还原剂包括次亚磷酸钠溶液、次亚磷酸钾溶液、水合肼溶液及甲醛水溶液。
8.根据权利要求7所述的一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，其特征在于：所述次亚磷酸钠溶液和次亚磷酸钾溶液的浓度为10～60g/L，所述水合肼溶液和甲醛水溶液分别为5～30ml/L、5～20wt%。
9.根据权利要求1所述的一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，其特征在于：在步骤（4）中, 所述镀液包括镀镍液、镀银液及镀铜液。
10.根据权利要求1所述的一种表面金属化芳纶纤维的制备方法，其特征在于：在步骤（4）中，所述化学镀的温度为40～60℃、化学镀时间为20～60min。
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