CN113668020B - 一种碳纤维织物电镀液的配制方法 - Google Patents

一种碳纤维织物电镀液的配制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维织物电镀液的配制方法，涉及织物电镀技术领域，本发明采用可溶性镍盐、可溶性铁盐作为主盐，在碳纤维织物表面形成致密、均匀且光亮的镀镍层、镀铁层或镀镍铁层，通过具有PTC效应的金属镍、铁的镀覆来改善碳纤维织物的导电性，降低电阻率，并使电阻率随碳纤维织物自身温度的升高而增大，同时利用金属镍、铁的磁性能来提高碳纤维织物的电磁屏蔽性能，从而制得兼具电致发热和电磁屏蔽功能的高性能纺织品。

Description

一种碳纤维织物电镀液的配制方法
技术领域：
本发明涉及织物电镀技术领域，具体涉及一种碳纤维织物电镀液的配制方法。
背景技术：
碳纤维具有强度大、质量轻、抗高温、耐腐蚀、电热转化率高的优良特性，又兼备纺织纤维的柔软及可加工性，碳纤维及其织物已成为国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料。我国碳纤维织物的消费量与日俱增，市场需求旺盛，随着下游需求日益增长，碳纤维行业产能将持续扩大。碳纤维具有优异的导电性和导热性，且介电损耗强、阻抗可调，是制备高性能电致发热织物和电磁屏蔽织物的理想原料，在民用和军事领域均拥有广泛的用途。
然而，碳纤维的电阻温度系数较低，难以实现温度的自适应调节；同时碳纤维的电磁反射率高，容易造成环境的二次电磁辐射伤害，另外磁导率低，吸收频带窄。进一步解决碳纤维的本体结构缺陷，提升电致发热和电磁屏蔽织物的整体性能，对促进我国电致发热和电磁屏蔽领域的产品升级、技术进步及行业结构调整起到关键作用。
本发明旨在提供一种碳纤维织物电镀液，以可溶性镍盐和/或可溶性铁盐作为主盐，在碳纤维表面镀覆镍和/或铁，利用其PTC(正的温度系数)特性来改善导电性，使碳纤维织物的电阻率随自身温度升高而增大，从而满足电致发热纺织品的使用要求。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种碳纤维织物电镀液的配制方法，通过筛选和优化电镀液的组成及配比，使所制电镀液可以在碳纤维织物表面形成致密、均匀且光亮的镀镍层、镀铁层或镀镍铁层，并且控制成本，简化配制操作。
本发明的一个目的是提供一种碳纤维织物电镀液的配制方法，室温下将主盐、导电盐、络合剂、缓冲剂、添加剂加入去离子水中，搅拌溶解，混合均匀，得到电镀液。
所述主盐为可溶性镍盐、可溶性铁盐中的一种或两种的混合。在电镀作用下，在碳纤维织物上沉积出镀镍层、镀铁层或镀镍铁层。
所述导电盐为氯化钠、氯化钾、硝酸钾中的一种或几种。导电盐用来提高电镀液的导电性，降低槽电压，改善电镀液的深镀能力。
所述络合剂为柠檬酸、乳酸、甘氨酸中的一种或几种。络合剂除络合金属离子以外还能增大阴极的极化。
所述缓冲剂为硼酸、醋酸、酒石酸及其盐中的一种或几种。缓冲剂用来控制电镀液的pH值，特别是阴极附近的pH值。
所述添加剂包括应力消除剂、润湿剂和光亮剂。虽然添加剂在电镀液中的含量很低，但能显著影响电镀工艺的实施和镀层的应用性能。
所述电镀液中各组分的浓度为主盐100-300g/L、导电盐10-50g/L、络合剂10-50g/L、缓冲剂10-50g/L、添加剂1-20g/L。
所述可溶性镍盐为硫酸镍或氯化镍。
所述可溶性铁盐为硫酸亚铁、氯化亚铁或硝酸铁。
所述电镀液的pH值为5-7。
所述添加剂所含的应力消除剂、润湿剂、光亮剂的质量比为(5-10):(0.5-2):(0.5-2)。
所述应力消除剂为香豆素、邻苯甲酰磺酰亚胺中的一种或两种的混合。应力消除剂可以减小镀层的内应力，提高镀层与碳纤维织物的结合力，防止镀层出现气泡甚至脱落问题。
所述润湿剂为十二烷基硫酸钠、苯基磺酸钠中的一种或几种。润湿剂可以降低电镀液与阴极之间的界面张力，使气泡容易脱离阴极表面，防止镀层产生针孔。
所述光亮剂为糖精、丙炔醇乙氧基化物中的一种或几种。光亮剂的加入能使镀层变得平整光滑，达到光亮的视觉效果。
本发明的另一个目的是提供一种应力消除剂在配制碳纤维织物电镀液中的应用。
所述应力消除剂为1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮。
所述1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮是由哌嗪-2,3-二酮和(3-溴丙氧基)三甲基硅烷经取代反应制得。
发明人针对本领域的现有应力消除剂并在有机合成工作者的协助下结合分子设计学，成功合成1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮，经试验发现该化合物能够作为应力消除剂使用，对镀层内应力的消除效果明显强于香豆素、邻苯甲酰磺酰亚胺。
本发明的有益效果是：本发明采用可溶性镍盐、可溶性铁盐作为主盐，在碳纤维织物表面形成致密、均匀且光亮的镀镍层、镀铁层或镀镍铁层，通过具有PTC效应的金属镍、铁的镀覆来改善碳纤维织物的导电性，降低电阻率，并使电阻率随碳纤维织物自身温度的升高而增大，同时利用金属镍、铁的磁性能来提高碳纤维织物的电磁屏蔽性能，从而制得兼具电致发热和电磁屏蔽功能的高性能纺织品。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
电镀液的配制：室温下将硫酸镍120g/L、硫酸亚铁50g/L、氯化钠30g/L、柠檬酸40g/L、硼酸25g/L、添加剂10g/L(质量比8:0.5:1的香豆素、十二烷基硫酸钠、糖精)加入去离子水中，搅拌溶解，混合均匀，得到电镀液，pH值为5。
实施例2
电镀液的配制：室温下将硫酸亚铁200g/L、氯化钾40g/L、柠檬酸30g/L、乳酸20g/L、硼酸30g/L、添加剂15g/L(质量比10:1:1的香豆素、苯基磺酸钠、糖精)加入去离子水中，搅拌溶解，混合均匀，得到电镀液，pH值为5。
实施例3
电镀液的配制：室温下将硫酸镍150g/L、氯化钠25g/L、柠檬酸40g/L、硼酸20g/L、酒石酸钠20g/L、添加剂10g/L(质量比8:0.5:0.5的邻苯甲酰磺酰亚胺、十二烷基硫酸钠、丙炔醇乙氧基化物)加入去离子水中，搅拌溶解，混合均匀，得到电镀液，pH值为6。
实施例4
电镀液的配制：室温下将硫酸镍100g/L、硫酸亚铁80g/L、氯化钠35g/L、柠檬酸50g/L、硼酸35g/L、添加剂12g/L(质量比10:0.5:1的香豆素、十二烷基硫酸钠、糖精)加入去离子水中，搅拌溶解，混合均匀，得到电镀液，pH值为6。
实施例5
实施例5是将实施例1中的香豆素替换为等质量的1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮，其余操作与实施例1完全相同。
1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮是由摩尔比1:1的哌嗪-2,3-二酮和(3-溴丙氧基)三甲基硅烷经取代反应制得。
1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮的合成：将摩尔比1:1:1的哌嗪-2,3-二酮、(3-溴丙氧基)三甲基硅烷和三乙胺加入乙醇中，升温至回流后保温反应，TLC监测反应，待反应完全后停止反应，减压蒸馏除去乙醇，水洗浓缩物，80℃烘箱中干燥，得到白色固体，柱层析分离(洗脱剂为乙酸乙酯-石油醚)，得到1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮，收率98.6％。1H NMR(DMSO-d6,400MHz),δ:8.68(s,1H),3.74(t,2H),3.34-3.25(m,4H),2.94(t,2H),1.78(m,2H),0.23(s,9H)；ESI-MS:m/z＝245.12[M+1]+.
Figure BDA0003194749540000041
实施例6
采用专利CN 112144272A中实施例1的预处理方法对碳纤维织物进行预处理，再将预处理后的碳纤维织物作为阴极，用相同尺寸的铂片作为对电极，分别将实施例1-5制备的电镀液倒入电镀槽中，通过水浴加热控制电镀液温度在50±1℃，搅拌以保证电镀液的均匀性；调整脉冲电源参数，ton＝0.5ms，toff＝2ms，电流密度为2A/dm2，固定电极，启动电源，开始在碳纤维织物上进行金属镀覆，控制镀覆时间在15min；关闭电源，取出碳纤维织物，用去离子水冲洗，在真空烘箱中干燥。
采用专利CN 201510393963.7背景技术中提到的X射线衍射法测定分别利用实施例1-5制备的电镀液所形成的镀层内应力，结果见下表所示。
镀层内应力/MPa
实施例1 21.5
实施例2 24.7
实施例3 23.8
实施例4 22.4
实施例5 15.6
从上表中可以看出，实施例5相对于实施例1-4来说，通过采用1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮作为应力消除剂可以显著减小镀层内应力，由此说明1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮能够作为应力消除剂应用于碳纤维织物电镀液的配制，而降低镀层内应力有利于镀层附着力和应用性能的改善。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种碳纤维织物电镀液的配制方法，其特征在于：室温下将主盐、导电盐、络合剂、缓冲剂、添加剂加入去离子水中，搅拌溶解，混合均匀，得到电镀液；
所述主盐为可溶性镍盐、可溶性铁盐中的一种或两种的混合；
所述导电盐为氯化钠、氯化钾、硝酸钾中的一种或几种；
所述络合剂为柠檬酸、乳酸、酒石酸、甘氨酸中的一种或几种；
所述缓冲剂为硼酸、醋酸、酒石酸及其盐中的一种或几种；
所述添加剂包括应力消除剂、润湿剂和光亮剂；
所述应力消除剂为1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮；
所述1-(3-((三甲基硅基)氧基)丙基)哌嗪-2,3-二酮是由哌嗪-2,3-二酮和(3-溴丙氧基)三甲基硅烷经取代反应制得；
所述电镀液中各组分的浓度为主盐100-300 g/L、导电盐10-50 g/L、络合剂10-50 g/L、缓冲剂10-50 g/L、添加剂1-20 g/L；
所述添加剂所含的应力消除剂、润湿剂、光亮剂的质量比为(5-10) : (0.5-2) :(0.5-2)；
所述可溶性镍盐为硫酸镍或氯化镍；
所述可溶性铁盐为硫酸亚铁、氯化亚铁或硝酸铁；
所述润湿剂为十二烷基硫酸钠、苯基磺酸钠中的一种或几种；
所述光亮剂为糖精、丙炔醇乙氧基化物中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的种碳纤维织物电镀液的配制方法，其特征在于：所述电镀液的pH值为5-7。
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