DE1496822C

DE1496822C - Galvanisches Kupferbad

Info

Publication number: DE1496822C
Authority: DE
Inventors: Arthur Henry Euclid Ohio Du Rose (V.StA.). C23b5-56
Original assignee: Kewanee Oil Company, Bryn Mawr, Pa. (V.StA.)
Publication date: 1972-09-21

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches, Kupferzyanid und Alkalizyanid enthaltendes Kupferbad, dem zur Abscheidung fehlerfreier Kupferschichten auch nach Verunreinigung des Bades durch schädliche Substanzen aus den vor dem Galvanisieren verwendeten Reinigungslösungen bestimmte organische Phosphorsäureester polyoxyäthylenierter Alkylphenole als Netzmittel oder als Mittel, welche den Folgen von Verunreinigung entgegenwirken, zugesetzt werden.

Von den verschiedenen galvanischen Bädern zur Abscheidung einer Kupferschicht ist das Zyanidbad am verbreitetsten, es wird häufiger als saure Kupferbäder, wie die Sulfat- oder Fluorboratbäder, verwendet.

Die galvanischen Kupferzyanidbäder, welchen die Phosphorsäureester in vorteilhafter Weise zugesetzt werden können, bestehen im allgemeinen aus Kupferzyanid, genügend Alkalizyanid, um den wohlbekannten, wasserlöslichen Komplex Na₂Cu(CN)₃ zu bilden und für überschüssiges Alkalizyanid zu sorgen, einer Quelle für Hydroxylionen und Alkalimetallsalzen, z. B. Natriumcarbonat. Der Arbeits-pH-Wert des Bades wird üblicherweise unter Verwendung der Hydroxyde von Lithium, Natrium oder vorzugsweise Kalium auf einen Wert im Bereich von 11 bis 13 eingestellt. Komplexbildner, wie Rochellesalze, Citrate, Äthylendiamin-tetraessigsäure und einige GIukonate, können dem Bad vorteilhafterweise zugeführt werden, um dem Fachmann gutbekannte Wirkungen zu erzielen.

Im allgemeinen ist ein. Kupferniederschlag aus einem galvanischen Kupferzyanidbad ohne Netzmittel glatt und frei von Kraterbildung, Fleckigkeit und deutlicher Durchlässigkeit. Wenn jedoch galvanische Kupferzyanidbäder verunreinigt werden, wie z. B. durch den Rückstand eines »mitgeschleppten« Emulsionsreinigers u. dgl., erhält man Krater aufweisende, matte und fleckige Niederschläge.

Üblicherweise müssen die zu galvanisierenden Gegenstände vollständig von oberflächlichem Schmutz, Grus, Fett und anderen schädlichen Stoffen, welche sich auf der Oberfläche dieser Gegenstände befinden, gereinigt werden. Herkömmliche galvanische Verfahren umfassen üblicherweise ein oder mehrere Reinigungsbäder vor den galvanischen Bädern. Diese Reinigungsbäder enthalten in vielen Fällen Reinigungsemulsionen, welche als eine Phase organische Flüssigkeiten, wie Kerosin u. dgl., oder ein Erdölsulfonat, Triäthanolaminseifen u. dgl. enthalten. Nach der Reinigung des Gegenstandes wird die Reinigungsemulsion durch eine nachfolgende Wasser- oder Dampfspülstufe im wesentlichen entfernt. Diese Stufe versagt jedoch oftmals bei der vollständigen Entfernung der mitgeschleppten Reinigungsemulsion, und während der Massenherstellung bestimmter Gegenstände sammelt ein galvanisches Kupfercyanidbad im Laufe der Zeit untragbare Mengen an Verunreinigungen an; die abgeschiedene Kupferschicht zeigt dann Krater, Flecken, deutliche Durchlässigkeit und andere Mängel.

Die Bezeichnungen »Fleckigkeit« oder »Flecken«, wie sie hier verwendet werden, sollen das Aussehen einer galvanischen Kupferschicht beschreiben, welche verschiedene Mängel aufweist. Diese Mängel umfassen deutliche Uneinheitlichkeiten, wie sie durch ■kristalline Bereiche in der Kupferschicht verursacht Xverdeh.öderjähe Unterschiede in der Dicke der KupferSchicht. Die Oberflächen derartiger Schichten zeigen viele Bereiche von verschiedenen Schattierungen, welche scharf voneinander abgegrenzt sind. Erfindungsgemäß wird die Kraterbildung und Fleckigkeit, deutliche Durchlässigkeit u. dgl. überwunden, ohne daß ein übermäßiges Schäumen verursacht wird, indem man einem verunreinigten galvanischen Kupferbad kleine Zusätze mindestens eines Phosphorsäureesters der nachstehenden allgemeinen Formel I zufügt.

ίο Gegenstand der Erfindung ist also ein galvanisches, Kupfercyanid, Alkaücyanid und Phosphorsäureester enthaltendes Kupferbad zur Abscheidung fehlerfreier Kupferschichten bei einem pH-Wert des Bades von 11 bis 13 auch nach Verunreinigung des Bades durch schädliche Substanzen aus den vor dem Galvanisieren verwendeten Reinigungslösungen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Verbindung der allgemeinen Formel

,O

TJ	-	4O)»
LXj —	X/
R₂	V-O-(C

(OA)_n

enthält, wobei m O oder 1, η eine ganze Zahl im Bereich von 8 bis einschließlich 30, A Wasserstoff oder ein Ion ist, das den Phosphorsäureester wasserlöslich macht, R eine Alkylgruppe mit 4 bis 14 Kohlenstoffatomen, R₁ und R₂ Wasserstoff oder eine niedere Alkylgruppe mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen darstellt.

Es ist völlig unerwartet, daß die durch obige

Formel I definierte Verbindungsklasse so wirksam in einem galvanischen Kupferzyanidbad verwendet werden kann, um die Fleckigkeit, Kraterbildung u. dgl. zu überwinden. Die gleichen Verbindungen, einem galvanischen Nickelbad zugesetzt, versagen zur Verbesserung des Nickelniederschlages und sind in einigen Fällen sogar schädlich, weil sie spröde und fleckige Abscheidungen verursachen.

Darüber hinaus zeigen andere Klassen von Phosphorsäureestern als die durch obige Formel I definierten eine ungleichmäßige und unzureichende Wirkung in galvanischen Kupferbädern. So sind in der deutschen Patentschrift 1133 957 verschiedene Mono- und Diphosphorsäureester als Netzmittel für galvanische Bäder beschrieben. Die dort unter anderem verwendeten Alkylpolyglykolätherphosphorsäureester weisen eine ähnliche Struktur auf wie die erfindungsgemäß zugesetzten Phosphorsäureester von Alkarylpolyglykoläthern. Um so überraschender ist die durch das unten stehende Beispiel 14 experimentell bestätigte Erkenntnis, daß gerade für zyanidische Kupferbäder ein Phosphorsäureester eines Alkylpolyglykoläthers gemäß der genannten Patentschrift nach der Verunreinigung des Bades keine brauchbaren Ergebnisse liefert, während gemäß den unten stehenden Beispielen 1 bis 7, 12 und 13 zahlreiche, in den beanspruchten Rahmen fallende Phosphorsäureester eines Alkarylpolyglykoläthers auch nach der Verunreinigung des Bades zu einwandfreien Kupferüberzügen führen.

In ganz entsprechender Weise zeigt sich gemäß dem unten stehenden Beispiel 15 auch der Phosphorsäureester von Nonylphenol als für verunreinigte Bäder unbrauchbar.

Im Gegensatz Zur Lehre des Standes der Technik sind viele der Mono- und Diphosphorsäureester des

3 4

Octyl-, Decyl-, Dodecyl- oder Octadecylalkohols oder sein kann, zu dem Reste, welche sich vom Methan, des Hexyl-, Octyl- oder Dodecylphenols und ihre Äthan und Propan ableiten, gehören,
wasserlöslichen Salze ebenso wie die Phosphorsäure- Vorzugsweise jedoch ist R ein Alkylrest mit 8 bis ester der Alkylpolyglykoläther nicht gut und sind 10 Kohlenstoffatomen, und R₁ und R₂ sindWassersogar schädlich in ihrer Wirkung, wenn sie in gal- 5 stoff. Es besteht kein Vorzug für die Verwendung vanischen Bädern zur Abscheidung von Chrom, des sauren Esters gegenüber den Estersalzen. Solange Nickel, Zink, Cadmium, Zinn, Messing, Bronze, der Arbeits-pH-Wert des Bades (11 bis 13) aufrecht-GoId und Silber verwendet werden. Es wurde fest- erhalten wird, zeigt sich der freie saure Ester ebenso gestellt, daß viele dieser Phosphorsäureester außer- wirksam wie die wasserlöslichen Salze davon,
ordentlich schädlich sind, indem sie Mängel der io Zu speziellen Äthylenoxid-Alkylphenol-Reaktionsabgeschiedenen Metallüberzüge verursachen. Wenn produkten, welche erfindungsgemäß in Form der darüber hinaus die galvanischen Bäder einen stark Mono- oder Diphosphorsäureester vorteilhaft anoxydierenden Charakter haben wie die galvanischen wendbar sind, gehören: octaoxyäthyleniertes Butyl-Chrombäder, dann zersetzen sich die Phosphorsäure- phenol (Octaäthylenglykol-butylphenyl-äther), nonaester innerhalb weniger Stunden. 15 oxyäthyleniertes Amylphenpl, decaoxyäthyleniertes

Wie oben angeführt, fügt man erfindungsgemäß Hexylphenol, undecaoxyäthyleniertes Heptylphenol,

geringe Mengen eines oder mehrerer der Phosphor- dodecaoxyäthyleniertes Octylphenol, tridecaoxyäthy-

säureester der obigen Formel I, üblicherweise in leniertes Nonylphenol, tetradecaoxyäthyleniertes No-

verdünnter Form, einem galvanischen Kupferzyanid- nylphenol, pentadecaoxyäthyleniertes Nonylphenol,

bad zu. Vorzugsweise wird der · Ester in Mengen 20 hexadecaoxyäthyleniertes Nonylphenol, heptadeca-

von etwa 0,02 g bis etwa 0,30 g pio Liter zugefügt. oxyäthyleniertes Decylphenol, octadecaoxyäthylenier-

Geringere Mengen als etwa 0,02 g zeigen eine geringe tes Undecylphenol, nonadecaoxyäthyleniertes Dode-

Wirkung zur Überwindung der Kraterbildung, Fleckig- cylphenol, eicosaoxyäthyleniertes Tridecylphenol, pen-

keit u. dgl., jedoch kann eine beschränkte Verbesse- tacaoxoxyäthyleniertes Tetradecylphenol und trian-

rung erreicht werden. Im allgemeinen ist die Zugabe 25 contaoxyäthyleniertes Nonylphenol. Wenn die Koh-

von mehr als 0,3 g Phosphorsäureester pro Liter lenstoffkette 10 Kohlenstoffatome überschreitet, ist

nicht erforderlich, überschüssige Mengen verursachen es wünschenswert, daß die Äthylenoxidkette mehr

jedoch keinen Nachteil. Die Menge des zur Erzielung als 10 Oxyäthyleneinheiten enthält; im allgemeinen

guter Ergebnisse erforderlichen Phosphorsäureesters erhält man eine ausreichende Löslichkeit für jede

ist teilweise vom Ausmaß der Verunreinigung ab- 3° dieser längeren Alkylgruppen, sofern die Oxyäthylen-

hängig. kette 15 oder mehr Einheiten enthält.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders Ein spezieller Phosphorsäureester, welcher beim vorteilhaft, wenn die galvanische Abscheidung unter erfindungsgemäßen Verfahren in vorteilhafter Weise Anwendung einer Bewegung durch Luft ausgeführt verwendet werden kann, ist der Phosphorsäureester wird. Viele Netzmittel oder oberflächenaktive Stoffe, 35 des Nonylphenols, welches eine Oxyäthylenkette mit welche in mechanisch bewegten oder ruhenden gal- 15 (— C₂H₁O —)-Einheiten enthält,
vanischen Kupferbädern allgemein verwendet werden, Im allgemeinen kann man die erfindungsgemäßen können in dem gleichen Bad unter Anwendung einer Phosphorsäureester herstellen, indem man eine Äther-Bewegung durch Luft wegen des übermäßigen Schau- lösung eines äthoxylierten Alkylphenols und Phosmens nicht eingesetzt werden. Gewisse Betainderivate 4° phorpentoxid am Rückfluß kocht. Die Reaktionsoder äthoxylierte Sulfatester, von welchen einige teilnehmer hält man vorzugsweise in einem molaren die korrespondierenden Schwefelanaloga der Phos- Verhältnis von 3 : 1, 3 Phenol zu 1 Phosphorpentoxid. phorsäureester der obigen Formell darstellen, sind Zu den Reaktionsbedingungen gehört vorzugsweise bei den vorliegenden Kupferzyanidbädern ohne Luft- ein Kochen unter Rückfluß bei etwa 36° C für bewegung wirksam, Verursachen jedoch übermäßiges 45 12 Stunden; dies führt zu einem gemischten Produkt . Schäumen, wenn sie zusammen mit einer Bewegung aus Mono- und Diestern.

'durch Luft verwendet werden. Darüber hinaus kann Die Erfindung führt man unter Verwendung

man sogar bei den niederen Homologen der durch irgendwelcher, dem Fachmann bekannter galva-

Formel I definierten Verbindungen (worin η — 5, 6 nischer Kupfercyanidbäder durch. Beispiele der Grund-

oder weniger bedeutet) noch ein übermäßiges Schau- 50 lösungen der Kupferzyanidbäder, welche verschiede-

men beobachten. Nur mit den in Formel I dar- nen Zwecken angepaßt sind, finden sich in Metal

gestellten Verbindungen, in welchen η — 8 oder Finishing Guidebook, Metals and Plastics Publi-

höher ist, kann eine annehmbare Kupferschicht aus cations, Westwood, New Jersey 1963, S. 29.2 bis 303.

verunreinigten Kupfercyanidbädern ohne übermäßiges Eine Klasse von Glanzbildnern, welche für der-

Schäumen abgeschieden werden. 55 artige Kupferzyanidbäder besonders brauchbar sind,

Zu Beispielen von Verbindungen, welche die obige sind in der USA.-Patentschrift 2 862 861 beschrieben.

Formel I umfaßt, gehören die mono- und disubsti- Die dort offenbarten Glanzbildner sind durch die

tuierten Orthophosphorsäure-(H₃PO₄)-ester von poly- nachstehende allgemeine Formel II

oxyäthylenierten Alkylphenolen und deren wasser- N

lösliche Salze einschließlich der Ammoniumsalze, 60 / \.

der Alkalisalze, wie Lithiumsalze, Natriumsalze, R4—C C—R₃

Kaliumsalze u. dgl., worin die Oxyäthylenkette 8 bis Ί I

30 Äthylenoxideinheiten (— C₂H₄O —) enthalten kann X X II

und R einen Alkylrest mit 4 bis 14 Kohlenstoff- ^r^
atomen darstellt, zu denen Reste, welche sich vom 65
Butan, Pentan, Hexan usw. bis Tetradecan ableiten,

gehören, und worin R, und R₂ Wasserstoff oder ein ^R5

niederer Alkylrest mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen definiert, worin R₃ einen Mercapto^, Alkylmercapto-

oder Arylmercaptorest, R₄ und R₅ Mercapto-, Alkylmercapto-, Arylmercapto-, Alkyl-, Alkenyl-, Alkinylamino-, Alkylamino-, Alkylaminoalkyl-, Alkoxymethylamino- oder Hydroxymethylaminoreste und X

Methin— -C-H

oder Stickstoffreste darstellt.

Um dem Fachmann die Ausführung der vorliegenden Erfindung besser verständlich zu machen, werden die nachstehenden Beispiele als Erläuterung angegeben. Alle Teil- und Prozentangaben beziehen sich, sofern nicht anders angegeben, auf das Gewicht.

Die nachfolgenden sieben Beispiele wurden unter Verwendung eines galvanischen Glanzkupferzyanidbades nachstehender Zusammensetzung ausgeführt:

Bestandteile Gramm pro Liter

Kupferzyanid (CuCN) 68

Kaliumzyanid (frei) 18

Kaliumhydroxyd 20

Thioammelin 1

Kaliumcarbonat 30

Verfahrensbedingungen

pH 12,7

Temperatur (°C) 68,3

Durchschnittliche Kathodenstromdichte (A/dm²) 2,69

Badbewegung durch Luft

Stromart unterbrochener

Strom

Periode (Sekunden Stromzufuhr-,

-abschaltung) 8—2

Beispiel 1

Man arbeitet mit dem obigen Bad bei einer Temperatur von etwa 68^CC und bei einer Stromdichte von 1,08 bei 5,38 A/dm² auf einer gekrümmten Kathode unter Abscheidung einer 0,005 bis O,O25mm dicken Kupferschicht. Die erhaltene Kupferschicht ist glatt, zusammenhängend und glänzend und ist frei von Kratern, Fleckigkeit, Durchlässigkeit u. dgl. Man setzt eine geringe Menge einer Emulsions-Reinigungsvcrbindung. welche Kerosin und Kolophoniumseife enthält, dem Bad zu und erhält eine galvanische Abscheidung, die Krater, Flcckigkeit und deutliche Durchlässigkeit zeigt.

Man setzt dem Bad eine kleine Menge (0,05 g.-'l) des Mono-nonylphenylcsters der Phosphorsäure mit 15 Äthylenoxydeinheiten zu und wiederholt die galvanische Abscheidung des Kupfers. Die erhaltene Kiipferschiehl ist glänzend, glatt und zusammenhängend und besitzt eine der erstgenannten Kupferschicht gleichwertige Qualität.

B e i s ρ i c 1 c 2 bis 7

Bei Wiederholung der Verfahrensweise des Beispiels 1 werden folgende Verbindungen, weiche durch die Formell wiedergegeben sind, zugesetzt:

B c i s ρ i c 1 2:

in = 1 und /; — S, R ist eine Alkylgruppe mit 9 Kohlenstoffatomen, und R₁ und R₂ sind Wasserstoff;

B e i s pi el 3:

w = l und η = 10, R ist eine Alkylgruppe mit 9 Kohlenstoffatomen, und R₁ und R₂ sind Wasserstoff;

Beispiel 4:

w = 0 und η = 10, R ist eine Alkylgruppe mit 9 Kohlenstoffatomen, und R₁ und R₂ sind Wasserstoff;

B e i s pi e 1 5:

w = 0, η = 15, R ist eine Alkylgruppe mit 9 Kohlenstoffatomen, und R₁ und R₂ sind Wasserstoff;

Beispiel 6:

w = 0, η = 8, R ist eine Alkylgruppe mit 4 Kohlenstoffatomen, und R₁ und R₂ sind Wasserstoff, und

Beispiel 7:

/n = l, η — 20, R ist eine Alkylgruppe mit 14 Kohlenstoffatomen, und R₁ und R₂ sind Wasserstoff.

Man erreicht, daß die verunreinigten Bäder Abscheidungen ergeben, weiche in der Qualität den Abscheidungen gleichen, die man aus Bädern erhält, die frei von Verunreinigungen sind.

Ver gl e ic h s b e i s ρ i e 1 e 8 bis 11

Unter Wiederholung der Verfahrensweise nach Beispiel 1 werden folgende Verbindungen verwendet:

Beispiel 8:

der Monoester eines tetraoxyäthylenierten Nonylphenols;

Beispiel 9:

der Diester eines tetraoxyäthylenierten Nonylphenols;

B e i s ρ i e 1 10:

der Monoester eines hexaoxyäthylenierten Nonylphenols und

Beispiel 11:

der Diester eines hexaoxyäthylenierten Nonylphcnols.

Die Abschcidüngen, welche man nach den Beispielen 8 bis 10 aus verunreinigten, die Ester enthaltenden Bädern erhält, sind als schlecht anzusehen und sind nicht erkennbar besser als die Abscheidungen aus den Bädern ohne Ester, d. h., sie besitzen Obcrflächcnmängel, wie sie oben als Flecken u. dgl. ' beschrieben wurden.

Die Abscheidung nach Beispiel 11 unter Verwendung eines verunreinigten Bades, welches den Ester enthält, ist als gut anzusehen. Die Abscheidung ist ein wenig besser als die Abscheidung aus dem Bad ohne den Ester, die Abscheidung nähert sich jedoch nicht der Qualität jener Abscheidung, welche man aus einem nicht verunreinigten Bad erhält.

Beispiel 12

Man wiederholt Beispiel 1 unter Verwendung des gleichen galvanischen Kupferbades, jedoch ohne den Thioammelin-Glanzbildner. Die erhaltene Abschei-

dung ist, wenn auch nicht glänzend, frei von Flecken u. dgl.

Beispiel 13

Man wiederholt Beispiel 4, ersetzt jedoch das Thioammelin durch 0,1 g pro Liter Rhodanin. Man erhält die gleichen Ergebnisse wie im Beispiel 4.

Beispiel 14

Man wiederholt Beispiel 13 unter Verwendung von Rhodanin als Glanzbildner und des Phosphorsäureesters von Tetraäthylenglycol-monooctyläther. Die durch die Verunreinigung verursachte Fleckigkeit wird hierbei nicht unterbunden, und das Schäumen ist bescheiden.

15

Beispiel

Man wiederholt Beispiel 1 unter Verwendung des Phosphorsäureesters von Nonylphenol. Das Auftreten von Flecken wird nicht unterbunden, ein übermäßiges Schäumen tritt nicht auf.

Beispiel 16

Man verwendet die in allen vorhergehenden Beispielen genannten Phosphorsäureester auch bei einer Konzentration von 0,1 g pro Liter in Grau- und Glanz-Nickellösungen [Standard Watts Bath bzw. Watts Bath, welches 2,5 g pro Liter p,p'-Oxy-bis-(dibenzolsulfamid) und 0,007 g pro Liter reduziertes Fuchsin enthält]. In allen Fällen, mit Ausnahme des im Beispiel 14 verwendeten Esters, verursacht der Ester, daß der Nickelniederschlag spröde und fleckig wird.

Claims

Paten tansprüche:

1. Galvanisches, Kupfercyanid, Alkalicyanid und Phosphorsäureester enthaltendes Kupferbad zur Abscheidung fehlerfreier Kupferschichten bei einem pH-Wert des Bades von 11 bis 13 auch nach Verunreinigung des Bades durch schädliche Substanzen aus den vor dem Galvanisieren verwendeten Reinigungslösungen, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Verbindung der allgemeinen Formel

■\

R-I-R₁-I-

R_a ^A

Ο (C₂H₄O)_n

,0

■Pf OA

(OA)_n

2-m

enthält, wobei m 0 oder 1, η eine ganze Zahl im Bereich von 8 bis einschließlich 30, A Wasserstoff oder ein Ion ist, das den Phosphorsäureester wasserlöslich macht, R eine Alkylgruppe mit 4 bis 14 Kohlenstoffatomen, R₁ und R₂ Wasserstoff oder eine niedrige Alkylgruppe mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen darstellt.

2. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zugesetzten Verbindung R ein Alkylrest mit 9 Kohlenstoffatomen, R₁ und R₂ ein Η-Atom ist.

3. Bad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der zugesetzten Verbindung m = 1, η = 8 oder m = 0 oder 1 und η = 10 oder w = 0 oder 1 und η = 15 ist.

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