DE3025307A1 - Verfahren zur aktivierung von oberflaechen fuer die stromlose metallisierung - Google Patents
Verfahren zur aktivierung von oberflaechen fuer die stromlose metallisierungInfo
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- C23C18/18—Pretreatment of the material to be coated
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Description
BAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen, Bayerwerk
Zentralbereich
Patente, Marken und Lizenzen Jo/Kü-c
Verfahren zur Aktivierung von Oberflächen für die stromlose Metallisierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung von metallischen und nicht-metallischen Oberflächen
zum Zweck der stromlosen Metallabscheidung.
Die bisher übliche Methode zur stromlosen Erzeugung von Metallüberzügen auf nichtleitenden oder halbleitenden
Trägern besteht darin, daß man die Trägeroberfläche reinigt, nacheinander in ein Stannochlorid oder ein
anderes Stannosalz enthaltendes Bad, und in ein Bad eines die Abscheidung des gewünschten Metalls
katalysierenden Metallsalzes, z.B. S-ilbernitrat oder
Goldchlorid, Palladiumchlorid oder Platinchlorid, eintaucht, um so katalytische Keimzentren zu bilden,
wobei die Metallionen des Salzes zu Zentren des katalytischen Metalls durch die auf dem Träger absorbierten
Stannoionen und/oder durch in dem stromlosen Metallsalzbad enthaltene Reduktionsmittel
reduziert werden, und daß man dann das gewünschte Metall, z.B. Kupfer, Nickel oder Kobalt, durch Behandlung
der katalysierten Oberfläche mit der Lösung des gewünschten Metalls in Gegenwart eines Reduktions-
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mittels abscheidet; (z.B. G.. Müller; Galvanisieren von Kunststoffen, Eugen G. Leutze Verlag, Saulgau {19.66))-.
Diese und ähnliche Methoden werden im allgemeinen als ionische Aktivierung bezeichnet.
Eine andere Möglichkeit zum Aktivieren von Polymeroberflächen bei deren Galvanisierung ist in DE-AS
1 t97 720 beschrieben. Dieser Methode liegt die Vereinigung der Arbeitsgänge Sensibilisieren und Aktivieren
durch Einbringen von Zin(II)-Chlorid in eine Salzsäure-Palladiumchlorid-Lösung zugunde.
Es ist anzunehmen, daß dabei eine Kolloidallösung aus metallischem Palladium entsteht, die durch Zinnsäure
und Zinn(IV)-oxychlorid stabilisiert wird.
Daher wird diese Methode im allgemeinen auch als
-]5 kolloidale Aktivierung bezeichnet. Bei dem nachfolgenden
Arbeitsgang - Beschleunigung in Säuren, Laugen oder Salzen von geeigneter Konzentration wird
das Schutzkolloid beseitigt und die Palladiumteilchen können katalytisch im Elektrolyt für
chemische Vernickelung einwirken.
Beide Aktivierungsmethoden haben den Nachteil, daß zu ihrer Durchführung mehrer Verfahrensschritte
(Aktivieren, Sensibilisieren, Spülen, usw.) erforderlich sind, die die stromlose Metallisierung
sehr umständlich und damit teuer machen. Außerdem sind beide Verfahren nicht universell anwendbar,
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sondern vornehmlich auf Substrate beschränkt, deren Oberflächen sich durch chemische oder mechanische
Verfahren vorbehandeln lassen.
Es wurde nun überraschenderweise eine neue, schondende
und verfahrenstechnisch einfache Methode zur Aktivierung von metallischen und nicht metallischen Oberflächen
mit der außerdem auch schwer zu metallisierende Oberflächen ohne Vorbehandlung mit einem gut haftenden
Metallüberzug versehen werden können, gefunden.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Aktivieren von metallischen und nichtmetallischen Oberflächen
zum Zwecke der stromlosen Metallabscheidung,
dadurch gekennzeichnet, daß die zu metallisierende Oberfläche mit einer in einem organischen Lösungsmittel
homogen verteilten organometallischen Verbindung von Elementen der 1. und 8. Nebengruppe des Periodensystems
der Elemente benetzt, das organische Lösungsmittel entfernt und die an der zu metallisierenden Oberfläche
haftende organometallische Verbindung reduziert wird.
Die organometallische Verbindung kann in dem organischen Lösungsmittel beispielsweise gelöst oder dispergiert sein,
es kann sich auch um eine Anreibung der organometallischen Verbindungen in dem Lösungsmittel handeln.
Anschließend kann dann die Oberfläche in bekannter Weise stromlos metallisiert werden.
Es kommen grundsätzliche alle organometallischen
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Verbindungen in Frage, mit denen zum Zwecke der stromlosen Metallisierung die Substrate hinreichend aktiviert
werden können. Ohne den Umfang der Erfindung einzuschränken, empfiehlt sich jedoch bei der Durchführung
des Verfahrens im technischen Maßstab, folgende Bedingungen einzuhalten:
1. die verwendeten metallorganischen Verbindungen sollten
an der Luft und gegenüber Feuchtigkeit stabil sein. Sie sollten in organischen Lösungsmittel gut löslieh,
in Wasser aber schwer löslich sein. Sie sollten außerdem mit gebräuchlichen Reduktionsmitteln
zu einer bei der stromlosen Metallisierung katalytisch wirksamen Verbindung reduzierbar sein.
2. Die Lösungen der metallorganischen Verbindungen in organischen Lösungsmitteln sollten an der Luft und
gegenüber Feuchtigkeit stabil sein.
3. Das organische Lösungsmittel sollte leicht entfernbar
sein.
4. Bei der Reduktion der organometallischen Verbindung
dürfen keine Liganden frei werden, die die Metallisierungsbäder vergiften.
5. Die reduzierten aktiven Keime sollten in wässriger
Lösung fest an der Oberfläche haften, um eine Zersetzung der Bäder durch eingeschleppte Metalle zu
5 verhindern.
Das erfindungsgemäß neue Verfahren wird im allgemeinen folgenderweise durchgeführt:
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■■*:>-
Eine metallorganische Verbindung von Elementen der und 8. Nebengruppe des Periodensystems, insbesondere
von Cut Ag, Au, Co, Ni, Pd und Pt, wobei als organischer
Bestandteil Olefine, Nitrile oder 1.3-Dicarbonylverbindungen
Verwendung finden, ganz besonders Verbindungen des zweiwertigen Palladiums und
Platins mit Olefinen, z.B. Butadienpalladiumdichlorid, mit Nitrilen, z.B. Diacetonitrilpalladiumdichlorid, Diacetonitrilplatindichlorid
oder Dibenzonitrilpalladiumdichlorid, ferner Acetylacetonate des zweiwertigen
Palladiums und Platins sowie Olefinkomplexe des einwertigen
Golds, z.B. Dicyclopentadien-Gold(I)-chlorid,
werden in einem organischen Lösungemittel gelöst. Selbstverständlich können auch Mischungen der oben
genannten Verbindungen eingesetzt werden. Die Konzentration an metallorganischer Verbindung soll zwischen
0,01 g und 10g pro Liter betragen, kann aber in besonderen
Fällen auch darunter oder darüber liegen.
Als organische Lösungsmittel sind besonders polare protische und aprotische Lösungsmittel wie Methylenchlorid,
Chloroform, 1,1,1-Trichlorethan, Trichlorethylen,
Perchlorethylen, Aceton, Methylethylketon, Butanol, Ethylenglykol, Dioxan und Tetrahydrofuran
geeignet.
Selbstverständlich können auch Gemische obiger Lösungsmittel und Verschnitte mit anderen Lösungsmitteln,
wie Benzin, Ligroin, Toluol, usw. verwendet werden.
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Mit diesen Lösungen werden bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Oberflächen der zu metallisierenden Substrate benetzt, wobei die Einwirkungsdauer vorzugsweise
1 Sekunde bis 1 Minute beträgt. Besonders geeignet sind dazu Verfahren wie das Eintauchen
des Substrats in die Lösungen oder das Besprühen von Substratoberflächen mit den Aktivierungslösungen.
Selbstverständlich ist es bei dem neuen Verfahren auch möglich, die Aktivierungslösungen durch Stempeln
oder durch Druckverfahren aufzubringen.
Als Substrate für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich: Stähle, Titan, Glas, Quarz, Keramik,
Kohlenstoff, Papier, Polyethylen, Polypropylen, ABS-Kunststoffe, Epoxyharze, Polyester und textile
Flächengebilde, Fäden und Fasern aus Polyamid, Polyester, Polyalkylen, Polyacrylnitril, Polyvinylhalogeniden,
Baumwolle und Wolle, sowie deren Mischungen oder Mischpolymerisaten.
Nach der Benetzung wird das organische Lösungsmittel entfernt. Dabei werden niedrig siedene Lösungsmittel
bevorzugt durch Verdampfen, z.B. im Vakuum entfernt. Bei höher siedenden Lösungsmitteln sind andere
Verfahren, wie Extraktion mit einem Lösungsmittel, in dem die organometallischen Verbindungen unlöslich
s ind, angebracht.
Die so imprägnierten Oberflächen müssen anschließend durch Reduktion aktiviert werden. Dazu können bevorzugt
die in der Galvanotechnik üblichen Reduktions-
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-ns.
mittel, wie Hydrazinhydrat, Formaldehyd, Hypophosphit
oder Borane verwendet werden. Natürlich sind auch andere Reduktionsmittel möglich. Bevorzugt wird
die Reduktion in wässriger Lösung durchgeführt. Es sind aber auch andere Lösungsmittel wie Alkohole,
Ether, Kohlenwasserstoffe einsetzbar. Selbstverständlich können auch Suspensionen oder Aufschlämmungen
der Reduktionsmittel verwendet werden.
Die so aktivierten Oberflächen können direkt zur stromlosen Metallisierung eingesetzt werden. Es kann
aber auch erforderlich sein, die Oberflächen durch Spülen von den Reduktionsmittelresten zu reinigen.
Eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die
Reduktion im Metallisierungsbad gleich mit dem Reduktionsmittel der stromlosen Metallisierung durchgeführt
wird. Diese Ausführung stellt eine bisher nicht mögliche Vereinfachung der stromlosen Metallisierung
dar. Diese ganz einfache Ausführungsform besteht nur noch aus den drei Arbeitsgängen Eintauchen
des Substrates in die Lösung der organischen Verbindung/ Verdampfen des Lösungsmittels und Eintauchen
der so imprägnierten Oberflächen in das Metallisierungsbad (Reduktion und Metallisierung).
Diese Ausführungsform ist ganz besonders für aminboranhaltige
Wickelbäder oder formalinhaltige Kupfer-
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bäder geeignet.
Als in dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbare Metallisierungsbäder kommen bevorzugt Bäder mit
Nickelsalzen, Cobaltsalzen, Eisensalzen oder deren Gemische mit Kupfersalzen, Gold- und Silbersalzen
in Betracht. Derartige Metallisierungsbäder sind in der Technik der stromlosen Metallisierung bekannt.
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Ein ABS-Kunststoffteil mit einer struktuierten Oberfläche wird gleichmäßig mit einer Lösung von 0,1 g
Butadienpalladiumdichlorid pro 1 Chloroform besprüht (Treibmittel Frigen).
Anschließend wird es bei Raumtemperatur getrocknet und dann in ein alkalisches Vernickelungsbad getaucht,
das 30 g/l Nickelchlorid, 3 g/l Dimethylaminboran und 10 g/l Citronensäure enthält und mit Ammoniak
auf pH 8,1 eingestellt wurde. Nach etwa 30 Sekunden beginnt sich die Oberfläche dunkel zu färben und nach
10 Minuten war eine gut haftende, metallisch glänzende Nickelschicht abgeschieden worden.
Ein 13 χ 13 cm großes Quadrat eines Polyester/Baumwoll-Gewebes
(Leinwandbindung) wird 30 Sekunden in eine Lösung von 0,3 g Dicyclopentadien-Gold(I)-chlorid
in 1 1 Chloroform getaucht, bei Raumtemperatur getrocknet und dann 20 Minuten in einem alkalisehen
Vernicklungsbad gemäß Beispiel 1 vernickelt. Man erhält ein metallisch glänzendes Stoffstück mit
einer Metallauflage von 12 Gew.-% Nickel. Der elektrische Widerstand beträgt in Kettrichtung 1,7 Ohm
und in Schußrichtung 3,5 Ohm.
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-12-
Ein 13 χ 13 cm großes Quadrat eines Polyacrylnitrilgewebes
(Copolymerisat auf 93,6 % Acrylnitril, 5,7 % Methylacrylat und 0,7 % Natriummethalylsulfonat;)
Leinwandbindung wird 30 Sekunden in eine Lösung von 0,01 g Diacetronitrilpalladiumdichlorid in 100 ml
Methylenchlorid getaucht, bei Raumtemperatur getrocknet und dann 10 Minuten in einem alkalischen
Vernicklungsbad gemäß Beispiel 1 vernickelt. Man erhält ein metallisch glänzendes Stoffstück mit
einer Metallauflage von 10 Gew.-% Nickel, dessen Widerstand 2,8 Ohm in Kettrichtung und 6,7 Ohm
in Schußrichtung beträgt.
Ein 13 χ 13 cm großes Quadrat aus einem Polyacrylnitrilgewebe
(Copolymerisat wie in Beispiel 3) wird 20 Sekunden in eine Lösung von 0,1 g AcetyIacetonatο-platin(II)chlorid
in 100 ml Methylenchlorid getaucht, getrocknet und anschließend 1 Minute in einer 1 %-igen
wäßrigen Natriumborhydridlösung reduziert. Anschließend
wird das Stoffstück 10 Minuten in einem alkalischen Vernickelungsbad metallisiert, das 25 g / 1 Nickelsulfat,
20 g / 1 Citronensäure und 24 g / 1 Natriumhyphosphit
enthält und dessen pH mit Ammoniak auf 8,8 eingestellt wurde. Man erhält ein metallisch glänzendes Stoffstück
mit einer Nickelauflage von 12 Gew.-%.
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Ein Gestrick (Wevenit) aus einem Fasergarn (Nm 40) aus einem Polyesterpolymerisat (100 % Polyethylenterephthalat)
wird bei Raumtemperatur 30 Sekunden in eine Aktivierungslösung gemäß Beispiel 3 getaucht. Man läßt
das Lösungsmittel bei Raumtemperatur verdampfen und taucht anschließend das Gestrick 1 Minute in eine
Lösung, die 0,5 g/l Natriumborhydrid enthält. Das Gut wird dann mit Wasser gespült. Anschließend trägt
•jO man das Gut in eine wäßrige Lösung von 0,2 mol/1
Nickel-II-chlorid, 0,15 mol/1 Citronensäure, 0,2 mol/1
Natriumhypophosphit ein, die bei 250C mit Ammonaik
auf pH 9,0 eingestellt ist. Nach ca. 15 Sekunden beginnt sich die Oberfläche des textlien Flächengebildes
dunkel zu verfärben. Bereits nach 30 Sekunden ist das Gut mit einer feinen Nickelmetallschicht bedeckt
und dunkel verfärbt.
Nach ca. 10 Minuten hat die Nickelschicht eine Dicke von 0,2 \im. Das Gut wird dem Bad entnommen, mit
Wasser gespült und getrocknet.
Die Gewichtszunahme betrug 23 % bezogen auf das Rohgewicht des Gestricks.
Der Oberflächenwiderstand eines Quadrats von 10 χ 10 cm, das aus dem Gut ausgeschnitten wurde, betrug 3,6
Ohm in Stäbchenrichtung und 4,2 Ohm quer dazu.
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Ein Gewebe aus einem Polyacrylnitril-Multifilamentgarn
(100 %-iges Polyacrylnitril) wird 1 Minute in eine Aktivierungslösung gemäß Beispiel 1 getaucht. Anschließend
wird die Probe bei 400C getrocknet und in ein alkalisches Kupferbad aus 10 g/l Kupfersulfat,
15 g/l Seignette-Salz und 20 ml/1 35 Gew.-%ige
Formaldehydlösung gebracht, das mit Natronlauge auf pH 12 - 13 eingestellt wurde.
1Q ' Nach etwa 45 Sekunden beginnt sich die Oberfläche
des Gewebes dunkel zu verfärben, nach etwa 2 Minuten entwickelt sich bereits metallischer Kupferglanz.
Nach ca. 20 Minuten wurde die Probe dem Metallisierungsbad entnommen, gründlich gespült und an der Luft ge-
trocknet. Die Schichtdicke des Kupfers betrug ca. 0,2 μια.
Der Oberflächenwiderstand betrug 0,6 Ohm, gemessen als Widerstand eines Quadrats von 10 χ 10 cm in
Kettrichtung.
Ein 10 χ 10 cm großes Quadrat eines Kohlenstoff-Fasergewebes
wird 30 Sekunden in eine Lösung von 0,05 g Butadienpalladiumdichlorid pro 1 Methylenchlorid
getaucht, bei Raumtemperatur getrocknet und dann 20 Minuten in einen alkalischen Vernicklungs-
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bad gemäß Beispiel 1 vernickelt. Man erhält ein metallisch glänzendes Stoffstück mit einer Metallauflage
von 16,9 Gew.-%, dessen Widerstand 0,3 Ohm beträgt.
Eine Glasplatte von 30 χ 30 cm wird mit einer Aktivierungslösung
gemäß Beispiel 1 gleichmäßig besprüht, getrocknet und anschließend 7 Minuten in ein alkalisches Vernicklungsbad gemäß Beispiel 1
getaucht. Nach 80 Sekunden färbt sich die Oberfläche dunkel und nach 5 Minuten wird eine metallisch
glänzende Schicht beobachtet. Die nach der Metallisierung gewaschene und getrocknete Glasscheibe ist
mit einer spiegelnden Metallschicht überzogen.
Eine Polyethylenfolie von 30 χ 30 cm wird mit Methylenchlorid entfettet und anschließend einseitig
mit einer Aktivierungslösung gemäß Beispiel 1 besprüht. Nach dem Trocknen wird die Folien 20 Minuten
in einem Vernickelungsbad gemäß Beispiel 1 metallisiert. Man erhält eine einseitig vernickelte Folie
mit einem Nickelgehalt von 10,8 g/m2.
In einer Klotzvorrichtung wird eine 10 m lange und
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15 cm breite Stoffbahn bei einer Geschwindigkeit
von 160 m/h durch eine Lösung von 0,1 g Butadienpalladiumdichlorid
pro l Methylenchlorid gezogen und spannungsfrei bei 400C getrocknet. Anschließend
wird die Stoffbahn mit einer Geschwindigkeit von 25 m/h durch ein Metallisierungsbad gezogen, das
27 g/l Nickelsulfat, 3 g/l Dimethylaminboran und 14 g/l Citronensäure enthält- Die Badverweilzeit
beträgt 10 Minuten. Während der Metallisierung werden pH-Wert, Nickelkonzentration und Reduktionsmittelkonzentration
durch kontinuierliche Ergänzung konstant gehalten. Das Gut wird anschließend gewaschen
und getrocknet. Man erhält eine gleichmäßig vernickelte Stoffbahn mit einer Nickelauflage von
30,5 g/m2.
Ein Stempelkissen wird mit einer Anreibung von 1 g Dibenzonitrilpalladiumdichlorid in 20 ml Ethylenglykol
benetzt. Anschließend werden dann mit einem Stempel Buchstaben auf eine Polyethylenfolie gestempelt.
Die Folie wird 30 Sekunden in ein Wasserbad getaucht und anschließend in einem Metallisierungsbad
gemäß Beispiel 1 vernickelt. Nach 5 Minuten waren die Buchstaben als metallisch glänzende
Flächen klar erkennbar.
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Beispiel 12
Eine 30 χ 26 cm große Stahlplatte wird mit 1,1,1-Trichlorethan
entfettet, anschließend einseitig mit einer Aktivierungslösung gemäß Beispiel 1 besprüht
und getrocknet. Dann wird die Platte 20 Minuten in ein Metallisierungsbad gemäß Beispiel 1
getaucht.
Man erhält eine gleichmäßig mit einer Nickelschicht von ca. 2μΐη beschichtete Stahlplatte.
Ein 14 cm χ 14 cm großes Polypropylenteil wird von
einer Seite gleichmäßig mit einer Lösung von 0,1 g Butadienpalladiumdichlorid
pro Liter Methylenchlorid besprüht (Treibmittel Frigen), bei Raumtemperatur getrocknet
und dann 15 Minuten in einem alkalischen Nickelbad
gemäß Beispiel 1 vernickelte Man erhält eine metallisch glänzende, gut haftende Nickelschicht auf dem Polypropylenteil,
die einen elektrischen Widerstand von 7 cm Ohm aufweist.
Ein 8 cm χ 11 cm großes Polypropylennetz wird gleichmäßig
mit einer Lösung von 0,1 g Butadienpalladiumdichlorid pro Liter Methylenchlorid besprüht (Treibmittel
Frigen), bei Raumtemperatur getrocknet und dann 15 Minuten in einem alkalischen Nickelbad gemäß Beispiel
1 vernickelt. Man erhält ein metallisch glänzendes, gut vernickeltes Polypropylennetz, das einem elektrischen
Widerstand von 3 Ohm aufweist.
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Claims (9)
1. Verfahren zum Aktivieren von metallischen und
nichtmetallischen Oberflächen zum Zwecke der stromlosen Metallabscheidung, dadurch gekennzeichnet,
daß die zu metallisierende Oberfläche mit einer in einem organischen Lösungsmittel
homogen verteilten organometallischen Verbindung von Elementen der 1. und 8. Nebengruppe des
Periodensystems der Elemente benetzt, das organisehe Lösungsmittel entfernt und die an der zu
metallisierenden Oberfläche haftende organometallische Verbindung reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als organometallische Verbindungen Komplexe der Elemente Cu, Ag, Au, Co, Ni, Pd und Pt
mit Olefinen 1,3-Dicarbonylverbindüngen oder
Nitrilen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als organometallische Verbindungen Komplexe
des zweiwertigen Palladiums oder Platins mit Olefinen, Nitrilen oder Acetylaceton verwendet
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als organometallische Verbindungen Komplexe
des einwertigen Golds mit Olefinen verwendet werden„
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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Konzentrationen der organometallischen Verbindungen zwischen 0,01 g und 10g pro Liter
organischen Lösungsmittels betragen.
6. Verfahren zur Aktivierung von metallischen und nichtmetallischen Oberflächen, dadurch gekennzeichnet,
daß die organometallischen Aktivierungslösung durch Eintauchen der Substrate, Besprühen, Bestempeln oder Bedrucken der Substrate
aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel Hydrazine, Formaldehyd,
Hypophosphit oder Borane verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß als Substrate Stähle, Titan, Glas, Quarz, Keramik, Papier, Kohlenstoff, Polyethylen, Polypropylen,
ABS-Kunststoffe, Epoxyharze, Polyester und textile Flächengebilde, Fäden und Fasern aus Polyamid, Polyester, Polyalkylen,
Polyacrylnitril, Polyvinylhalogeniden, Baumwolle und Wolle, sowie deren Mischungen oder
Mischpolymerisaten, verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organometallische Verbindung im organisehen
Lösungsmittel gelöst ist.
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