DE4013349A1 - 1-(2-sulfoaethyl)pyridiniumbetain, verfahren zu dessen herstellung sowie saure nickelbaeder enthaltend diese verbindung - Google Patents

1-(2-sulfoaethyl)pyridiniumbetain, verfahren zu dessen herstellung sowie saure nickelbaeder enthaltend diese verbindung

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Description

Die Erfindung betrifft die neue Verbindung 1-(2-Sulfoäthyl)pyridiniumbetain, Verfahren zu deren Herstellung sowie saure Nickelbäder enthaltend diese Verbindung.
Es ist seit langem bekannt, daß sauren, insbesondere schwach sauren Nickelelektrolyten, bestimmte organische Substanzen in geringen Mengen zugesetzt werden, um statt einer matten Abscheidung eine glänzende Nickelabscheidung zu erhalten.
Eine Gruppe der Zusätze, auch Grundglänzer genannt, sind ungesättigte, meist aromatische Sulfonsäuren, Sulfinsäuren, Sulfonamide beziehungsweise deren Salze. Die bekanntesten Verbindungen sind zum Beispiel m-Benzoldisolfonsäure oder Benzoesäuresulfimid (Saccharin). Weitere Grundglänzer sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1 Beispiele für Grundgläser (die zumeist in Form ihrer Natrium- oder Kaliumsalze eingesetzt werden)
Diese Verbindungen aus Tabelle 1 erzeugen, allein dem galvanischen Bad zugesetzt, über einen gewissen Stromdichtebereich einen glänzenden, aber nicht eingeebneten Niederschlag. Ihre alleinige Anwendung hat deshalb keinerlei praktische Bedeutung, da die Qualität der mit ihnen erhaltenen Nickelüberzüge nicht den heutigen Anforderungen entspricht.
Ihr offensichtlicher Mangel ist die Fähigkeit, rauhe Oberflächen einzuebnen, ohne den Niederschlag zu verspröden.
Es wurden auch hier Substanzen bekannt, die als Einebner bezeichnet werden. Sie werden praktisch immer zusammen mit einem oder mehreren Grundglänzern angewendet.
Bekannte Einebner sind zum Beispiel dreifach ungesättigte Alkohole oder dreifach ungesättigte Amine. Sie zeigen vor allem beim Dauerbetrieb und schon bei leichter Überdosierung dunkle Abscheidungen im niedrigen Stromdichtebereich. Häufig tritt sogar der Fall ein, daß keine Abscheidung im niedrigen Stromdichtebereich auftritt und das Untergrundmaterial sichtbar bleibt. Einige Beispiele an bekannten Einebnern sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2 Beispiele für bekannte Einebner
Propargylalkohol HC≡C-CH₂OH
2-Butindiol (1,4) HO-CH₂C≡C-CH₂OH
Äthylenglycolmonopropargyläther HC≡C-CH₂O-CH₂CH₂OH
Äthylenglycol-bis-propargyläther HC≡C-CH₂O-CH₂CH₂O-CH₂≡CH
Diäthylenglycol-monopropargyläther HO-CH₂CH₂OCH₂CH₂O-CH₂C≡CH
N,N-Dimethylaminopropin (CH₃)₂N-CH₂C≡CH
N,N-Diäthylaminopropin (C₂H₅)₂N-CH₂C≡CH
2-Butindiol-bis(hydroxyäthyläther) HO-CH₂CH₂OCH₂C≡CCH₂OCH₂CH₂OH
Weiter sind als Einebner quaternäre, aromatische stickstoffhaltige Verbindungen wie Pyridinium- oder Chinoliniumverbindungen als Einebner bekannt. Allen diesen Einebnern ist gemeinsam, daß sie entweder schon beim Ansatz, meist aber im Dauerbetrieb den Nickelniederschlag verspröden. Dadurch ist ein nachträgliches Verformen der vernickelten Teile nicht mehr möglich, es entstehen auch spontan Risse, die bis in das Grundmaterial reichen und dadurch Korrosion (zum Beispiel Rost) hervorrufen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese beschriebenen Nachteile zu vermeiden und einen Stoff zu schaffen, der bei ausreichend guter Tiefenstreuung eine gute Einebnung und bei längerem Betrieb der sauren Nickelbäder die Abscheidung spröder Niederschläge verhindert.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verbindung gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gegenstand der Anmeldung ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung dieser Verbindung.
Obwohl in neuerer Zeit Pyridin-N-äthansulfonsäuren-derivate (EU-PS 3 43 559) beschrieben wurden, zeigte sich die bis jetzt als Nickelglanzbildner nicht beschriebene Substanz 1-(2-Sulfoäthyl)pyridiniumbetain
als hervorragend geeignet. Sie unterscheidet sich von 1-(3-Sulfopropyl)pyridiniumbetain (DE PS 10 04 011) durch eine bessere Wirksamkeit im Ansatz und im Verbrauch.
Mit dieser Verbindung gelingt es in hervorragender Weise, eine sehr gute Einebnung in Verbindung mit einem hervorragenden Glanz zu erzielen. Eine Versprödung trat nicht auf. Durch Kombination mit den Einebnern aus Tabelle 2 mit einer dreifach ungesättigten Gruppe kann der Glanzbereich bis in den niedrigsten Stromdichtebereich erzielt werden.
Die erfindungsgemäße Verbindung liegt als inneres Salz (Betain) vor. Sie ist sehr stabil. Die Herstellung erfolgt noch in an sich bekannten Verfahren, zum Beispiel durch Umsetzung von Pyridin im Überschuß mit Bromäthansulfonsäure, Natriumsalz, durch mehrstündiges Kochen am Rückflußkühler. Die Ausbeute betrug etwa 70% der Theorie. Durch Umkristallisieren mit Wasser/Alkohol lassen sich die Verunreinigungen minimieren.
Das Bad zur Abscheidung von Nickelniederschlägen unter Zusatz der erfindungsgemäßen Substanz besteht im allgemeinen aus einer Nickelsalzlösung, der man zusätzlich eine schwache Säure zur Pufferung zusetzt.
In der Praxis wird hauptsächlich der Watt'sche Ansatz verwendet, der etwa folgende Zusammensetzung hat:
200-400 g/l Nickelsulfat (NiSO₄ ×⌀ 7 H₂O)
 30-200 g/l Nickelchlorid (NiCl₂ × 6 H₂O)
 30- 50 g/l Borsäure (H₃BO₃)
Der pH-Wert kann zwischen 3 und 5,5 liegen, hauptsächlich zwischen 4 und 5. Die Temperatur kann zur Erhöhung der Stromdichten bis zu 75°C betragen, in der Regel liegt sie zwischen 50° und 60°C.
Hochleistungselektrolyte haben einen Chloridgehalt von 10-50 g/l und zeigen beim Verwenden der erfindungsgemäßen Verbindung die besten Ergebnisse. Das Nickelchlorid kann teilweise oder ganz durch Natriumchlorid ersetzt werden. Die Stromdichte kann bei 55°C bei den bezeichneten Hochleistungselektrolyten bis zu 10 A/dm² betragen.
Die erfindungsgemäße Substanz kann zwar für sich allein dem Elektrolyten zugesetzt werden, optimale Ergebnisse erzielt man jedoch erst durch Kombination mit bekannten Grundglänzern und Einebnern. Man kann so über den gesamten für die Praxis erforderlichen Stromdichtebereich eine ausgezeichnete Einebnung erzielen, ohne daß die Niederschläge im Dauerbetrieb verspröden.
Die Konzentration der erfindungsgemäßen Verbindungen in Nickelelektrolyten ist sehr gering und kann zwischen 0,005 und 5 g/l, in der Regel zwischen 0,05 und 0,4 g/l liegen. Die Konzentration liegt besonders im unteren Bereich, wenn die erfindungsgemäßen Verbindungen in Kombination von Grundglänzern zusammen mit dreifach ungesättigten Verbindungen angewendet werden.
Die Grundglänzer nach Tabelle 1 werden in der Regel in Mengen von 0,1-10 g/l, dem Elektrolyten zugesetzt. Einebner nach Tabelle 2 werden zweckmäßigerweise zwischen 0,005 und 0,25 g/l dosiert. Netzmittel zur Verhinderung einer porigen Abscheidung können in Mengen bis zu 10 g/l zugesetzt werden.
Beispiel 1.0
Zu einem Elektrolyten mit folgender Zusammensetzung
270 g/l Nickelsulfat (NiSO₄ × 7 H₂O)
40 g/l Nickelchlorid (NiCl₂ × 6 H₂O)
40 g/l Borsäure (H₃BO₃)
0,5 g/l 2-Äthylhexylsulfat, Natriumsalz als Netzmittel
werden 0,25 g/l der erfindungsgemäßen Verbindung zugesetzt.
Die alleinige Zugabe bewirkt bereits eine noch glänzende und eingeebnete Abscheidung in einem Stromdichtebereich von 2-5 A/dm². Oberhalb 5 A/dm² ist ein matter Absatz. Die Prüfung erfolgt in der Hull-Zelle bei 55°C mit Lufteinblasung. Ein gekratztes Kupferblech 7 × 10 cm wurde 10 Minuten bei 2,5 Ampere galvanisiert.
Beispiel 1.1
Zum Elektrolyten nach Beispiel 1.0 wird zusätzlich zur erfindungsgemäßen Verbindung als Grundglänzer 1 g/l Saccharin, Natriumsalz zugesetzt. Das Blech zeigt eine hochglänzende und gut eingeebnete Abscheidung im Stromdichtebereich von 2-8 A/dm².
Beispiel 2.0
Zu einem Elektrolyten mit der Zusammensetzung
250 g/l Nickelsulfat (NiSO₄ × 7 H₂O)
80 g/l Nickelchlorid (NiCl₂ × 6 H₂O)
40 g/l Borsäure (H₃BO₃)
0,5 g/l 2-Äthylhexylsulfat, Natriumsalz als Netzmittel,
werden 0,1 g/l N,N-Diäthylaminopropin und 1 g/l Saccharin (Benzoesäuresulfimid, Natriumsalz) zugesetzt.
Man erzielt eine glänzende, etwas eingeebnete Abscheidung in einem Stromdichtebereich von 0,1-8 A/dm². Durch Zugabe von nur 0,1 g/l der erfindungsgemäßen Verbindung erhält man in diesem Bereich eine hochglänzende und sehr gut eingeebnete Abscheidung.
Beispiel 2.1
Ersetzt man im Beispiel 2.0 das N,N-Diäthylaminopropin durch 0,07 g/l 2-Butindiol(1.4) so erhält man in dem Bereich von 3,0 bis 8 A/dm² eine hochglänzende und sehr gut eingeebnete Abscheidung.
Beispiel 2.2
Ersetzt man im Beispiel 2.0 das N,N-Diäthylaminopropin durch 0,05 g/l 2-Butindiol-bis-hydroxyäthyläther (1.4) so erhält man in dem Bereich von 0,2 bis 8,2 A/dm² eine hochglänzende und sehr gut eingeebnete Abscheidung.
Beispiel 2.3
Ersetzt man im Beispiel 2.0 das N,N-Diäthylaminopropin durch 0,03 g/l Äthylenglycolmonopropargyläther, so erhält man in dem Bereich von 0,2 bis 8,2 A/dm² eine hochglänzende und sehr gut eingeebnete Abscheidung.
Beispiel 2.4
Ersetzt man im Beispiel 2.0 N,N-Diäthylaminopropin durch 0,007 g/l Propargylalkohol, so erhält man in dem Bereich von 0,3 bis 7,2 A/dm² eine hochglänzende und sehr gut eingeebnete Abscheidung.
Beispiel 2.5
Ersetzt man im Beispiel 2.0 das N,N-Diäthylaminopropin durch 0,15 g/l Hydroxypropinsulfonsäure, Natriumsalz, so erhält man in dem Bereich von 0,1 bis 8 A/dm² eine hochglänzende und sehr gut eingeebnete Abscheidung.
Beispiel 2.6
Ersetzt man im Beispiel 2.0 das N,N-Diäthylaminopropin durch 0,05 g/l Propinsulfonsäure, Natriumsalz, so erhält man in dem Bereich von 0,2 bis 9 A/dm² eine hochglänzende und gut eingeebnete Abscheidung.
Beispiel 2.7
Ersetzt man im Beispiel 2.0 N,N-Diäthylaminopropin durch 0,25 g/l Vinylsulfonsäure, Natriumsalz, so erhält man in dem Bereich von 0,1 bis 10 A/dm² eine hochglänzende und gut eingeebnete Abscheidung.
Beispiel 3
Ein Elektrolyt mit folgender Zusammensetzung
270 g/l Nickelsulfat (NiSO₄ × 7 H₂O)
40 g/l Nickelchlorid (NiCl₂ × 6 H₂O)
40 g/l Borsäure (H₃BO₃)
0,5 g/l 2-Äthylhexylsulfat, Natriumsalz als Netzmittel
1 g/l Saccharin, Natriumsalz
1 g/l Formalin (37%ig) und
0,3 g/l der erfindungsgemäßen Verbindung
wird im Dauerbetrieb mit 4 A/dm² belastet. Die jeweils fehlende Menge an Zusätzen wird nach der Prüfung in der Hull-Zelle ergänzt. Der Verbrauch liegt bei 50 g der erfindungsgemäßen Verbindung bezogen auf einen Ladungsdurchgang von 1000 Ah.
Beispiel 3.1
Ersetzt man im Beispiel 3 die erfindungsgemäße Verbindung durch 1-(3-Sulfopropyl)pyridiniumbetain, so wird ein Verbrauch von 60 g bezogen auf einen Ladungsdurchgang von 1000 Ah ermittelt. Somit erzielt man durch die erfindungsgemäße Verbindung bei gleichem galvanotechnischem Effekt eine mengenmäßige Einsparung.

Claims (22)

1. 1-(2-Sulfoäthyl)pyridiniumbetain.
2. Saure Nickelbäder, gekennzeichnet durch einen Gehalt an 1-(2-Sulfoäthyl)pyridiniumbetain.
3. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 2, enthaltend die Verbindung in einer Konzentration von 0,005 bis 5 g/l, vorzugsweise von 0,05 bis 0,4 g/l.
4. Saure Nickelbäder gemäß Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Grundglänzern in Konzentrationen von 0,005 bis 10 g/l.
5. Saure Nickelbäder gemäß Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Einebnern in Konzentrationen von 0,005 bis 0,25 g/l.
6. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Propargylalkohol in Konzentrationen von 0,01 bis 0,15 g/l.
7. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an 2-Butindiol(1,4) in Konzentrationen von 0,02 bis 0,25 g/l.
8. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Äthylenglycolmonopropargyläther in Konzentrationen von 0,01 bis 0,1 g/l.
9. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an N,N-Diäthylaminopropin in Konzentrationen von 0,02 bis 0,25 g/l.
10. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an 2-Butindiol-bis(hydroxyäthyläther) in Konzentrationen von 0,02 bis 0,25 g/l.
11. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an 2-Butindiol-mono(hydroxy-isopropyläther) in Konzentrationen von 0,015 bis 0,2 g/l.
12. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Hydroxypropinsulfonsäure und ihrer Salze in Konzentrationen von 0,02 bis 0,25 g/l.
13. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an 2,5-Hexindiol in Konzentrationen von 0,02 bis 0,25 g/l.
14. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an 2-(3-Propin-1-oxy)-propanol in Konzentrationen von 0,02 bis 0,15 g/l.
15. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Äthylenglycol-bis-monopropargyläther in Konzentrationen von 0,01 bis 0,2 g/l.
16. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Äthylenglycol-bis(propargyläther) in Konzentrationen von 0,005 bis 0,1 g/l.
17. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Propinsulfonsäure, Natriumsalz, in Konzentrationen von 0,005 bis 0,1 g/l.
18. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Vinylsulfonsäure, Natriumsalz, in Konzentrationen von 0,05 bis 1 g/l.
19. Saure Nickelbäder gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Allylsulfonsäure, Natriumsalz, in Konzentrationen von 0,1 bis 5 g/l.
20. Saure Nickelbäder gemäß Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Netzmitteln in Konzentrationen bis zu 10 g/l.
21. Verwendung der Verbindung gemäß Anspruch 1 in Hochleistungsbädern zur Abscheidung eingeebneter hochglänzender Nickelüberzüge.
22. Verfahren zur Herstellung der Verbindung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Pyridin mit Bromäthansulfonsäure, Alkalisalz, zur Reaktion bringt und das Reaktionsprodukt in an sich bekannter Weise isoliert.
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