JP4114724B2 - めっきが施されるアラミド表面の処理方法 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、金属がアラミド表面を持つ基体に強く接着しておりそして導電性の高いめっき表面を提供することを特徴とする無電解金属めっきのためのアラミド表面の製造に関する。アラミドは、強塩基のジメチルスルホキシド溶液とアラミドを接触させ、次いで洗浄し、所望ならば乾燥することを包含する予備めっき処理にかける。その処理の後、乾燥した場合でもしない場合でも、アラミドに、強い接着性を持つ金属で無電解めっきを施すことができる。
関連技術の説明
アラミド表面に、強い接着性を持つ金属で無電解めっきを施す簡単な方法が長い間求められてきた。アラミド表面は、基体材料の強度を本質的には低下させる方法及びめっきにかけるアラミド表面の複雑で面倒な処理工程を必要とする方法によって、無電解めっきを施されてきた。例えば、米国特許第5,302,415号(1994年4月12日発行、Gabaraら出願)には、アラミド表面は、先ず濃硫酸でクラックが入るか又は形態が変化する程アラミドを処理して初めて無電解めっきにかけることができると述べられている。そのようなクラックや変形は、アラミドの強度を低下させるものである。
米国特許第5,024,858号(1991年6月18日発行、Burch出願)は、アラミドを強塩基で処理してアラミド上にアニオン性のサイトを生成させ、その直後に、そのアニオンサイトと静電的に結合する金属カチオンと接触させ、そしてそれらの金属カチオンを還元して無電解法によるめっきが可能なアラミド表面を形成すれば、アラミド表面に無電解めっきを施すことができることを開示している。アラミド表面を金属カチオンと接触させることによってアニオンサイトを反応させる段階及び続く無電解めっき前にカチオンを還元する段階は、めっき工程を複雑にし、めっき工程を完結するのに必要なコストと時間を著しく増大させる。
発明の概要
本発明は、耐久性のある金属コーティングでめっきされるべきアラミド表面を製造する方法であって、全工程にわたってアラミド表面を金属カチオンと接触させないことを特徴とする方法;−−アラミド表面を強塩基の非水溶液と接触させ、その塩基処理したアラミド表面を水で洗浄して実質的に全ての塩基を除去する段階を含んで成る方法を提供する。
そのようにして調製されたアラミド表面のめっき方法もまた提供される。本発明のめっき方法の実施においては、銅又はニッケルめっきに対する賦活金属は、パラジウムであり、そして、銀メッキに対しては、賦活物質は銀それ自体である。本発明の塩基処理法の実施に金属は関係していない。好ましいアラミドは、ポリ(パラ−フェニレンテレフタルアミド)(PPD−T)である。
発明の詳細な説明
耐久性のある金属コーティングを有する導電性アラミド繊維が長い間求められており、そして高い強度とモジュラスをも併せて有する繊維は特に強く求められている。
アラミドの繊維は、耐久性のある金属コーティングでめっきを施すことは困難であった。アラミド繊維の表面処理及び前処理は、一般的に、今までは、面倒であり、全く満足できるものではなかった。
本発明は、アラミド表面を処理し、そして大きなめっき速度で、簡単な手順を用いて、そして強度とモジュラスが維持された、処理された繊維表面及び高度の導電性と強い接着力を有する金属コーティングが得られるようなやり方で無電解めっきを施すための方法を提供する。本方法は、めっき工程前のどの時点でもアラミド表面を金属カチオンと接触させないで行われる。この方法は連続法でもバッチ法でも行うことができる。本発明の現在の好ましい用途はアラミド繊維表面の処理にあるので、本発明のアラミド表面は、本明細書中ではアラミド繊維と記載される場合もある。
「アラミド」は、少なくとも85%のアミド(−CO−NH−)結合が直接2個の芳香族環に結合しているポリアミドを意味する。好適なアラミド繊維は、Man-Made Fibers-Science and Technology, Volume 2, Section:Fiber-Forming Aromatic Polyamides, page 297, W. Black et al., Interscience Publishers, 1968に記載されている。アラミド繊維はまた米国特許第4,172,938号、第3,869,429号、第3,819,587号、第3,673,143号、第3,354,127号、第3,094,511号にも記載されている。
添加剤をアラミドと共に使用することができ、そして、10重量%迄の他の重合体をアラミドにブレンドすることができる、或いは、アラミドのジアミンの代わりの他のジアミン10重量%又はアラミドの二酸塩化物の代わりの他の二酸塩化物10重量%を有する共重合体を使用することができることが見出されている。特別な場合として、30重量%迄のポリビニルピロリドンを、ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)と共に、本発明の方法によってめっきを施されるアラミド繊維中に含むことができる。
パラ−アラミドが、本発明の繊維中の主要な重合体であり、ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)(PPD−T)は、好ましいパラ−アラミドである。PPD−Tは、p−フェニレンジアミンと塩化テレフタロイルのモル対モル重合から生成する単独重合体、並びに、少量の他のジアミンのp−フェニレンジアミンへの、及び少量の他の二酸塩化物の塩化テレフタロイルへの混入が原因で生成する共重合体を意味する。一般的な法則として、他のジアミン及び他の二酸塩化物は、それらが重合反応に悪影響を及ぼす反応性基を有していないことだけを条件として、p−フェニレンジアミン又は塩化テレフタロイルの約10モル%迄の量又はおそらくはそれより少し多い量で、使用することができる。PPD−Tはまた、それらが異方性紡糸液の調製を可能にする量で存在することだけを条件として、例えば、塩化2,6−ナフタロイル又は塩化クロロ−又はジクロロテレフタロイルのような他の芳香族ジアミン及び他の芳香族二酸塩化物の混入が原因で生成する共重合体をも意味する。PPD−Tの製造については米国特許第3,869,429号、第4,308,374号及び第4,698,414号に記載されている。
メタ−アラミドもまた、本発明の繊維において使用するために重要であり、ポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)(PPD−I)は、好ましいメタ−アラミドである。PPD−Iは、m−フェニレンジアミンと塩化テレフタロイルのモル対モル重合から生成する単独重合体、並びに、少量の他のジアミンのm−フェニレンジアミンへの、及び少量の他の二酸塩化物の塩化イソフタロイルへの混入が原因で生成する共重合体を意味する。一般的な法則として、他のジアミン及び他の二酸塩化物は、それらが重合反応に悪影響を及ぼす反応性基を有していないことだけを条件として、m−フェニレンジアミン又は塩化イソフタロイルの約10モル%迄の量又はおそらくはそれより少し多い量で、使用することができる。PPD−Iはまた、それらがアラミドの望ましい性能特性に悪影響を及ぼさない程度の量で存在することだけを条件として、他の芳香族ジアミン及び他の芳香族二酸塩化物の混入が原因で生成する共重合体をも意味する。
前述した特許の、湿式又はエアギャップ(air-gap)紡糸法で製造されたアラミド繊維は、繊維が凝集して75重量%をかなり超える水を包含するいわゆる「ネバードライド(never-dried)」形態になる。ネバードライド繊維は、水を失う間の収縮が大きいので、強く接着した金属コーティングを繊維上にめっきできるのは、繊維が約20重量%未満の水分量にまで乾燥した後である。ネバードライド繊維では、その後繊維が乾燥する際の繊維の収縮のために本発明の方法によるめっきは成功裡に行うことができない。本発明の方法における使用に適格な繊維は、水分含量が20重量%未満好ましくは5%未満の乾燥した繊維である。
本発明の方法における第一段階として、処理されるアラミド表面を強塩基の非水溶液と接触させる。強塩基は表面にアニオン性のサイトを生成させると考えられる。
本発明の方法において使用できるその他の強塩基の例としては、水酸化物(OH−)、R4R5N−[式中、R4及びR5はC1−C12アルキル、C6H5、C10H7、C12H9、C(=O)R6(ここにR6はC1−C12アルキル)から成る群から選ばれる]、CH2CN−、R7−(ここにR7はC1−C12アルキル)、H−、R8SOR9−(ここにR8及びR9はそれぞれC1−C12アルキル)、又はR10O−(ここにR10はC1−C12アルキル)のようなアルカリ金属化合物、及び上記の重合体のポリアニオンが挙げられる。
「強塩基」は、その共役酸のDMSO中のpKaが19より大きい、好ましくは、その共役酸のDMSO中のpKaが29より大きい塩基を意味する。pKaが19より大きい酸はPPD−Tの最初の水素を脱プロトンするであろうし、pKaが29より大きい酸はPPD−Tを完全に脱プロトンするであろう[文献:R. R. Burch, W. Sweeny, H-W Schmidt and Y. H. Kim, Macromolecules, vol. 23, 1065(1990)]。例えば、就中、カリウムt−ブトキシド(t−ブチルアルコール、pKa=32)、ナトリウムメトキシド(メタノール、pKa=29)、及びナトリウムアミド(アンモニア、pKa=41)は、全て、それらがDMSOに可溶であるかぎり、PPD−Tのようなアラミドのアニオン形態を製造するために有用である。
好ましい塩基の例としてはR8SOR9−及びR10O−が挙げられる。最も好ましい塩基は、CH2SOCH3−、カリウムt−ブトキシド及び上記の重合体のポリアニオンであり、それらは単独でも使用できまたアルコール又はアミンの存在下でも使用される。溶液中の塩基の濃度は0.05Mから6Mの範囲で変化できる。最も好ましい範囲は0.1Mから1.0Mである。
本発明での使用に好適な溶媒の例としては、R11SOR12(ここにR11及びR12は、同一であっても異なっていてもよくそしてC1〜C5アルキルである)のようなスルホキシドが挙げられる。最も好ましい溶媒は、ジメチルスルホキシド(DMSO)である。
適切な溶媒及び溶媒混合物の例として、R11SOR12及びN−メチルピロリドン又はテトラヒドロフランのような非プロトン性溶媒と混合したR11SOR12が挙げられる。好ましい溶媒混合物は10%を超えるDMSOを含有する。最も好ましい溶媒混合物は50%を超えるDMSOを含有する。本発明にとっては、塩基と溶媒の組み合わせが重合体の膨潤を引き起こすことが、このことが試薬との接触を増大させるので、重要である。膨潤を引き起こす溶媒及び溶媒の組み合わせは、当技術分野において公知である。例えば、米国特許第4,785,038号参照。
本発明の方法は、用いられる個々の溶媒に依存する温度で、一般的には該溶媒の融点と沸点の間の温度で、実施することができる。例えば、溶媒がDMSOの場合は、温度範囲は15℃〜190℃であろう。好ましい温度範囲は15℃〜約60℃である。
上述の接触は、アニオン性のサイトが生成したことを示す現象である、アラミド表面がオレンジに変色し始めるか粘着性を帯び始めるかするまで継続されるべきである。この反応段階の完了に必要な時間は25℃で1〜60秒であり、そして勿論、より高温で行った場合にはより短く、より低温で行った場合にはより長い。
次いで塩基と接触したアラミド表面を水でよく洗浄して実質的に全ての塩基を除去する。アニオン性のサイトが生成した先行技術の方法ではそのアニオン性のサイトは、金属カチオン又はその他の感材と直ちに反応させそしてそのような反応に先立って厳密に水から単離して用いられることが必要であることに注目すべきである。本発明の方法では、繊維は、繊維を塩基と接触させた直後に水で洗浄され、そして繊維と金属カチオンとは全く接触しない。
水洗段階に続いて、所望ならば繊維を乾燥してもよい。本発明の、塩基と接触した表面の目的とする用途は、無電解金属めっきである。めっきに先立って処理された表面を乾燥してもよく、又は乾燥せずに洗浄段階の後にめっきを施すこともできる。処理された表面を乾燥する場合にはアラミドの劣化を引き起こさない条件下で乾燥を行うべきである。表面の乾燥は、空気又は窒素又は繊維に悪影響を及ぼさないその他のガス雰囲気中で行うことができ、そして乾燥温度は10℃又は15℃〜100℃又はそれよりやや高温の範囲であり得る。好ましい乾燥温度は15℃〜80℃である。
乾燥した又は乾燥していない洗浄した表面を、めっきするべきカチオンの水溶液に浸せきすることによって、めっきを施す。
銅めっき法の例をあげると、先ず活性化浴としても知られている増感性水溶液をパラジウム及びスズのカチオンを活性化触媒として使用して製造する。めっきを施すべき塩基処理されそして洗浄されたPPT−T繊維を活性化浴に浸せきし攪拌して繊維表面の活性化を進行させる。繊維を活性化浴から取り出して濯ぎ、そして所望ならば、希薄な鉱酸の促進浴に移す。次いで繊維を、例えばエチレンジアミン四酢酸(EDTA)の四ナトリウム塩と錯体を形成して溶液状態を維持している銅イオン及びホルムアルデヒドを含有するめっき浴中に置くか又はそれを通過させる。
活性化された繊維が浸せきされているめっき浴をゆっくり10〜20分間攪拌してめっき反応を十分行わせる。ホルムアルデヒド、pH調節用苛性溶液及び銅イオンは消費される割合に応じて添加する。添加は断続的に行っても連続的に行ってもよい。次いでめっきした材料をすすぎそして乾燥することができる。ホルムアルデヒドの代わりに他の材料を還元剤として用いることができる。適格な還元剤は、次亜リン酸塩、ヒドラジン、水素化ホウ素等である。
上記の段階の全ては、温度が10〜60℃の、そして好ましくは20〜40℃の種々の浴を用いて行うことができる。
ニッケルめっき法の例をあげると、先ず、塩基で処理された繊維を上記の増感性水溶液に浸せきする。増感された繊維は水でよく洗浄し次いで、ニッケル、アンモニア及びジメチルアミンボランの金属錯体溶液を含有する水性の浴に移す。その金属錯体浴への浸せきの間中、浴を攪拌して、繊維に吸収された第一スズイオンが、重合体の表面上でニッケルイオンをニッケルに還元する反応を確実に行わせる。ジメチルアミンボランを、還元剤としてその金属錯体溶液に添加し、そしてニッケルイオンは増感された重合体表面に優先的に沈着する。増感性水溶液は、所望の表面への優先的な金属沈着を促進するために、無電解めっきにおいて使用される。
銅又はニッケルの代わりにコバルト等も、増感性水溶液、還元剤溶液及び金属めっき溶液の適切な組み合わせを用いて、塩基で処理した表面にメッキすることができる。
めっき工程は、塩基処理段階からの乾燥した又は濡れたままの塩基処理した繊維上に行うことができる。銅めっきの場合には、めっき品質が、塩基処理後の繊維の乾燥によっては比較的影響されないように思われる。
試験方法
電気抵抗
ポリエチレンのような非導電体の平なブロック上に、長さ2.5cmの銅電極を並行にそして2.5cm離して取り付けることによって抵抗電池を組立てる。電極をKeithley173Aマルチメーターのようなオーム計に連結し、繊維の抵抗を、平な非導電性の表面上に位置する繊維に電池を押しつけることによって測定する。抵抗は正方形(square)当たりのオームとして報告する。
線密度
紡ぎ糸の線密度は、長さが既知の紡ぎ糸の重量を測定することによって求めた。デニールは、9000メートルの糸の、グラムで表した重量として定義される。Dtexは、10,000メートルの糸の、グラムで表した重量である。
引張り特性
引張り特性を測定する糸は、最初に状態調節し、次いでより合わせ倍率1.1までよりあわせる。糸のより合わせ倍率(TM)は、
T.M=(より合わせ/インチ)(5315/糸のデニール)1/2
より合わせる糸は、25℃、相対湿度55%で14時間以上状態調節を行いその条件で引張り試験を行う。強度(破断強度)、伸び(破断伸び)及びモジュラスをインストロン試験機(Instron Engineering Corp.,Canton,Mas.)で紡ぎ糸を破断することにより測定する。ASTMD2101−1985に定義された強度、伸び及び初期モジュラスを、糸のゲージ長さ25.4cm、引き延ばし速度50%変形/分を用いて測定する。モジュラスは、伸び1%における変形−応力曲線の勾配から計算され、1%変形(絶対値)におけるグラムで表した応力の100倍を試験糸の線密度で除した値に等しい。
好ましい態様の説明
以下の実施例において全ての部は、それ以外であると特に記してなければ重量部である。また、全ての試料は種々の処理溶液に浸せきするためにオープンラックに巻き取った。
繊維の塩基処理
これらの実施例において使用するために、末端のない連続したパラ−アラミドフィラメントの紡ぎ糸[KEVLAR(登録商標)29の商品名でE.I.du Pont de Nemours and Companyによって販売されている材料のような]を、塩基のジメチルスルホキシド(DMSO)溶液と約20℃で2.5〜60秒間接触させ、水で完全にすすぎ、糸巻きに巻き取りそして空気乾燥した。塩基の種類と濃度は、接触時間と共にそれぞれの実施例に記されている。
塩基で処理した紡ぎ糸及び同じ種類であるが塩基処理していない対照の紡ぎ糸を機械編みして小さい繊維管を製造し、管状でめっきを施した。編み機は、Scott&Williams,Laconia,N.H.,U.S.A.によって「KOMET」という名称で販売されていて、直径8.89cm(3.5インチ)のヘッドを有しており、そして管の軸に沿ってcm当たり2.4網目及び管の軸に直角にcm当たり2.0網目から成っていた。
実施例1及び2、及び
比較実施例1〜3
これらの実施例においては、本発明の利点を、銅めっきに関して記載する。本発明の繊維上への銅めっき及び比較実施例の繊維上への銅めっきの結果を表1に示す。それぞれの場合において繊維管を秤量し、次いで市販の化学製品を使用して以下のようにめっきを施した。
(a)繊維を、約10分間40℃で、鉱酸、塩化第一スズ及びパラジウムで構成される活性化水溶液、例えば60gのShipley Co,「Cataposit」44の溶液、塩化スズ水溶液及び、例えば540gのShipley Co,「Cataprep」404の溶液を1700ミリリットルの水に溶解した溶液、と接触させて繊維表面を活性化するためのパラジウム−スズ錯体を生成させる、
(b)紡ぎ糸を約25℃で水を2回交換して約5分間濯ぐ、
(c)紡ぎ糸を、例えば、240ミリリットルのShipley Co,「Circuposit」3350M、84ミリリットルのShipley Co,「Circuposit」3350A、200ミリリットルのShipley Co,「Circuposit」3350B、及び1,476ミリリットッルの水を含有する水性めっき浴中に約40℃で20分間浸せきする、そして
(d)紡ぎ糸を約25℃で水を2回交換して約7分間濯ぐ。
乾燥しためっきを施した管を秤量してめっきされた銅の量を定量した。
実施例1及び2は、繊維を本発明に従って強塩基と接触させることによって、厚く、接着力の大きい無電解めっきを可能になるということを示している。めっきの程度は銅の付着の重量%によって示され、接着力は銅粒子が濯ぎ水の中に無いことによってそしてめっき層の電気抵抗が非常に小さいことによって表される。めっき濯ぎ水の中の銅粒子の存在は、銅の基体への接着力が弱いことを示している−より多い粒子はより小さい接着力を示す−と考えられる。
実施例3及び4、及び
比較実施例3及び4
これらの実施例においては、本発明の利点を、ニッケルめっきに関して記載する。本発明の繊維上へのそして比較例の繊維上へのニッケルめっきの結果を表2に示す。それぞれの場合において繊維管を秤量し、次いで市販の化学製品を使用して以下のようにめっきを施した。
(a)繊維を、約10分間40℃で、鉱酸、塩化第一スズ及びパラジウムで構成される活性化水溶液、例えば60gのShipley Co.「Cataposit」44の溶液、塩化スズ水溶液及び、例えば540gのShipley Co,「Cataprep」404の溶液を1700ミリリットルの水に溶解した溶液、と接触させて繊維表面を活性化するためのパラジウム−スズ錯体を生成させる、
(b)紡ぎ糸を約25℃で水を2回交換して約5分間濯ぐ、
(c)紡ぎ糸を、例えば、300ミリリットルのWitco Corporation「Niklad」752A、ニッケル化合物28.2重量%、アンモニア5重量%、水66.8%から成る水溶液、100ミリリットルのWitco Corporation「Niklad」752R、ジメチルアミンボラン、及び1,600ミリリットッルの水を含有する水性めっき浴中に約40℃で20分間浸せきする、そして
(d)紡ぎ糸を約25℃で水を2回交換して約7分間濯ぐ。
乾燥しためっきを施した管を秤量してめっきされたニッケルの量を定量した。
実施例3及び4は、比較例より幾分大きい金属付着と非常に小さい電気抵抗を示している。
実施例5〜7、及び
比較実施例3及び4
これらの実施例においては、本発明の利点を、種々の塩基に関して記載する。繊維の試料を上記の実施例1及び2に記載されたようにして塩基と接触させそしてそれらの実施例に記載されたようにして銅めっきを施した。塩基の種類、塩基の濃度及び接触時間をめっき結果と共に表3に示す。
実施例5〜7は、可溶性のアルカリ金属アルコキシド及びアミド塩基が本発明の実施に対して有効であることを示している。水酸化カリウム及びナトリウムはDMSOに実質的に不溶であり、そして比較実施例5及び6は、本発明の方法は、適切な強酸が供給されなければ実施することができないことを具体的に示している。
Claims (12)
- 耐久性のある金属コーティングでめっきが施されるアラミド表面を製造する方法であって、以下の各段階:
a)アラミド表面を、強塩基の非水溶液と1〜60秒間、15℃〜190℃の範囲の温度で接触させる段階、及び
b)塩基と接触したアラミド表面を、実質的に全ての塩基を除去するまで水で洗浄する段階
を含んで成る方法。 - 次の追加の段階:
c)段階b)の洗浄後に、洗浄された繊維を乾燥する段階
が存在する請求項1に記載の方法。 - 強塩基が、0.05M〜6Mの濃度で存在する請求項1に記載の方法。
- 乾燥を15℃〜80℃で行う請求項2に記載の方法。
- 非水溶液が、溶媒としてジメチルスルホキシドを含有する請求項1に記載の方法。
- 強塩基が、カリウムt−ブトキシドである請求項1に記載の方法。
- 耐久性のある金属コーティングでアラミド表面にめっきを施す方法であって、下記の段階c)の前迄の工程の間、アラミド表面を金属カチオンと接触させないで、以下の各段階:
a)アラミド表面を、強塩基の非水溶液と1〜60秒間、0℃〜50℃の範囲の温度で接触させる段階、
b)塩基と接触したアラミド表面を、実質的に全ての塩基を除去するまで水で洗浄する段階、及び
c)洗浄されたアラミド表面を、めっきされる金属カチオンの水溶液中に浸せきする段階
を含んで成る方法。 - 強塩基が、0.05M〜6Mの濃度で存在する請求項7に記載の方法。
- 非水溶液が、溶媒としてDMSOを含有する請求項7に記載の方法。
- 強塩基が、カリウムt−ブトキシドである請求項7に記載の方法。
- 段階b)の洗浄されたアラミド表面を、段階c)の浸せきの前に乾燥する請求項7に記載の方法。
- 乾燥を、15℃〜80℃で行う請求項11に記載の方法。
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