TWI427194B - 無氰電鍍銀溶液 - Google Patents

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Description

無氰電鍍銀溶液
本專利申請案依美國法規35 U.S.C.§119(e),對2011年9月21日提出之臨時申請No. 61/385,066號案,主張要求優先權,並在此將該案全部納入參考。
本發明係針對無氰電鍍銀溶液。更明確地說,本發明係用以高速沉積閃亮銀之無氰電鍍銀溶液。
電鍍銀係用於傳統裝飾物或正式晚餐餐具。由於銀的優良導電性,電鍍銀在電子工業上具有廣泛用途,例如,用於光伏電器之電開關、連接器和電流履帶。
許多傳統使用的電鍍銀溶液,因含有氰化物而有劇毒性。通常,電鍍溶液之銀離子係來自水溶性氰化銀鹽。目前已有很多研發試驗意欲減少或去除電鍍銀溶液中之氰化物,並同時能保有電鍍銀溶液所期望之電鍍性能,且能將銀緊密附著在基材而得到閃閃發亮之銀沉積。例如,硝酸銀-硫脲溶液和碘化銀-有機酸溶液均曾被研發,但都達不到工業要求,無法作為電鍍銀溶液。另外,其它種電鍍銀溶液,例如,將含三乙醇胺之銀溶液加到硫氰酸銀溶液中;或對-胺基苯磺酸衍生物和碘化鉀加到無機酸或有機酸之銀鹽溶液中,亦曾被試驗過。然而,這些電鍍銀溶液均無法滿足電鍍工業的需求。
無氰電鍍銀溶液對從事電鍍工業的從業人員毒性較低,且因來自該溶液之廢水無氰化物對環境之污染,故對環境更為友善。因使用無氰電鍍銀溶液使整體操作過程安全性改善。然而,一般說來,這種無氰電鍍銀溶液是不太穩定。該溶液通常在電鍍中會分解,且在銀沉積在基材表面之前,銀離子就會減少,因而縮短了該電鍍銀溶液的使用期限。此外,對於最高適用電流密度和沉積銀的物理性質還有改進餘地。目前使用的無氰電鍍銀溶液,鍍後無法沉積均勻的銀層,且鍍銀表面不美觀。通常所沉積的銀層暗淡無光。很多無氰電鍍銀溶液無法適用於電流密度超過5 A/dm2 之高速電鍍工業。
美國專利案號20050183961揭示無氰電鍍銀溶液,和銀沉積方法。其中之無氰電鍍銀溶液包括:作為錯合劑與銀離子錯合之乙內醯脲(hydantoin)和乙內醯脲衍生物,和2,2’-二吡啶以提供閃亮如鏡的銀沉積。在已公開的專利申請案中述及,在電鍍銀溶液中加入2,2’-二吡啶,於室溫使用電流密度1至30 mA/dm2 進行電鍍可以得到閃亮如鏡的銀沉積。然而,2,2’-二吡啶是具惡臭味之有毒化合物,特別是在高溫電鍍操作下,如50至60℃以上時。據此,含2,2’-二吡啶之電鍍溶液,不適用於須在高溫下進行的高速電鍍操作。而高溫下進行電鍍操作可使電鍍溶液中之電解質實質上均勻擴散,能增加適用之電流密度而有利高速電鍍操作。再者,2,2’-二吡啶對使用此電鍍溶液之從業人員有危險,而當電鍍銀溶液之廢水廢棄時也對環境有危險。
雖然,目前已經有無氰電鍍銀溶液可以得到閃亮的鏡面,但仍然需要可以得到閃亮如鏡面的銀沉積,且在高溫下仍可使用高電流密度範圍進行電鍍操作之無氰電鍍銀溶液。
本發明之電鍍銀溶液包括:一種或多種銀離子源,選自乙內醯脲、乙內醯脲衍生物、丁二醯亞胺和丁二醯亞胺衍生物之一種或多種錯合劑,選自二烷基硫化物和二烷基二硫化物之一種或多種有機硫化物,及一種或多種吡啶基丙烯酸,且此等溶液為無氰者。
本發明之方法包括:a)提供一種無氰溶液,其包含:一種或多種銀離子源,一種或多種選自乙內醯脲、乙內醯脲衍生物、丁二醯亞胺和丁二醯亞胺衍生物之錯合劑,一種或多種選自二烷基硫化物和二烷基二硫化物之有機硫化物,和一種或多種吡啶基丙烯酸;b)使基材與該溶液接觸;和c)將銀電鍍在該基材。
此含有機硫化物和吡啶基丙烯酸之無氰電鍍銀組合溶液,提供用以得到閃亮如鏡的銀沉積,且電鍍操作可在高電流密度,高溫下進行,同時可進行捲對捲(reel-to-reel)電鍍。另外,此種無氰電鍍銀溶液,因為無氰又不含2,2’-二吡啶,所以對環境是友善者。據此,此種無氰電鍍銀溶液對從業人員無害,且在操作和化學處理時安全。
在本發明全部說明書中所述及之術語「鍍」和「電鍍」,兩者是通用者。而不定冠詞「a」和「an」則意欲包括單數與複數。
下列縮寫除說明書另有指明,否則均如下所述:℃=攝氏度;g=克;mL=毫升;L=升;A=安培;dm=分米(公寸);μm=微米;和nm=奈米。除另有指明,所有百分率和比率均按重量計。所有範圍(range)是廣泛且可任意組合者,惟可合理地將數量範圍限制在加入到100%。
此電鍍銀水性溶液包含一種或多種銀離子源。銀離子源包括,但不侷限於,氧化銀,硝酸銀,硫代硫酸鈉銀,葡萄糖酸銀;銀-胺基酸錯合物,例如,銀-半胱胺酸錯合物;烷基磺酸銀,例如,甲烷磺酸銀和乙內醯脲銀,和丁二醯亞胺銀化合物之錯合物。較佳之銀離子源係選自氧化銀和一種或多種之乙內醯脲銀錯合物。由於電鍍銀溶液係無氰,故溶液中不含氰化銀化合物。銀離子源在水性溶液中的含量為5 g/L至100 g/L,或例如10 g/L至50 g/L。
吡啶基丙烯酸包括,但不侷限於,3-(2-吡啶基)丙烯酸、3-(3-吡啶基)丙烯酸、3-(4-吡啶基)丙烯酸、3-(6-苯基-吡啶基)丙烯酸、順式-3-(3-吡啶基)丙烯酸、反式-3-(3-吡啶基)丙烯酸和z-2-氟-3-(3-吡啶基)丙烯酸。較佳之吡啶基丙烯酸為順式-3-(3-吡啶基)丙烯酸,及反式-3-(3-吡啶基)丙烯酸。在電鍍銀溶液中吡啶基丙烯酸的含量為1 g/L至10 g/L,或例如2 g/L至6 g/L。
含吡啶基丙烯酸和有機硫化物之電鍍銀組合溶液,提供用以得到閃亮如鏡的銀沉積,且電鍍操作可在高電流密度,高電鍍溫度下進行,同時可用於捲對捲電鍍。
該有機硫化物係選自二烷基硫化物和二烷基二硫化物,較常用者為選自經取代之二烷基硫化物和經取代之二烷基二硫化物。而常用之經取代之二烷基硫化物和經取代之二烷基二硫化物,為具下列通式之硫基二烷醇:
HOR1 (S)x R2 OH
其中之R1 和R2 分別為(C2至C8)烷基,直鏈或支鏈,較佳係R1 和R2 各為-CHR3 CHR4 -,而R3 和R4 分別為氫,甲基或乙基;而x為1至2的整數。若x為2,此有機硫化物為二硫化物。更佳係R3 和R4 為氫或甲基而x為1。最佳係R3 和R4 為氫,且x為1。此電鍍銀溶液中有機硫化物的含量為1 g/L至10 g/L,或例如2 g/L至8 g/L。
電鍍銀溶液含有選自乙內醯脲、乙內醯脲衍生物和丁二醯亞胺衍生物之一種或多種水溶性含氮錯合劑。此電鍍銀溶液中丁二醯亞胺和丁二醯亞胺衍生物,乙內醯脲和乙內醯脲衍生物的含量為60 g/L至250 g/L,或例如50 g/L至100 g/L。乙內醯脲衍生物包括,但不侷限於,1-甲基乙內醯脲、1,3-二甲基乙內醯脲、5,5-二甲基乙內醯脲、1-甲醇-5,5-二甲基乙內醯脲和5,5-二苯基乙內醯脲。丁二醯亞胺衍生物包括,但不侷限於,2,2-二甲基丁二醯亞胺、2-甲基2-乙基丁二醯亞胺、2-甲基丁二醯亞胺、2-乙基丁二醯亞胺、1,1,2,2-四甲基丁二醯亞胺、1,1,2-三甲基丁二醯亞胺和2-丁基丁二醯亞胺。
包含酸和鹼廣泛種類之任一電解質,均可用於本電鍍銀溶液中。電解質包括,但不侷限於,烷磺酸,例如,甲烷磺酸、乙烷磺酸和丙烷磺酸;烷醇磺酸;芳基磺酸例如,甲苯磺酸、苯基磺酸和苯酚(phenol)磺酸;含胺基磺酸,例如,醯胺基磺酸;胺基磺酸;和礦酸,例如,硫酸、鹽酸、氫氟酸和硝酸。而酸和鹼之鹽類亦可當電解質使用。導電性鹽類包含例如,鹼金屬之氯化物和硝酸鹽類,例如,氯化鉀和硝酸鉀。再者,此電解質亦可含有:酸的混合物,鹼的混合物,或一種或多種酸和一種或多種鹼的混合物。也可含有酸、鹼和鹽類的混合物。這些種電解質普遍可自市面多處購買,例如,美國阿德里奇(Aldrich)化學公司,米爾瓦基,威斯康辛。通常此種電解質在底鍍銀(silver-strike)溶液的含量為1 g/L至100 g/L,或例如10 g/L至50 g/L。
此電鍍銀溶液可含一種或多種緩衝劑,緩衝劑包括,但不侷限於,硼酸鹽緩衝劑,如硼砂,磷酸鹽緩衝劑,檸檬酸鹽緩衝劑,碳酸鹽緩衝劑和胺基磺酸鹽緩衝劑。此種緩衝劑的使用量為足夠用以維持電鍍溶液之pH在8至14之間,較佳為9至12之間。
此銀溶液可視需要含一種或多種界面活性劑。多種傳統界面活性劑均可使用。只要對鍍銀操作沒有干擾,任何常用之陰離子性,陽離子性,兩性離子性和非離子性界面活性劑均可使用。界面活性劑添加量可依熟悉電鍍銀溶液操作技藝者所知之用量。商業上可供應之界面活性劑之實例,如AMPHOTERGE K,AMINOXID WS-35及RALUFON EA-15-90。
此電鍍銀溶液可視需要含一種或多種添加成分。此添加成分包括,但不侷限於,抗玷污劑,整平劑和延展性加強劑。添加成分之量可依熟悉電鍍銀溶液操作技藝者所知之用量。
欲鍍之基材可使用傳統電鍍噴灑裝置,將銀溶液噴灑於基材表面,或將基材整個浸泡在銀溶液中,而進行鍍銀。傳統電鍍裝置仍然可用。雖然電鍍可在室溫至90℃間操作,惟銀溶液之較佳使用溫度為30℃至90℃,更佳溫度為40℃至70℃。在高溫下進行的電鍍操作,因為電解質離子在電鍍溶液中擴散較快,所以可在較高電流密度下進行。欲鍍基材通常使用為陰極,而任何合適之傳統鍍銀用陽極亦可使用。陽極可為可溶性電極,例如可溶性銀電極,或可使用不可溶性陽極,如氧化銥。電極聯接到傳統整流管以供應電流。雖然電鍍之電流密度可在0.1 A/dm2 至50 A/dm2 之範圍,惟通常為5 A/dm2 或更高,而較常為6 A/dm2 至30 A/dm2 間,最常為6 A/dm2 至15 A/dm2 間。如此高的電流密度可縮短電鍍時間,例如於捲對捲的電鍍。以使銀層直接附著在基材表面之方式將銀鍍在基材表面。電鍍在基材之銀層厚度介於0.5μm至20μm間,或例如3μm至6μm間。欲被鍍銀之基材表面包括金屬,例如,銅和銅合金,鎳和鎳合金,錫和錫合金,銀和銀合金,金和金合金及鋼。以此方法製作之物件包括,但不侷限於,電子設備用之電接頭和開關。
當電鍍銀溶液用於在銀上鍍銀時,通常安置一底鍍銀層,該底鍍銀層之功能為改善與底層金屬如鎳或銅之附著性,例如製造光伏裝置。此種在底鍍銀層另加上的銀層厚度介於0.5μm至20μm間。
當電鍍銀溶液可用於在廣泛之溫度與電流密度下,得到閃亮如鏡的銀層沉積,此電鍍銀溶液常用於捲對捲的電鍍方法,此時需要高電流密度和高溫條件。在金屬電鍍上捲對捲的電鍍是效能高又經濟之方法。熟悉電鍍操作技藝者都知道有許多捲對捲的電鍍裝備。此方法能對製造品作條紋式電鍍,或對加工前之原材作捲式電鍍。此方法係先將捲材(reel)裝載於去捲台(de-reeling station)。此捲式金屬原材可能包括,但不侷限於,銅,銅合金,鎳或鎳合金,錫或錫合金。再使用絞盤系統,經由各種電鍍程序鍍滿成品。捲材鍍上一或多種底層金屬,該底層金屬係構成與該捲材之金屬不同。接著該捲材由銀溶液電鍍銀,而在底層金屬上得到閃亮如鏡的銀沉積。在操作線終端為重新將材料捲繞之收線系統。眾多的捲材可使用累加器以利於彼此間之順暢傳送。此種捲對捲的電鍍方法,需要可以在高電流密度和高溫條件下操作之電鍍溶液,以保持此加速電鍍方法的效率。在捲對捲的電鍍中,銀電鍍溶液係使用於30℃和更高溫度,或如50℃至90℃。電流密度範圍可介於6 A/dm2 至15 A/dm2 間。
此種電鍍銀溶液可用於任何需要閃亮銀鏡層的地方而提供閃亮如鏡的銀層沉積。含有機硫化物和吡啶基丙烯酸之無氰電鍍銀組合溶液,可提供用以得到閃亮如鏡的銀沉積,且電鍍操作可在高電流密度,高溫下進行,同時可進行捲對捲電鍍。另外,此種無氰電鍍銀溶液,因為無氰又不含2,2’-二吡啶,所以對環境友善。據此,此種無氰電鍍銀溶液對從業人員亦友善。
下文以實施例更具體說明本發明,惟本發明絕非限定於該等實施例者。
[實施例1]
依下表製備電鍍銀水溶液。
提供兩片黃銅試樣。將各試樣分別置於含上述表1銀溶液之各別電鍍電池中。試樣係作為陰極,可溶性銀電極作為陽極。陰極,銀溶液和陽極以電傳導與慣用的整流器聯結。各溶液之溫控制在60℃。其中一片試樣在2 A/dm2 電流密度下電鍍銀,另一片在12 A/dm2 電流密度下電鍍銀。將兩電鍍電池中之溶液均加以攪動。待每片試樣之銀沉積厚度達5μm時電鍍即完成。已電鍍銀之兩片試樣再於室溫下以去離子水淋洗並風乾。本實施例結果,每張已鍍銀之試樣表面暗淡無光。
[實施例2]
依下表製備水性電鍍銀溶液。
提供一片黃銅試樣。將這片試樣置於含上述表2銀溶液之電鍍電池中。試樣作為陰極,可溶性銀電極作為陽極。陰極,銀溶液和陽極以電傳導與慣用的整流器聯結。溶液之溫度控制在60℃。該試樣係在2 A/dm2 電流密度下電鍍銀。將電鍍電池中之溶液加以攪動。待試樣銀層沉積厚度達5μm時電鍍即完成。已電鍍銀之試樣再於室溫下以去離子水淋洗並風乾。本實施例結果,此片已鍍銀之試樣顯得如鏡面般閃亮。
[實施例3]
依實施例2所揭示之方法重複進行電鍍,使用相同的水性鍍銀溶液和電鍍條件,但電流密度改為12 A/dm2 。此時試樣所得之沉積銀外表顯得暗淡無光,和實施例2所得如鏡面般閃亮之試樣對比懸殊。
[實施例4]
依下表製備水性電鍍銀溶液。
提供一片黃銅試樣。將這片試樣置於含上述表4銀溶液之電鍍電池中。試樣作為陰極,可溶性銀電極作為陽極。陰極,銀溶液和陽極以電傳導與慣用的整流器聯結。溶液之溫度控制在60℃。此試樣在12 A/dm2 電流密度下電鍍銀。將電鍍電池中之溶液加以攪動。待試樣銀層沉積厚度達5μm時電鍍即完成。已電鍍銀之試樣再於室溫下以去離子水淋洗並風乾。該電鍍銀之試樣顯得如鏡面般閃亮。
β-硫基烷醇,2,2-硫基二乙醇,和3-(3-吡啶基)丙烯酸的組合,在12 A/dm2 高電流密度可以得到如鏡般閃亮的銀沉積。相對地,實施例1之電鍍銀溶液含有3-(3-吡啶基)丙烯酸,不含2,2-硫基二乙醇,則無論在2 A/dm2 低電流密度和12 A/dm2 高電流密度下,都無法得到如鏡面般閃亮的銀沉積。雖然實施例2中含有2,2-硫基二乙醇,不含3-(3-吡啶基)丙烯酸,在2 A/dm2 低電流密度時能夠得到如鏡面般閃亮的銀沉積,但如實施例3所示,在12 A/dm2 高電流密度時無法得到如鏡面般閃亮的銀沉積。因此,為了在12 A/dm2 高電流密度下電鍍得到如鏡面般閃亮的銀沉積,必需含有2,2-硫基二乙醇和3-(3-吡啶基)丙烯酸。

Claims (8)

  1. 一種無氰溶液,該溶液包含:一種或多種銀離子源,一種或多種選自乙內醯脲、乙內醯脲衍生物、丁二醯亞胺和丁二醯亞胺衍生物之錯合劑,一種或多種選自二烷基硫化物和二烷基二硫化物之有機硫化物,和一種或多種吡啶基丙烯酸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之溶液,其中,吡啶基丙烯酸係選自3-(2-吡啶基)丙烯酸、順式-3-(3-吡啶基)丙烯酸、3-(4-吡啶基)丙烯酸、3-(6-苯基-吡啶基)丙烯酸、反式-3-(3-吡啶基)丙烯酸和z-2-氟-3-(3-吡啶基)丙烯酸。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之溶液,其中,乙內醯脲衍生物係選自乙內醯脲、1-甲基乙內醯脲、1,3-二甲基乙內醯脲、5,5-二甲基乙內醯脲、1-甲醇-5,5-二甲基乙內醯脲和5,5-二苯基乙內醯脲。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之溶液,其中,經取代之二烷基硫化物係一種β-硫基二烷醇。
  5. 一種方法,包括:a)提供一種無氰溶液,該溶液包含:一種或多種銀離子源,一種或多種選自乙內醯脲、乙內醯脲衍生物、丁二醯亞胺和丁二醯亞胺衍生物之錯合劑,一種或多種選自二烷基硫化物和二烷基二硫化物之有機硫化物,和一種或多種吡啶基丙烯酸;b)使基材與此溶液接觸;和c)將銀電鍍在此基材。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法,其中,電流密度等於或高於5 A/dm2
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法,其中,電流密度係介於6 A/dm2 至15 A/dm2 間。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之方法,其中,溶液之溫度為30℃和更高。
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