TWI633213B - 無污染電鍍液及其製備方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種無污染電鍍液及其製備方法，其製備方法的步驟包括：首先，混合氯化膽鹼和含氮化合物，並加熱至80攝氏度形成離子液體，氯化膽鹼和含氮化合物的莫耳濃度比為1：2，接著添加氯化金屬至離子液體，並攪拌添加有氯化金屬的離子液體，氯化金屬添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.005M至0.5M之間。最後，添加生物菌及無機酸劑至具有氯化金屬的離子液體，並攪拌添加有生物菌及無機酸劑的離子液體，生物菌添加至離子液體的重量百分比範圍在7wt%至11wt%之間，無機酸劑添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.7M至2M之間，以得到本發明的無污染電鍍液。
Description
本發明是關於一種電鍍溶液的技術領域，特別是一種無污染電鍍液及其製備方法。
消費性電子裝置發展至今，現在的消費者除了功能性的要求之外，外觀造型也成為選購消費性電子裝置的考量因素之一。目前所見的消費性電子產品幾乎多為鋁合金或鋁鎂合金等金屬材質所製成的外殼，為了獲得裝飾效果，手機、電腦、數位相機等電子裝置的外殼體通常會再進行表面處理。其中，用電鍍製程處理所得的產品外觀，其金屬質感佳，耐磨性能較好。
電鍍加工是現代常見的表面處理工法之一，將欲電鍍產品放置於存有化學電鍍液的電鍍槽中，並再利用電解原理通電使得產品表面形成電鍍層，藉以達到防止金屬氧化(例如鏽蝕)的作用，以及對金屬產品產生視覺美觀效果。但是，電鍍製程所產生的污染物，例如失去效用的電鍍液、表面雜質及金屬沉積物等，若未經回收處理，將會是水質污染的重要來源，大幅危害周遭環境。因此，電鍍加工廠家必須先初步對廢水進行化學中和後再排放至污泥槽中沉澱再予以環保回收處理。
具體而言，電鍍溶液主要可分為氰化物系及非氰化物系二大類型。氰化物系的電鍍溶液由於穩定性佳，傳統產業界大多以氰化物系的技術為主流。但是，這個方法卻有個最嚴重的問題，就是氰化物系的電鍍液本身有劇毒。因此，工作場所必須達到安全合格的標準及具有完善的廢水處理程式，才能保障工作人員的健康，以及工作環境和生態環境不受污染。電鍍造成環境的危害都是基於電鍍液所造成，電鍍液中含有例如鎳、銅與鉻等重金屬成分，而電鍍的前製程又有硫酸、鹽酸等腐蝕性的溶液，這些都會造成水源以及土壤的污染。隨著環保觀念的日益高漲，電鍍廢液的處理問題，已成為亟待解決的問題。
有鑑於此，本發明提出一種無污染電鍍液及其製備方法，以解決上述習知技術的缺失和限制。
有鑑於上述現有技術對於電鍍溶液和其廢棄物對工作環境及生態環境造成嚴重污染的缺點或限制，本案發明人極盡思量，終於開發出本發明。
為達到上述目的與其他目的，本發明提供一種無污染電鍍液，適用於有陽極的電鍍製程，無污染電鍍液包括有氯化膽鹼、含氮化合物、氯化金屬、生物菌以及無機酸劑。其中，氯化膽鹼和含氮化合物相互混合並加熱至80攝氏度，以形成離子液體，氯化膽鹼與含氮化合物的莫耳濃度比為1：2。氯化金屬是添加至離子液體中，而氯化金屬添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.005M至0.5M之間。生物菌是添加至離子液體中，生物菌添加至離子液體的重量百分比範圍在7wt%至11wt%之間。無機酸劑是添加至離子液體中，無機酸劑添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.7M至2M之間。
進一步的，本發明的無污染電鍍液，其中還包括糖精，添加至離子液體中，糖精添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.05M至0.2M之間。
進一步的，本發明的無污染電鍍液，其中含氮化合物係選自氨、尿素或是尿酸。
進一步的，本發明的無污染電鍍液，其中氯化金屬係選自氯化鎳、氯化銅、氯化鈷、氯化鋅、氯化金或氯化銀。
進一步的，本發明的無污染電鍍液，其中無機酸劑係選自硝酸(HNO3)、硼酸(H3BO3)、氫溴酸(HBr)或高氯酸(HClO4)。
進一步的，本發明的無污染電鍍液，其中更包含一丙三醇(C3H8O3)，係添加至該無機酸劑，該丙三醇與該無機酸劑形成複合脂類。
進一步的，本發明的無污染電鍍液，其中無機酸劑與該丙三醇之體積比例範圍係介於4:1至3:1之間。
進一步的，本發明的無污染電鍍液，其中生物菌是一酵母菌、一代田菌、一光合菌、一乳酸桿菌、一桿菌及其組成物，或者一發酵乳製品。
進一步的，本發明的無污染電鍍液，其中更包含一甲殼素((C8H13O5N)n)，係添加至該無機酸劑。
另外，為達到上述目的與其他目的，本發明還提供一種無污染電鍍液的製備方法，包括以下步驟：首先，混合氯化膽鹼和含氮化合物，並加熱至80攝氏度形成離子液體，其中氯化膽鹼和含氮化合物的莫耳濃度比為1：2。接著，添加氯化金屬至離子液體，並攪拌添加有氯化金屬的離子液體，其中氯化金屬添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.005M至0.5M之間。接著，添加生物菌及無機酸劑至具有氯化金屬的離子液體，並攪拌添加有生物菌及無機酸劑的離子液體，其中生物菌添加至離子液體的重量百分比範圍在7wt%至11wt%之間，無機酸劑添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.7M至2M之間。
進一步的，本發明的無污染電鍍液的製備方法，其中在添加生物菌及無機酸劑至具有氯化金屬的離子液體的步驟之後，還包括以下步驟：添加糖精至具有生物菌及無機酸劑的離子液體，並攪拌添加有糖精的離子液體，其中糖精添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.05M至0.2M之間。
進一步的，本發明的無污染電鍍液的製備方法，其中含氮化合物係選自氨、尿素或是尿酸。
進一步的，本發明的無污染電鍍液的製備方法，其中氯化金屬係選自氯化鎳、氯化銅、氯化鈷、氯化鋅、氯化金或氯化銀。
進一步的，本發明的無污染電鍍液的製備方法，其中無機酸劑係選自硝酸(HNO3)、硼酸(H3BO3)、氫溴酸(HBr)或高氯酸(HClO4)。
進一步的，本發明的無污染電鍍液的製備方法，其中添加生物菌及無機酸劑至具有氯化金屬的該離子液體的步驟中還包括以下步驟：添加丙三醇(C3H8O3)至無機酸劑，丙三醇與無機酸劑形成複合脂類。
進一步的，本發明的無污染電鍍液的製備方法，其中無機酸劑與該丙三醇之體積比例範圍係介於4:1至3:1之間。
進一步的，本發明的無污染電鍍液的製備方法，其中生物菌是一酵母菌、一代田菌、一光合菌、一乳酸桿菌、一桿菌及其組成物，或者一發酵乳製品。
進一步的，本發明的無污染電鍍液的製備方法，其中添加生物菌及無機酸劑至具有氯化金屬的離子液體的步驟中還包括以下步驟：添加甲殼素((C8H13O5N)n)至無機酸劑。
與習知技術相較，採用本發明的製備方法所製造出來的電鍍液，應用在電鍍製程及電鍍設備上可以讓待電鍍的工件表面沉積一金屬膜層，防止工件表面產生鏽蝕，達到材料保護作用，也保留了工件表面的金屬質感與光澤，同時本發明電鍍液的成份都是環保無毒的組份，無機酸劑也是選用弱酸性的酸劑，因而對工作環境及生態環境並不會造成污染，符合現今的綠色環保概念。
再者，本發明的電鍍液所採用的生物菌是決定電鍍液的特性，可以藉由增加生物菌或是利用不同菌種種類與調整菌種數量來重置電鍍液的電氣特性，達到重複使用的目的。也就是說，失去活性的電鍍液無需重新置換，僅需要增加生物菌的濃度即可還原電鍍液的功能。
為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後。
請參考第1圖所示的本發明一實施例的電鍍處理設備的示意圖，本發明的無污染電鍍液140適用於有陽極的電鍍製程，而無污染電鍍液140是注入儲放在電鍍設備100的電鍍槽110中，靶材120和待電鍍工件130放置在電鍍槽110中，使靶材120和待電鍍工件130的至少一部分浸泡在無污染電鍍液140內。
其中，靶材120是電連接在電源供應器150的正極，靶材120的材質選擇必須是導體材料，待電鍍工件130是電連接在電源供應器150的負極。當電源供應器150開啟時提供直流電源給靶材120和待電鍍工件130，以進行電鍍製程。在電鍍製程的過程中，正極的半反應式為M→M
++e
－，負極的半反應式為M
++e
－→M。具體而言，靶材120釋放出電子e
－而變為金屬離子M
+溶於電鍍液140中，而電鍍液140中欲鍍的金屬離子M
+接受了電子e
－，還原形成金屬原子M，並沉積在負極的待電鍍工件130的表面上。
需要說明的是，前述電鍍製程所使用的電流密度非常小，其電流密度的使用範圍在0.001－0.005安培/每平方公分（A/cm
2），在這樣的工作電流條件下，電鍍膜層的沉積速率為4微米/小時（μm/hour）。然，熟悉有陽極的電鍍製程的技術人員，可以依照實際作業需求對應調整工作電流密度，以達到最適合的沉積速率，並不以本發明所揭露的電流密度的數值為限。
執行電鍍製程之前，可以先對待電鍍工件130以砂紙磨光，或是以稀釋鹽酸沖洗，藉以除去待電鍍工件130表面的鏽斑；接著，將除去表面鏽斑的待電鍍工件130以氫氧化鈉清洗，以除去表面油汙；最後，再以蒸餾水清洗待電鍍工件130，完成電鍍的前置處理工作。在完成電鍍製程之後，待電鍍工件130從電鍍槽110中取出，以蒸餾水沖洗來去除電鍍液140，再以丙酮清洗而去除蒸餾水，即得到沉積有鍍膜層的金屬工件。另外，電鍍的過程在常溫環境下執行即可，不需要對電鍍液140加熱，並且還可以在電鍍液140中置放磁石，讓磁石持續旋轉而均勻的攪拌電鍍液140。其中，磁石的旋轉頻率與沉積在待電鍍工件130表面的電鍍膜層的內應力有關，因此當磁石旋轉的速度越快，所形成的電鍍膜層就越光亮，而所採用的轉速範圍在300 rpm（Revolution Per Minute）至1,000 rpm（Revolution Per Minute）之間為佳。
請參考第2圖的步驟流程圖，是本發明第一實施例的無污染電鍍液的製備方法，其製備步驟包括有：首先，混合氯化膽鹼和含氮化合物，並加熱至80攝氏度形成一無色透明的離子液體（步驟S210），其中氯化膽鹼和含氮化合物的莫耳濃度比為1：2。
本實施例的含氮化合物係選自氨、尿素或是尿酸。舉例說明，本實施例的氯化膽鹼所使用的比例是560克/公升（g/L），換算成莫耳濃度為4M，而尿素所使用的比例是480克/公升（g/L），換算成莫耳濃度為8M，氯化膽鹼和尿素的莫耳濃度比即為1：2。再者，本實施例的氯化膽鹼所使用的比例範圍可以是460克/公升至660克/公升，尿素所使用的比例範圍可以是380克/公升至580克/公升，較佳的離子液體的比例為560克/公升的氯化膽鹼與480克/公升的尿素相互混合。
接著，添加氯化金屬至離子液體，並攪拌添加有氯化金屬的離子液體（步驟S220），其中氯化金屬添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.005M至0.5M之間。具體說明，本實施例的氯化金屬可以選自氯化鎳（NiCl
2）、氯化銅（CuCl
2）、氯化鈷（CoCl
2）、氯化鋅（ZnCl
2）、氯化金（AuCl
3）或氯化銀（AgCl）的任何一種氯化金屬，由於添加氯化金屬之目的是提供沉積在待電鍍工件的膜層的金屬離子來源，因此只要是選用的氯化金屬的金屬離子材質和電鍍設備所使用的靶材材質相同即可，並不以本發明揭露的氯化金屬種類為限。以氯化鎳做為說明例子，加入離子液體的六水氯化鎳（NiCl
2*6H
2O）的比例為120克/公升（g/L），換算成莫耳濃度為0.5M，並在室溫環境下利用磁石均勻攪拌加入有氯化鎳的離子液體。本實施例的氯化鎳添加比例範圍可以是90克/公升至150克/公升，較佳的氯化鎳添加比例範圍為120克/公升。
若是氯化金屬選用的材料為氯化鋅，添加至離子液體的比例為27克/公升（g/L），換算成莫耳濃度為0.2M；若是氯化金屬選用的材料為氯化銅，二水氯化銅（CuCl
2*2H
2O）添加至離子液體的比例為1克/公升（g/L），換算成莫耳濃度為0.006M；若是氯化金屬選用的材料為氯化金，添加至離子液體的比例為500毫克/300毫升，換算成莫耳濃度為0.005M。
接著，添加生物菌及無機酸劑至具有氯化金屬的離子液體，並攪拌添加有生物菌及無機酸劑的離子液體（步驟S230），其中生物菌添加至離子液體的重量百分比範圍在7wt%至11wt%之間，無機酸劑添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.7M至2M之間。本發明的無污染電鍍液所添加的無機酸劑之目的是穩定電鍍液的酸鹼值（或稱pH值，氫離子濃度指數），而本發明的電鍍液在添加生物菌及無機酸劑後會變成弱酸性，其酸鹼值控制在大約數值4左右。
本實施例的生物菌224是酵母菌、代田菌、光合菌、乳酸桿菌、桿菌及其組成物。另外，生物菌224也可以是發酵乳製品，例如優酪乳，本實施例的無機酸劑係選自硝酸(HNO3)、硼酸(H3BO3)、氫溴酸(HBr)或高氯酸(HClO4)等弱酸性的酸劑，但並不以此為限。舉例說明，本實施例的生物菌所使用的比例是20毫升/200毫升，換算成重量百分比約為9wt%，而硼酸所使用的比例是20克/200毫升，換算成莫耳濃度約為1.62M。再者，本實施例的生物菌所使用的比例範圍可以是15毫升/200毫升至25毫升/200毫升，硼酸所使用的比例範圍可以是15克/200毫升至25克/200毫升，較佳的比例為20毫升/200毫升的生物菌與20克/200毫升的硼酸添加量，並在室溫環境下利用磁石均勻攪拌加入有生物菌和無機酸劑的離子液體。
若是無機酸劑選用的材料為硝酸，添加的比例範圍為15克/200毫升至25克/200毫升，換算成莫耳濃度範圍為1.2M至1.98M；若是無機酸劑選用的材料為氫溴酸，添加的比例範圍為15克/200毫升至25克/200毫升，換算成莫耳濃度範圍為0.9M至1.54M；若是無機酸劑選用的材料為高氯酸，添加的比例範圍為15克/200毫升至25克/200毫升，換算成莫耳濃度範圍為0.7M至1.24M。
在本實施例中，當電鍍液140無法對待電鍍工件130進行作用時，可進一步再添加無機酸劑，以稀釋金屬離子的數量，而能重新的讓電鍍液140仍可以持續地與有效地對待電鍍工件130進行作用。因此，本發明的電鍍液140明顯解決習知技術的電鍍液僅能廢棄而無法使用的缺失。
請參考第3圖的步驟流程圖，是本發明第二實施例的無污染電鍍液的製備方法，除了上述第一實施例中所述的步驟S210、S220、S230等步驟之外，第二實施例在添加生物菌及無機酸劑至具有氯化金屬的離子液體（步驟S230）之後，還包括以下步驟：添加一糖精至具有生物菌及無機酸劑的離子液體，並攪拌添加有糖精的離子液體（步驟S240），其中糖精添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.05M至0.2M之間。本實施例的無污染電鍍液添加糖精的目的是為了在電鍍液中增加顆粒，藉以增加本實施例的電鍍液的內應力，在電鍍的過程中能對浸泡在電鍍液中的待電鍍工件釋放內應力，以對待電鍍工件表面所沉積的電鍍膜層產生拋光效果。
舉例說明，加入離子液體的糖精的比例為2克/200毫升，換算成莫耳濃度為0.05M，並在室溫環境下利用磁石均勻攪拌加入有糖精的離子液體。本實施例的糖精添加比例範圍可以是2克/200毫升至7克/200毫升（換算成莫耳濃度為0.2M），而較佳的糖精添加比例範圍為2克/200毫升。
請參考第2圖及第4圖，於本發明一實施例之製備方法中，在步驟S230的另外一實施態樣中，電鍍液140除了包含無機酸劑與生物菌之外，還可以另外添加丙三醇(C3H8O3)(或稱為甘油)至無機酸劑，丙三醇與無機酸劑形成複合脂類（步驟S2301）。其中，無機酸劑與丙三醇之體積比例範圍係介於4:1至3:1之間，但並不以此為限。值得注意的是，丙三醇可不參與電鍍的過程，丙三醇的目的可以稀釋金屬離子的數量。
請繼續參閱第4圖，本發明的電鍍液140還可以另外添加甲殼素((C8H13O5N)n)至無機酸劑（步驟S2302），以進一步改變待電鍍工件130的表面特性。整體而言，本發明在電鍍過程因無水的反應，故電鍍一段時間後，整體的液體溫度上升幅度不高，因而延緩了本發明電鍍液的劣化速度。
本發明可藉由調整生物菌之菌種的種類、電鍍的時間、電鍍的電流等參數而有不同的表面處理結果，可視實際的需求進行調整。
綜上所述，以本發明的製備方法產生的無污染電鍍液，其成份都是環保無毒，並且無機酸劑選用的是弱酸性酸劑，應用在實際量產的電鍍製程時，對工作環境及生態環境都不會造成嚴重的污染，並且本發明的無污染電鍍液同時保有良好的電鍍沉積效果。
另外，本發明的電鍍液可以藉由增加生物菌或是利用不同菌種種類與調整菌種數量來重置電鍍液的電氣特性，達到重複使用的目的，符合現今的綠色環保概念。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電鍍設備
110‧‧‧電鍍槽
120‧‧‧靶材
130‧‧‧待電鍍工件
140‧‧‧無污染電鍍液
150‧‧‧電源供應器
S210、S220、S230、S2301、S2302、S240‧‧‧步驟
第1圖為本發明一實施例之無污染電鍍液所適用的電鍍處理設備的示意圖。
第2圖為本發明第一實施例之無污染電鍍液的製備方法的步驟流程圖。
第3圖為本發明第二實施例之無污染電鍍液的製備方法的步驟流程圖。
第4圖為本發明一實施例之製備方法中在步驟S230的其他態樣的步驟流程圖。
Claims (14)
- 一種無污染電鍍液，適用於一電鍍製程，該無污染電鍍液包括：一氯化膽鹼；一含氮化合物，與該氯化膽鹼混合並加熱至80攝氏度，以形成一離子液體，其中該氯化膽鹼與該含氮化合物的莫耳濃度比為1：2，其中該含氮化合物係選自氨、尿素或是尿酸；一氯化金屬，添加至該離子液體中，該氯化金屬添加至該離子液體的莫耳濃度範圍在0.005M至0.5M之間；一生物菌，添加至該離子液體中，該生物菌添加至該離子液體的重量百分比範圍在7wt%至11wt%之間，其中該生物菌是一酵母菌、一代田菌、一光合菌、一乳酸桿菌、一桿菌及其組成物，或者一發酵乳製品；以及一無機酸劑，添加至該離子液體中，該無機酸劑添加至該離子液體的莫耳濃度範圍在0.7M至2M之間。
- 如請求項1所述之無污染電鍍液，其中還包括一糖精，添加至該離子液體中，該糖精添加至該離子液體的莫耳濃度範圍在0.05M至0.2M之間。
- 如請求項1所述之無污染電鍍液，其中該氯化金屬係選自氯化鎳、氯化銅、氯化鈷、氯化鋅、氯化金或氯化銀。
- 如請求項1所述之無污染電鍍液，其中該無機酸劑係選自硝酸(HNO3)、硼酸(H3BO3)、氫溴酸(HBr)或高氯酸(HClO4)。
- 如請求項1所述之無污染電鍍液，其中更包含一丙三醇(C3H8O3)，係添加至該無機酸劑，該丙三醇與該無機酸劑形成複合脂類。
- 如請求項5所述之無污染電鍍液，其中該無機酸劑與該丙三醇之體積比例範圍係介於4：1至3：1之間。
- 如請求項1所述之無污染電鍍液，其中更包含一甲殼素((C8H13O5N)n)，係添加至該無機酸劑。
- 一種無污染電鍍液的製備方法，該製備方法包括以下步驟：混合一氯化膽鹼和一含氮化合物，並加熱至80攝氏度形成一離子液體，其中該氯化膽鹼和該含氮化合物的莫耳濃度比為1：2，其中該含氮化合物係選自氨、尿素或是尿酸；添加一氯化金屬至該離子液體，並攪拌添加有該氯化金屬的該離子液體，其中該氯化金屬添加至該離子液體的莫耳濃度範圍在0.005M至0.5M之間；以及添加一生物菌及一無機酸劑至具有該氯化金屬的該離子液體，並攪拌添加有該生物菌及該無機酸劑的該離子液體，其中該生物菌添加至該離子液體的重量百分比範圍在7wt%至11wt%之間，該無機酸劑添加至該離子液體的莫耳濃度範圍在0.7M至2M之間，其中該生物菌是一酵母菌、一代田菌、一光合菌、一乳酸桿菌、一桿菌及其組成物，或者一發酵乳製品。
- 如請求項8所述之無污染電鍍液的製備方法，其中在添加該生物菌及該無機酸劑至具有該氯化金屬的該離子液體的步驟之後，還包括以下步驟：添加一糖精至具有該生物菌及該無機酸劑的該離子液體，並攪拌添加有該糖精的該離子液體，其中該糖精添加至該離子液體的莫耳濃度範圍在0.05M至0.2M之間。
- 如請求項8所述之無污染電鍍液的製備方法，其中該氯化金屬係選自氯化鎳、氯化銅、氯化鈷、氯化鋅、氯化金或氯化銀。
- 如請求項8所述之無污染電鍍液的製備方法，其中該無機酸劑係選自硝酸(HNO3)、硼酸(H3BO3)、氫溴酸(HBr)或高氯酸(HClO4)。
- 如請求項8所述之無污染電鍍液的製備方法，其中添加該生物菌及該無機酸劑至具有該氯化金屬的該離子液體的步驟中還包括以下步驟：添加一丙三醇(C3H8O3)至該無機酸劑，該丙三醇與該無機酸劑形成複合脂類。
- 如請求項12所述之無污染電鍍液的製備方法，其中該無機酸劑與該丙三醇之體積比例範圍係介於4：1至3：1之間。
- 如請求項8所述之無污染電鍍液的製備方法，其中添加該生物菌及該無機酸劑至具有該氯化金屬的該離子液體的步驟中還包括以下步驟：添加一甲殼素((C8H13O5N)n)至該無機酸劑。
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