【摘 要】
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丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料表面金属化发挥了两种材料的特有优势,在保持低密度的同时赋予表面导电、耐磨和电磁屏蔽等特性。但是,由于ABS塑料的固有理化性质,其与金属间界面通常结合不紧密,需要通过前处理粗化提高镀层结合力。当前工业生产中常用的粗化工艺为铬酸刻蚀,主要成分六价铬对环境危害大,具有致癌风险。另外,ABS表面传统金属铜镀层也越来越难以满足材料在复杂条件下的防水和耐腐蚀等性能要求。因此
【基金项目】
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广东省自然科学基金面上项目(No. 2022A1515011751);
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丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料表面金属化发挥了两种材料的特有优势,在保持低密度的同时赋予表面导电、耐磨和电磁屏蔽等特性。但是,由于ABS塑料的固有理化性质,其与金属间界面通常结合不紧密,需要通过前处理粗化提高镀层结合力。当前工业生产中常用的粗化工艺为铬酸刻蚀,主要成分六价铬对环境危害大,具有致癌风险。另外,ABS表面传统金属铜镀层也越来越难以满足材料在复杂条件下的防水和耐腐蚀等性能要求。因此,本论文从优化ABS前处理工艺和制备超疏水铜-碳纳米管(Cu-CNTs)复合镀层的角度出发,开发了高锰酸钾(KMn O4)刻蚀和3-巯丙基三乙氧基硅烷(KH580)自组装相结合的改性方法,在ABS表面引入巯基,提高表面Ag镀层的结合力。同时,利用复合电镀法制备Cu-CNTs复合镀层,研究镀层表面微观形貌、化学成分、润湿性和导电性,在ABS表面制备出具有良好界面结合、防水和耐腐蚀的超疏水复合镀层。主要研究成果如下:(1)为了优化传统ABS前处理工艺,结合KMn O4刻蚀和KH580自组装改性,有效提高ABS表面Ag镀层结合强度至6.71 N/cm。KMn O4刻蚀使ABS试样表面-OH官能团增多,表现出良好亲水性,刻蚀60 min后表面蒸馏水接触角从80.5°降为12.5°。XPS结果表明ABS表面自组装改性时,KH580水解产物巯基硅醇一端的硅醇基团与ABS表面-OH发生脱水缩合而连接基体;化学喷镀银层时,KH580另一端的巯基与金属银相连形成S-Ag化学键合。KH580在中间充当“桥梁”连接了基体与镀层,提高了膜基结合力。(2)采用复合电镀法在ABS表面制备具有层片状微观粗糙结构的Cu-CNTs复合镀层。刚制备的Cu-CNTs复合镀层表面为超亲水状态,置于空气中会自发吸附碳氢有机污染物,降低表面自由能,从而逐渐变为超疏水表面。镀层具备良好的导电性、自清洁、稳定性和自恢复能力,在受到水滴持续冲击35000次后失去超疏水性能,重新置于空气中接触角逐渐恢复。镀层表面的层片状铜颗粒随着电镀时间增加逐渐长大,电流密度的升高则使得层片状铜颗粒更加趋于聚集生长。Cu-CNTs复合镀层在5 min和1 A/dm~2电镀条件下获得最佳超疏水性能,其接触角达158.4°,同时滚动角仅为5.3°。(3)为了改善复合镀层中两相的界面相容性,通过化学镀铜对CNTs进行表面改性,CNTs依次经双功能化、敏化、活化和化学镀处理,表面修饰约10 nm的纳米铜粒子,获得纳米铜修饰CNTs(Cu NPs@CNTs)。改性后制备的Cu-Cu NPs@CNTs镀层整体更为平整,颗粒之间结合也更加紧密,并在硬脂酸改性后获得超疏水表面。Cu-Cu NPs@CNTs复合镀层在5 min和1.5 A/dm~2的电镀条件下超疏水性能最佳,其接触角高达159.6°,同时滚动角仅为3.4°。Cu-Cu NPs@CNTs复合镀层的导电性相比Cu-CNTs复合镀层有了显著提高,表面方阻相比改性前下降了2/3。超疏水复合镀层制备的电路具有防水特性,在饱和Na Cl溶液中也不会因短路而失效。同时表现出良好的自清洁性、耐酸碱稳定性和耐腐蚀性。超疏水复合镀层电化学腐蚀电位为-0.26 V,相比于纯铜镀层正移0.3 V,腐蚀电流密度为0.209μA/cm~2,约为纯铜镀层的1/2,在防水、耐腐蚀电子材料领域具有广阔的应用前景。
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