Luận văn Nghiên cứu phương pháp mạ hóa kim loại lên nền nhựa (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu phương pháp mạ hóa kim loại lên nền nhựa (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH TRUNG DŨNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MẠ HÓA KIM LOẠI LÊN NỀN NHỰA NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 4 0 5 2 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH TRUNG DŨNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MẠ HÓA KIM LOẠI LÊN NỀN NHỰA NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH TRUNG DŨNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MẠ HÓA KIM LOẠI LÊN NỀN NHỰA NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. HOÀNG TRỌNG BÁ Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 03 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Huỳnh Trung Dũng iv
5. LỜI CẢM ƠN Trước hết, Tôi xin trân trọng cảm ơn đến PGS.TS. Hoàng Trọng Bá, người đã quan tâm, trực tiếp hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm chuyên môn quý báu cho tôi hoàn thành luận văn thạc sỹ. Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh và đặc biệt cám ơn quý Thầy, Cô trong bộ môn Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi có thể thực hiện thí nghiệm và hoàn thành luận văn này. Nhân dịp này, tôi cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới quý Thầy Cô Trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận, khoa Cơ khí – Xây dựng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian nghiên cứu, học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Xin cảm ơn người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn. TP.Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 3 năm 2013 Học viên thực hiện Huỳnh Trung Dũng v
6. TÓM TẮT Mạ hoa kim loại lên nền nhựa khác với mạ kim loại lên toàn bề mặt nhựa ở chỗ phải qua công đoạn che lại những chỗ không cần mạ. Nhằm tạo ra những điểm nhấn cho sản phẩm hay trang trí làm nổi bậc hoa văn, logo thương hiệu, Mạ kim loại lên nhựa được thực hiện bằng nhiều phương pháp vật lý, cơ học hoặc hóa học. Trong thực tế phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất là mạ hóa học – điện hóa. Mạ hóa học trước nhằm tạo ra một lớp kim loại mỏng dẫn điện và bám lên bề mặt nhựa. Thông thường người ta sử dụng kim loại đồng hoặc niken cho công đoạn mạ hóa học. Tiếp theo mạ điện hóa tăng cường các lớp kim loại khác trên nền lớp mạ này. Nghiên cứu mạ hoa kim loại lên nhựa dựa vào lý thuyết về độ bám dính kim loại lên nhựa, cơ chế mạ hóa học đồng lên bề mặt nhựa, các phương pháp kiểm tra lớp mạ. Nội dung nghiên cứu cũng chỉ ra phương pháp tạo hoa văn, làm thực nghiệm mạ hình ngôi sao lên nhựa epoxi: mạ hai lớp kim loại Cu-Cr và ba lớp kim loại Cu-Ni-Cr. Kết quả kiểm tra lớp mạ của hai mẫu sản phẩm cho thấy sản phẩm mạ hai lớp dễ bị mòn lớp crôm để lộ lớp đồng hơn mạ ba lớp. Tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của mạ hoa kim loại lên nền nhựa rất lớn. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm phương pháp tạo hoa văn theo hướng công nghiệp để có thể sản xuất hàng loạt. vi
7. ABSTRACT Plating plastic background with metal is different from plating all plastic surfaces with metal. The difference is that the places not plated are covered. In order to create highlights of products or decorate for highlighting patterns, brand logo Plating plastics with metal is done by many physical, mechanical or chemical methods. In fact, the method most widely used is chemical – electrochemical one. Chemical plating is firstly done to create a thin layer of conductive metal that sticks to plastic surface. Normally, copper or nickel is used for process of chemical plating. Next, electrochemical plating is done to enhance other metal layers on this plating layer. Research on plating metal flowers on plastics based on the theory of metal adhesion to plastic, the mechanisms of copper plating chemically on plastic surface, the methods of coating inspection. Research content also indicates methods of creating patterns, experimentally plating star formation on the epoxy plastics: plating two metal layers Cu – Cr and three layers of Cu-Cr-Ni. The result of testing coating of two samples is that the two payer product is easier to reveal chrome – plated copper layer than three layer one. The effectiveness and applicability of the metal-plated plastic are very large. However, more research is needed to approach towards creating industrial motifs for mass production. vii
8. MỤC LỤC Trang Quyết định giao đề tài i Lý lịch khoa học ii Lời cam đoan iv Lời cảm ơn v Tóm tắt vi Abstract vii Mục lục viii Danh sách các bảng xii Danh sách các hình xiii CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. 1 1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 1.6 Phương pháp nghiên cứu 3 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 Mạ hóa học: 4 2.1.1 Mạ hóa học nhờ phản ứng trao đổi: 4 2.1.2 Mạ hóa học tiếp xúc: 4 2.1.3 Mạ hóa học nhờ phản ứng khử hóa học: 4 2.1.4 Mạ hóa học nhờ chất xúc tác: 4 2.2 Cơ chế mạ hóa học đồng: 4 2.2.1 Các phản ứng mạ hóa học đồng: 4 viii
9. 2.2.2 Quá trình hình thành lớp mạ 5 2.2.3 Hoạt hóa bề mặt 5 2.3 Hệ thống mạ điện hóa: 6 2.4 Thành phần của dung dịch mạ điện: 7 2.5 Ion kim loại mạ: 7 2.5.1 Chất dẫn điện: 7 2.5.2 Chất ổn định pH: 7 2.5.3 Các chất phụ gia hữu cơ: 8 2.6 Điện cực – các quá trình điện cực: 8 2.6.1 Quá trình anod: 9 2.6.2 Sự hòa tan của kim loại: 9 2.6.3 Sự thu động anod: 9 2.6.4 Biện pháp chống thụ động anod: 9 2.6.5 Quá trình catod: 10 2.7 Kết tinh điện hóa: 10 2.7.1 Khái niệm: 10 2.7.2 Lý thuyết tạo mầm: 11 2.7.3 Lý thuyết phát triển tinh thể: 11 2.8 Cấu trúc tinh thể: 11 2.8.1 Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi quang học: 11 2.8.2 Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi: 11 2.9 Định luật Faraday: 11 2.9.1 Định luật Faraday thứ nhất: 11 2.9.2 Định luật Faraday thứ hai: 12 2.10 Lý thuyết độ bám dính kim loại – nhựa: 12 2.10.1 Bám dính cơ học: 14 2.10.2 Bám dính do lực liên kết hóa học và lực Van dec van: 15 2.10.3 Bám dính do lực tĩnh điện: 17 2.10.4 Bám dính do khuếch tán: 18 ix
10. 2.10.5 Phương pháp giọt lỏng xác định khả năng bám dính: 18 2.11 Các phương pháp kiểm tra lớp mạ: 22 2.11.1 Chiều dày lớp mạ: 22 2.11.2 Độ bám: 26 2.11.3 Độ bền ăn mòn: 30 2.11.4 Độ lỗ: 31 CHƢƠNG 3 MẠ HOA KIM LOẠI LÊN NỀN NHỰA 32 3.1 Mục đích tiến hành thực nghiệm 32 3.2 Quy trình mạ kim loại lên nhựa 32 3.2.1 Rửa sơ bộ: 33 3.2.2 Xử lý dung môi: 33 3.2.3 Xử lý bề mặt trước khi mạ: 33 3.2.4 Trung hòa: 34 3.2.5 Tiền hoạt hóa: 34 3.2.6 Hoạt hóa: 34 3.2.7 Tăng tốc: 34 3.2.8 Mạ hóa học: 34 3.2.9 Mạ điện hóa: 34 3.2.10 Bốc bay trang trí 35 3.3 Chuẩn bị mẫu 35 3.4 Tiến hành xử lý bề mặt 35 3.4.1 Xử lý trong dung môi 35 3.4.2 Xâm thực 36 3.5 Trung hòa 36 3.6 Tiền hoạt hóa (Nhạy hóa) 36 3.7 Hoạt hóa 36 3.8 Mạ hóa học đồng (Cu) 37 3.9 Mạ điện hóa đồng tăng cường 38 3.10 Tạo hình dáng ngôi sao năm cánh 41 x
11. 3.11 Mạ điện hóa niken tăng cường 41 3.12 Mạ điện hóa crôm trang trí 44 CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ KIỂM TRA MẪU 49 4.1 Kiểm tra độ bám dính 49 4.2 Kiểm tra đo độ dày lớp mạ: 50 4.2.1 Tính toán độ dày trên lý thuyết: 50 4.2.2 Đo độ dày mẫu bằng máy: 50 4.3 Đánh giá về tính trang trí: 52 CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 53 5.1 Kết luận: 53 5.2 Hướng phát triển: 53 PHỤ LỤC 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 xi
12. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1 Thành phần và điều kiện vận hành một số dung dịch nhạy hóa và hoạt hóa 6 Bảng 2.2 Thành phần và điều kiện vận hành dung dịch hoạt hóa một giai đoạn 6 Bảng 2.3 Ví dụ các phương pháp thử định tính theo các tiêu chuẩn của CHLB Đức (DIN) 27 Bảng 2.4 Ví dụ các phương pháp thử định lượng theo các tiêu chuẩn của CHLB Đức (DIN) 28 Bảng 2.5 Phân loại lớp mạ theo khả năng chịu sốc nhiệt 29 Bảng 3.1 Quy trình mạ hóa học – điện hóa 32 Bảng 3.2 Thành phần hóa chất dung dịch xâm thực 36 Bảng 3.3 Thành phần dung dịch đã sử dụng 36 Bảng 3.4 Thành phần dung dịch đã sử dụng 36 Bảng 3.5 Các vấn đề thường gặp khi hoạt hóa 37 Bảng 3.6 Thành phần hóa chất trong dung dịch mạ hóa học đồng 37 Bảng 3.7 Thành phần dung dịch mạ điện hóa đồng tăng cường 39 Bảng 3.8 Các khuyết tật trong quá trình mạ đồng trong dung dịch axít 40 Bảng 3.9 Thành phần dung dịch mạ điện hóa Niken tăng cường 42 Bảng 3.10 Các khuyết tật trong mạ điện hóa niken nguyện nhận và cách khắc phục 42 Bảng 3.11 Thành phần dung dịch mạ điện hóa Crôm 44 Bảng 3.12 Những sự cố, nguyên nhân và cách khắc phục trong quá trình mạ crôm trang trí 45 Bảng 4.1 Độ dày của mẫu M2 và M3 50 xii
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Các sản phẩm ôtô mạ kim loại lên nhựa ABS 1 Hình 2.1 Cấu trúc lớp biên giới pha nhựa – kim loại 13 Hình 2.2 Sơ đồ mô tả các cơ chế bám dính trên bề mặt nhựa 13 Hình 2.3 Bám dình cơ học của kim loại trên nhựa 14 Hình 2.4 Quá trình hình thành lớp oxit/hyđroxit trên bề mặt kim loại 16 Hình 2.5 Sơ đồ quá trình chuyển điện tích khi kim loại tiếp xúc với bề mặt nhựa 18 Hình 2.6 Thấm ướt bề mặt giữa ba pha rắn – lỏng – hơi 19 Hình 2.7 Sơ đồ phương pháp xác định chiều dày lớp mạ bằng culông kế 23 Hình 2.8 Máy đo độ dày lớp mạ DIGITAL METER CM – 8823 26 Hình 2.9 Thiết bị đo độ bám dính theo tiêu chuẩn DIN 53152 27 Hình 2.10 Quy cách đo độ bám dính lớp mạ theo tiêu chuẩn DIN 53494 28 Hình3.3 Máy chỉnh lưu dùng để mạ điện hóa 39 Hình 4.1 Phương pháp gạch khía mẫu mạ kiểm tra độ bám 49 Hình 4.2 Mẫu M2 và M3 đã gạch khía để kiểm tra độ bám 49 Hình 4.3 5 điểm được đánh ngẫu nhiên mẫu M2 và M3 dùng để đo độ dày 51 Hình 4.4 Máy đo độ dày lớp mạ DIGITAL METER CM – 8823 51 Hình 4.5 Sau khi đánh bóng M2 bị mòn lớp Crôm để lộ ra lớp đồng so với M3 52 xiii
14. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố. Kể từ khi kết thúc Chiến tranh thế giới thứ hai, sử dụng nhựa đã tăng đáng kể, do khai thác các lợi thế chính của nhựa, đó là: nhẹ, linh hoạt và dẻo dai, dễ chế tạo thành các chi tiết phức tạp và chất lượng bề mặt tuyệt vời. Điều này đã dẫn đến một phạm vi các ứng dụng rất rộng, có thể thay thế các chi tiết kim loại trong một số bộ phận chi tiết máy. Tháng 8/1970 George C. Blytas được cấp patent tại Mỹ cho đề tài “mạ kim loại lên nhựa” bằng cách mạ lên nhựa một lớp đồng hay nickel dày 5 micro mét. Vào những năm 90 của thế kỷ XX, kim loại được thay thế bởi nhựa trong ngành công nhiệp ô tô trên thế giới: như cản phía trước xe, mâm bánh xe, logo, mạ trang trí lọ nước hoa, Hầu hết các sản phẩm này nền là nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)(Hình 1.1). Hình 1.1: Các sản phẩm ôtô mạ kim loại lên nhựa ABS 1
15. Ở Việt Nam, tháng 3/2011 Công ty Nhất Quang xây dựng một dây chuyền sản xuất chóa đèn bằng nhựa mạ kim loại tại Bình Dương. UPE-Watson là một công ty liên doanh giữa Watson E.P Inductries Pte. Ltd. (Singapore) và UNIPLAST – TÂN TIẾN ( Việt Nam). Công ty được thành lập theo giấy phép số 496/GP ngày 19/01/1993 của chính phủ Việt Nam và ngày 30/03/2009 được UBND thành phố Hồ Chí minh cấp giấy phép mới số 411022000420. Chuyên sản xuất mặt hàng xi mạ như Crôm, Niken mờ trên sản phẩm nhựa. 1.2 Tính cấp thiết của đề tài Ở Việt Nam, mạ hoá học lên nền nhựa còn mới mẻ, đặc biệt là mạ hoa kim loại lên nền nhựa. Các trung tâm - viện nghiên cứu ít quan tâm đến mạ hoá học lên nền nhựa do còn nhiều nguyên nhân khác nhau. Tài liệu và những hiểu biết về mạ hoá học lên nền nhựa còn ít và hạn chế. Đặc biệt, hiện nay mạ hoa kim loại lên nhựa được sử dụng nhiều trong ngành ô tô, điện tử, viễn thông và logo thương hiệu. Để có được những ứng dụng rộng rãi là do nhựa dễ gia công chế tạo, nhẹ và rẻ hơn kim loại. Việc tạo một lớp màng kim loại phủ lên toàn bộ bề mặt nhựa thì dễ hơn việc phủ một phần kim loại lên bề mặt nhựa. Chính vì vậy để có thể mở rộng khả năng ứng dụng của mạ kim loại lên nền nhựa cần phải nghiên cứu thêm các phương pháp mạ kim loại lên nền nhựa. Vì vậy đề tài này nghiên cứu phương pháp tạo lớp phủ kim loại lên một phần bề mặt nhựa. 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đặc điểm quan trọng của mạ kim loại lên nhựa là sự liên kết bám dính giữa kim loại và nhựa. Ngoài ra, cơ tính, khả năng chịu mài mòn và tính chất trang trí của mạ nhựa đều chịu sự ảnh hưởng của độ bám dính giữa hai vật liệu này. 2
16. 1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Xác định tính bám dính của kim loại lên nhựa phân cực và nhựa không phân cực khi mạ hoa kim loại lên nền nhựa. Xác định phương pháp mạ hoa kim loại lên nhựa Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất và chiều dày lớp mạ và tính thẩm mỹ 1.5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.5.1 Đối tƣợng nghiên cứu Mạ hoa kim loại lên epoxi, vì bản thân epoxi là nhựa có tính phân cực và là chất dẻo nhiệt rắn. Mạ hai lớp kim loại lên nền nhựa là đồng – crôm và mạ ba lớp kim loại lên nền nhựa là đồng – niken – crôm. 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp mạ hoa kim loại lên nhựa epoxi và so sánh các tính chất độ bám dính, tính ăn mòn và tính chất thẩm mỹ trong trang trí. 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu Ngày nay, trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật nói chung, đặc biệt là kỹ thuật cơ khí nói riêng, hầu như mọi quá trình đều nghiên cứu bằng thực nghiệm vì cho kết quả nghiên cứu nhanh, thực tế và chính xác. Ví dụ như quá trình mài mòn chi tiết, quá trình cắt trong gia công chi tiết máy, quá trình nhiệt cắt, Trong đề tài này, nghiên cứu thực nghiệm được sử dụng để khảo sát quá trình mạ hoa kim loại lên nền nhựa. Phương pháp nghiên cứu là phương pháp thực nghiệm, quan sát và đo độ dày. Vì vậy, các vấn đề chính của đề tài là: Xây dựng các thông số dữ liệu bằng con đường thí nghiệm trên các mẫu vật mạ. Nghiên cứu tối ưu hóa các yếu tố nhằm đạt được lớp mạ hoa kim loại lên nền nhựa cho độ bám dính cao, tính mỹ thuật và kinh tế. 3
17. CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mạ hóa học: Phương pháp tạo ra lớp mạ kim loại hay hợp kim lên các bề mặt các chi tiết không dùng nguồn điện một chiều bên ngoài mà nhờ vào phản ứng hóa học được gọi là phương pháp mạ hóa học 2.1.1 Mạ hóa học nhờ phản ứng trao đổi: PP này kim loại nền có điện thế tiêu chuẩn âm hơn kim loại mạ, nên khử được ion kim loại mạ có trong dung dịch. 2.1.2 Mạ hóa học tiếp xúc: Lớp mạ thu được bằng phương pháp mạ tiếp xúc phải có hai điều kiện: a. Kim loại mạ có điện thế tiêu chuẩn dương hơn kim loại nền. b. Phải có một kim loại khác có độ âm điện cao hơn kim loại nền tiếp xúcvới kim loại nền ngay trong dung dịch mạ. 2.1.3 Mạ hóa học nhờ phản ứng khử hóa học: Phản ứng khử tạo lớp mạ khi cho chất khử vào dung dịch và diễn ra trong toàn bộ thể tích dung dịch mạ, nhưng chỉ một phần nhỏ lượng kim loại thoát ra trên bề mặt đối tượng mạ. Phương pháp khử tạo lớp mạ chủ yếu dùng để mạ đồng (Cu), bạc (Ag), vàng (Au) lên các chi tiết chát dẻo, thủy tinh, sứ kỹ thuật và các phi kim khác. 2.1.4 Mạ hóa học nhờ chất xúc tác: Lớp mạ hóa học xúc tác là trường hợp riêng của phương pháp khử. Thành phần dung dịch mạ, nồng độ muối kim loại mạ, chất khử và nồng độ của dung dịch cũng như các thành phần phụ gia khác được chọn sao cho dung dịch mới pha chế dù ở nhiệt độ cao phản ứng khử cũng không diễn ra. Phản ứng khử tạo lớp mạ chỉ thực sự diễn ra khi dung dịch tiếp xúc với chất xúc tác có mặt trên bề mặt chi tiết mạ. Trong trường hợp mạ đồng và niken lên chất dẻo hoặc các phi kim thì chất xúc tác là các kim loại quý như vàng (Au), bạc (Ag), platin (Pt), paladi (Pd), trong đó paladi có hoạt tính xúc tác cao nhất và rẻ tiền hơn vàng và platin nên được sử dụng phổ biến nhất. 2.2 Cơ chế mạ hóa học đồng: 2.2.1 Các phản ứng mạ hóa học đồng: Phản ứng mạ hóa học đồng bao gồm các quá trình sau: - - Catốt HCHO + 3OH → HCOO + 2H2O +2e (2.1) Anốt Cu2+ + 2e → Cu0↓ (2.2) 2+ - 0 - Cu + HCHO + 3OH → Cu ↓ + HCOO + 2H2O (2.3) 4
18. 0 Hoặc CuSO4 + HCHO + 3NaOH → Cu + HCOONa + Na2SO4 + 2H2O (phương trình phân tử) 2.2.2 Quá trình hình thành lớp mạ Giai đoạn 1: Hoạt hóa bề mặt. Quá trình này các tâm xúc tác được tạo ra Sn2+ + Pd2+ → Sn4+ + Pd0 (2.4) Giai đoạn 2: Phản ứng anốt xảy ra trên bề mặt xúc tác Pd0 - - HCHO + OH → H2 + HCOO (2.5) Giai đoạn 3: Phản ứng catốt xảy ra trên bề mặt xúc tác Pd0 2+ 0 2- Cu + H2 + 2NaOH → Cu + SO4 + 2H2O (2.6) Giai đoạn 4: Phản ứng anốt xảy ra trên bề mặt xúc tác Cu0 - - HCHO + OH → H2 + HCOO (2.7) Ta thấy rằng phản ứng (2.5) hoàn toàn giống với phản ứng (2.7). Điều này đồng nghĩa với việc chỉ có thời điểm đầu là Pd0 có vai trò xúc tác, trong các giai đoạn sau, Cu0 vừa tạo ra sẽ thay thế Pd0 trong vai trò xúc tác và các phản ứng (2.6) và (2.7) sẽ liên tục xảy ra. Kết quả là các tinh thể Cu liên tục được kết tủa trên bề mặt Cu vừa tạo ra và hình thành nên lớp mạ đồng. Vậy quá trình mạ đồng hóa học có đặc điểm lớp mạ tạo ra trên bề mặt xúc tác chính là kim loại vừa tạo ra, do đó phản ứng này còn được gọi là phản ứng tự xúc tác. 2.2.3 Hoạt hóa bề mặt Mục đích của hoạt hóa bề mặt là tạo ra lớp hoạt hóa Pd theo phản ứng (2.1). Yêu cầu quan trọng nhất của lớp hoạt hóa này là phải bám chắc trên bề mặt nhựa và không bị các lớp oxit – hyđroxit thiếc bao phủ để có thể tiếp xúc được với dung dịch mạ. Có hai quy trình hoạt hóa lớp Pd trên bề mặt: quy trình hai giai đoạn và quy trình một giai đoạn. 2.2.3.1 Quy trình hai giai đoạn: Gồm giai đoạn nhạy hóa và hoạt hóa. Quá trình nhạy hóa bề mặt được tiếp xúc với dung dịch SnCl2. Nhờ tính chất ưa nước và độ nhám của bề mặt nhựa, sẽ tạo ra một lớp dung dịch SnCl2. Lớp dung dịch này tiếp xúc với nước sẽ dễ dàng thủy phân tạo ra lớp nhầy clorua hyđrôxit thiếc (Sn(OH)Cl) bám chắc trên bề mặt nhựa theo phản ứng: SnCl2 + H2O → Sn(OH)Cl + HCl (nhạy hóa) (2.8) Sau khi nhạy hóa, lớp nhầy này được nhúng trong dung dịch chứa PdCl2. Lúc này sẽ xảy ra phản ứng tạo ra hạt trung tâm xúc tác Pd0 cho mạ hóa học: Sn2+ + Pd2+ → Sn4+ + Pd0 (hoạt hóa) (2.9) Hạt Pd0 lúc này ở dạng nhỏ mịn, nằm chủ yếu ở phía trên lớp keo Sn(OH)Cl 0 do chỉ có phần trên mới tiếp xúc tốt với dung dịch PdCl2. Chính vì vậy Pd tạo ra dễ 5
19. dàng tiếp xúc với dung dịch mạ hóa học tạo điều kiện cho phản ứng hóa học xảy ra. Dung dịch nhạy hóa và hoạt hóa thường sử dụng ở bảng 2.1. Bảng 2.1 Thành phần và điều kiện vận hành một số dung dịch nhạy hóa và hoạt hóa Dung dịch nhạy hóa Dung dịch hoạt hóa 1 2 1 2 SnCl2 20-80g/l 40g/l PdCl2 0,5-0,8g/l 0,4g/l HCl (d=1,18) 80 ml/l 40ml/l HCl (d=1,18) 5-10ml/l 2ml/l Nhiệt độ Phòng Phòng Nhiệt độ Phòng Phòng Thời gian 2-10 ph 5-10 ph Thời gian 3-10 ph 3-5 ph 2.2.3.2 Quy trình một giai đoạn: Trong quy trình này chỉ cần nhúng bề mặt nhựa trong một dung dịch hoạt hóa dạng nhũ chứa cả Sn và Pd. Khi đó phản ứng (2.4) đã diễn ra sẵn trong dung dịch này vì vậy các nhũ Sn – Pd đã được tạo ra trong dung dịch. Khi tiến hành hoạt hóa trong dung dịch nàycần chú ý hạn chế hiện tượng co cụm các nhũ. Nhược điểm quan trọng nhất trong dung dịch một giai đoạn là đa phần Pd0 bị hyđroxit thiếc che phủ dẫn đến việc nhũ không hoạt động nếu chưa rửa được lớp hyđroxit này. Nhược điểm thứ hai cần lưu ý là bản thân các nhũ khó bám chắc được trên bề mặt nhựa nếu không được gắn với các chất hữu cơ tăng cường khả năng hấp thụ lên bề mặt nhựa. Bảng 2.2 là thành phần dung dịch hoạt hóa một giai đoạn của Brenner. Bảng 2.2 Thành phần và điều kiện vận hành dung dịch hoạt hóa một giai đoạn PdCl2 5g/l SnCl2 30-50g/l HCl (d=1,18) 100ml/l Axít maleic 4-12g/l Nhiệt độ Phòng Thời gian 5 phút 2.3 Hệ thống mạ điện hóa: Hệ thống điện phân bao gồm các bộ phận chính là dung dịch điện ly, điện cực và nguồn điện một chiều. 6
20. Dung dịch điện ly: Vật dẫn điện bằng ion. Điện cực: Vật dẫn điện bằng điện tử. Hệ trong đó phản ứng hóa học diễn ra khi cung cấp điện năng được gọi là bình điện phân. Điện cực giải phóng điện tử là điện cực dương (điện cực anod), tại anod xảy ra phản ứng oxi hóa. Điện cực nhận điện tử được gọi là điện cực âm (điện cực catod), tại catod xảy ra phản ứng khử. 2.4 Thành phần của dung dịch mạ điện: Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định năng lực mạ, chiều dầy tối đa, chất lượng của lớp mạ, Dung dịch mạ thường là một hỗn hợp khá phức tạp bao gồm các ion kim loại mạ, chất dẫn điện, chất ổn định pH, chất phụ gia, nhằm đảm bảo thu được lớp mạ có chất lượng và tính chất mong muốn. 2.5 Ion kim loại mạ: Trong dung dịch, ion kim loại mạ có thể tồn tại đơn giản hydrat hóa hay ion phức. Nồng độ của ion kim loại mạ thường cao nhằm tăng giá trị của mật độ dòng giới hạn igh tạo điều kiện nâng cao mật độ dòng điện catod ic để thu được lớp mạ nhanh và tốt hơn. Dung dịch ion đơn giản thường được sử dụng để mạ với tốc độ cao cho các vật có hình thù đơn giản. Dung dịch ion phức thường được sử dụng trong trường hợp cần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dạng phức tạp. 2.5.1 Chất dẫn điện: Để tăng độ dẫn điện cho dung dịch điện ly, người ta thường phải cho thêm các chất dẫn điện. Các chất này không tham gia vào quá trình anod và catod mà chỉ đóng vai trò dẫn điện, làm giảm điện trở của dung dịch. Các chất thường được sử dụng vào mục tiêu này là acid sulfuric hay các muối sunfat của các kim loại kiềm, kiềm thổ, 2.5.2 Chất ổn định pH: Nhiều dung dịch mạ chỉ làm việc được một khoảng pH nhất định, cho nên cần phải sử dụng chất đệm thích hợp pH để giữ pH ổn định. Các chất đệm thường là các acid yếu như: Acid boric, acid acetic, hoặc các muối của các acid đó. 7
21. Dung dịch được đệm tốt sẽ tránh được các hiện tượng như bị đục do kim loại thủy phân khi pH tăng lên quá cao hoặc thoát nhiều khí H2 ở catod khi pH xuống quá thấp. Các hydroxid hoặc khí H2 sinh ra bị lẫn vào lớp mạ làm cho lớp mạ có chất lượng kém. 2.5.3 Các chất phụ gia hữu cơ: Nhiều loại chất phụ gia hữu cơ được cho vào bể mạ với nồng độ tương đối thấp nhằm làm thay đổi cấu trúc, hình thái và tính chất của kết tủa catod. Loại chất và hàm lượng của chất phụ gia được lựa chọn chủ yếu dựa vào thực nghiệm. Chính các chất hữu cơ này hay sản phẩm phản ứng điện cực của chúng đã có tác dụng nói trên. Các chất hữu cơ được sử dụng làm phụ gia thường có khả năng hấp thụ lên bề mặt catod và có khi chất hữu cơ được giữ lại bên trong kết tủa, đặc biệt là khi mạ các kim loại có năng lượng bề mặt lớn. Trong nhiều trường hợp, người ta còn sử dụng đồng thời nhiều chất phụ gia để phối hợp các tác dụng của chúng. Các phụ gia được phân thành nhiều loại: Chất làm bóng. Chất làm phẳng. Chất biến đổi cấu trúc. Chất thấm ướt 2.6 Điện cực – các quá trình điện cực: Khi cho hai pha tiếp xúc với nhau thì giữa chúng hình thành bề mặt phân chia pha và có sự phân bố lại điện tích giữa các pha. Trên bề mặt phân chia pha sẽ hình thành lớp điện tích kép và xuất hiện bước nhảy thế giữa các pha. Dòng điện đi qua bề mặt phân chia pha, dòng điện này sẽ thể hiện tốc độ phản ứng điện cực. Trong quá trình điện phân, người ta thường sử dụng đại lượng mật độ dòng i (i = I/S, A/đơn vị diện tích) vì nó cho biết nhiều thông tin hơn cường độ dòng điện I. Quá trình điện phân tuân theo định luật Faraday: “ lượng kim loại kết tủa trên catod hoặc hòa tan trên anod tỷ lệ thuận với điện lượng chạy qua dung dịch ”. 8