Nghiên cứu phương pháp mạ hóa kim loại lên nền nhựa

viii MC LC Trang Quyt định giao đề tài i Lý lịch khoa học ii Li cam đoan iv Li cảm ơn v Tóm tắt vi Abstract vii Mục lục viii Danh sách các bảng xii Danh sách các hình xiii CHNG 1 TNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cu, các kt quả nghiên cu trong và ngoài nớc đư công bố. 1 1.2 Tính cấp thit ca đề tài 2 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ca đề tài 2 1.4 Mục tiêu nghiên cu ca đề tài 3 1.5 Đối tợng và phạm vi nghiên cu 3 1.6 Phơng pháp nghiên cu 3 CHNG 2 C S LÝ THUYT 4 2.1 Mạ hóa học: 4 2.1.1 Mạ hóa học nh phản ng trao đổi: 4 2.1.2 Mạ hóa học tip xúc: 4 2.1.3 Mạ hóa học nh phản ng khử hóa học: 4 2.1.4 Mạ hóa học nh chất xúc tác: 4 2.2 Cơ ch mạ hóa học đồng: 4 2.2.1 Các phản ng mạ hóa học đồng: 4 ix 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 ca 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 ca 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 Kt tinh điện hóa: 10 2.7.1 Khái niệm: 10 2.7.2 δý thuyt tạo mầm: 11 2.7.3 δý thuyt phát triển tinh thể: 11 2.8 Cấu trúc tinh thể: 11 2.8.1 Phơng pháp chụp ảnh kính hiển vi quang học: 11 2.8.2 Phơng pháp chụp ảnh kính hiển vi: 11 2.9 Định luật Faraday: 11 2.9.1 Định luật Faraday th nhất: 11 2.9.2 Định luật Faraday th hai: 12 2.10 δý thuyt độ bám dính kim loại – nhựa: 12 2.10.1 Bám dính cơ học: 14 2.10.2 Bám dính do lực liên kt hóa học và lực Van dec van: 15 2.10.3 Bám dính do lực tĩnh điện: 17 2.10.4 Bám dính do khuch tán: 18 x 2.10.5 Phơng pháp giọt lỏng xác định khả năng bám dính: 18 2.11 Các phơng 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 CHNG 3 M HOA KIM LOI LÊN NN NHA 32 3.1 Mục đích tin 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 trớc 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 Tin 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 cng 38 3.10 Tạo hình dáng ngôi sao năm cánh 41 xi 3.11 Mạ điện hóa niken tăng cng 41 3.12 Mạ điện hóa crôm trang trí 44 CHNG 4 KT QU KIM TRA MU 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 thuyt: 50 4.2.2 Đo độ dày mẫu bằng máy: 50 4.3 Đánh giá về tính trang trí: 52 CHNG 5 KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN 53 5.1 Kt luận: 53 5.2 Hớng phát triển: 53 PH LC 55 TÀI LIU THAM KHO 57 xii DANH SÁCH CÁC BNG BNG 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 phơng pháp thử định tính theo các tiêu chuẩn ca CHδB Đc (DIN) 27 Bảng 2.4 Ví dụ các phơng pháp thử định lợng theo các tiêu chuẩn ca CHLB Đc (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 đư sử dụng 36 Bảng 3.4 Thành phần dung dịch đư sử dụng 36 Bảng 3.5 Các vấn đề thng 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 cng 39 Bảng 3.8 Các khuyt tật trong quá trình mạ đồng trong dung dịch axít 40 Bảng 3.9 Thành phần dung dịch mạ điện hóa ζiken tăng cng 42 Bảng 3.10 Các khuyt 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 ca mẫu M2 và M3 50 xiii 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 ch bám dính trên bề mặt nhựa 13 Hình 2.3 Bám dình cơ học ca 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 tip xúc với bề mặt nhựa 18 Hình 2.6 Thấm ớt bề mặt giữa ba pha rắn – lỏng – hơi 19 Hình 2.7 Sơ đồ phơng pháp xác định chiều dày lớp mạ bằng culông k 23 Hình 2.8 εáy đo độ dày lớp mạ DIGITAL METER CM – 8823 26 Hình 2.9 Thit 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 lu dùng để mạ điện hóa 39 Hình 4.1 Phơng pháp gạch khía mẫu mạ kiểm tra độ bám 49 Hình 4.2 Mẫu ε2 và ε3 đư gạch khía để kiểm tra độ bám 49 Hình 4.3 5 điểm đợc đánh ngẫu nhiên mẫu ε2 và ε3 dùng để đo độ dày 51 Hình 4.4 εáy đo độ dày lớp mạ DIGITAL METER CM – 8823 51 Hình 4.5 Sau khi đánh bóng ε2 bị mòn lớp Crôm để lộ ra lớp đồng so với M3 52 1 CHNG 1 TNG QUAN 1.1 Tng quan chung v lĩnh vc nghiên cứu, các kt qu nghiên cứu trong và ngoƠi nc đƣ công bố. Kể từ khi kt thúc Chin tranh th giới th hai, sử dụng nhựa đư tăng đáng kể, do khai thác các lợi th chính ca nhựa, đó là: nhẹ, linh hoạt và dẻo dai, dễ ch tạo thành các chi tit phc tạp và chất lợng bề mặt tuyệt vi. Điều này đư dẫn đn một phạm vi các ng dụng rất rộng, có thể thay th các chi tit kim loại trong một số bộ phận chi tit máy. Tháng 8/1970 George C. Blytas đợc 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 ca th kỷ XX, kim loại đợc thay th bi nhựa trong ngành công nhiệp ô tô trên th giới: nh cản phía trớc xe, mâm bánh xe, logo, mạ trang trí lọ nớc hoa,… Hầu ht 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 2  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 Dơng. UPE-Watson là một công ty liên doanh giữa Watson E.P Inductries Pte. Ltd. (Singapore) và UNIPLAST – TÂN TIN ( Việt ζam). Công ty đợc thành lập theo giấy phép số 496/GP ngày 19/01/1993 ca chính ph Việt Nam và ngày 30/03/2009 đợc UBND thành phố Hồ Chí minh cấp giấy phép mơ ́ i số 411022000420. Chuyên sản xuất mặt hàng xi mạ nh Crôm, Niken m trên sản phẩm nhựa. 1.2 Tính cấp thit của đ tài  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 cu ít quan tâm đn mạ hoá học lên nền nhựa do còn nhiều nguyên nhân khác nhau. Tài liệu và những hiểu bit về mạ hoá học lên nền nhựa còn ít và hạn ch. Đặc biệt, hiện nay mạ hoa kim loại lên nhựa đợc sử dụng nhiều trong ngành ô tô, điện tử, viễn thông và logo thơng hiệu. Để có đợc những ng dụng rộng rãi là do nhựa dễ gia công ch tạo, nhẹ và rẻ hơn kim loại. Việc tạo một lớp màng kim loại ph lên toàn bộ bề mặt nhựa thì dễ hơn việc ph một phần kim loại lên bề mặt nhựa. Chính vì vậy để có thể m rộng khả năng ng dụng ca mạ kim loại lên nền nhựa cần phải nghiên cu thêm các phơng pháp mạ kim loại lên nền nhựa. Vì vậy đề tài này nghiên cu phơng pháp tạo lớp ph kim loại lên một phần bề mặt nhựa. 1.3 ụ nghĩa khoa học và thc tin của đ tài Đặc điểm quan trọng ca mạ kim loại lên nhựa là sự liên kt bám dính giữa kim loại và nhựa. Ngoài ra, cơ tính, khả năng chịu mài mòn và tính chất trang trí ca mạ nhựa đều chịu sự ảnh hng ca độ bám dính giữa hai vật liệu này. 3 1.4 Mc tiêu nghiên cứu của đ tài ↓ác định tính bám dính ca kim loại lên nhựa phân cực và nhựa không phân cực khi mạ hoa kim loại lên nền nhựa. ↓ác định phơng pháp mạ hoa kim loại lên nhựa Các yu tố ảnh hng đn tính chất và chiều dày lớp mạ và tính thẩm mỹ 1.5 Đối tng và phm vi nghiên cứu 1.5.1 Đối tng 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 Phm vi nghiên cứu Nghiên cu phơng 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 Phng pháp nghiên cứu Ngày nay, trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật nói chung, đặc biệt là kỹ thuật cơ khí nói riêng, hầu nh mọi quá trình đều nghiên cu bằng thực nghiệm vì cho kt quả nghiên cu nhanh, thực t và chính xác. Ví dụ nh quá trình mài mòn chi tit, quá trình cắt trong gia công chi tit máy, quá trình nhiệt cắt,… Trong đề tài này, nghiên cu thực nghiệm đợc sử dụng để khảo sát quá trình mạ hoa kim loại lên nền nhựa. Phơng pháp nghiên cu là phơng pháp thực nghiệm, quan sát và đo độ dày. Vì vậy, các vấn đề chính ca đề tài là:  ↓ây dựng các thông số dữ liệu bằng con đng thí nghiệm trên các mẫu vật mạ.  ζghiên cu tối u hóa các yu tố nhằm đạt đợc lớp mạ hoa kim loại lên nền nhựa cho độ bám dính cao, tính mỹ thuật và kinh t. 4 CHNG 2 C S LÝ THUYT 2.1 M hóa học: Phơng pháp tạo ra lớp mạ kim loại hay hợp kim lên các bề mặt các chi tit không dùng nguồn điện một chiều bên ngoài mà nh vào phản ng hóa học đợc gọi là phơng pháp mạ hóa học 2.1.1 M hóa học nh phn ứng trao đi: PP này kim loại nền có điện th tiêu chuẩn âm hơn kim loại mạ, nên khử đợc ion kim loại mạ có trong dung dịch. 2.1.2 M hóa học tip xúc: Lớp mạ thu đợc bằng phơng pháp mạ tip xúc phải có hai điều kiện: a. Kim loại mạ có điện th tiêu chuẩn dơng hơn kim loại nền. b. Phải có một kim loại khác có độ âm điện cao hơn kim loại nền tip xúcvới kim loại nền ngay trong dung dịch mạ. 2.1.3 M hóa học nh phn ứng khử hóa học: Phản ng khử tạo lớp mạ khi cho chất khử vào dung dịch và diễn ra trong toàn bộ thể tích dung dịch mạ, nhng chỉ một phần nhỏ lợng kim loại thoát ra trên bề mặt đối tợng mạ. Phơng pháp khử tạo lớp mạ ch yu dùng để mạ đồng (Cu), bạc (Ag), vàng (Au) lên các chi tit chát dẻo, thy tinh, s kỹ thuật và các phi kim khác. 2.1.4 M hóa học nh chất xúc tác: Lớp mạ hóa học xúc tác là trng hợp riêng ca phơng pháp khử. Thành phần dung dịch mạ, nồng độ muối kim loại mạ, chất khử và nồng độ ca dung dịch cũng nh các thành phần phụ gia khác đợc chọn sao cho dung dịch mới pha ch dù  nhiệt độ cao phản ng khử cũng không diễn ra. Phản ng khử tạo lớp mạ chỉ thực sự diễn ra khi dung dịch tip xúc với chất xúc tác có mặt trên bề mặt chi tit mạ. Trong trng hợp mạ đồng và niken lên chất dẻo hoặc các phi kim thì chất xúc tác là các kim loại quý nh 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 đợc sử dụng phổ bin nhất. 2.2 C ch m hóa học đng: 2.2.1 Các phn ứng m hóa học đng: Phản ng mạ hóa học đồng bao gồm các quá trình sau: Catốt HCHO + 3OH - Ō HCOO - + 2H 2 O +2e (2.1) Anốt Cu 2+ + 2e Ō Cu 0 ō (2.2) Cu 2+ + HCHO + 3OH - Ō Cu 0 ō + HCOO - + 2H 2 O (2.3) [...]... Liên k t kim loại Liên k t hóa trị th cấp:  Liên k t hyđro  Liên k t l ỡng cực – l ỡng cực  Lực phân tán Cần chú ý rằng dạng liên k t hóa học và liên k t kim loại không xuất hiện giữa kim loại và polyme Liên k t đồng hóa trị tuy không xuất hiện giữa kim loại – nhựa, nh ng lại rất quan trọng cho quá trình hoạt hóa mạ hóa học vì quá trình này liên quan đ n hấp phụ nhũ và chất hữu cơ phân tử thấp lên bề... 2.1 Có thể thấy giữa pha nhựa và pha kim loại tồn tại một lớp t ơng tác y u phía nhựa (cỡ nm đ n μm), lớp t ơng tác mạnh (vài nm) và trên bề mặt kim loại luôn tồn tại một lớp oxit – hyđroxit kim loại Hình 2.1 Cấu trúc lớp biên giới pha nhựa – kim loại Tóm lại, cơ ch quan trọng nhất để giải thích độ bám dính kim loại – nhựa là bám dính cơ học, bám dính liên k t (hóa học – vật lý), bám dính do lực tĩnh... luôn cho độ bám dính c a kim loại lên trên bề mặt nhựa tốt nhất Hình 2.3 Bám dình cơ học c a kim loại trên nhựa 14 2.10.2 Bám dính do l c liên k t hóa học và l c Van dec van: Thông th ng lực liên k t giữa các phần tử chất rắn không đồng chất cũng chính là một trong những tác nhân tạo ra sự gắn bám giữa các phân tử này Các dạng liên k t hóa học giữa kim loại và nhựa gồm: Liên k t hóa trị chính:  Liên... gồm các ion kim loại mạ, chất dẫn điện, chất ổn định pH, chất phụ gia,… nhằm đảm bảo thu đ ợc lớp mạ có chất l ợng và tính chất mong muốn 2.5 Ion kim lo i m : Trong dung dịch, ion kim loại mạ có thể tồn tại đơn giản hydrat hóa hay ion ph c Nồng độ c a ion kim loại mạ th ng cao nhằm tăng giá trị c a mật độ dòng giới hạn igh tạo điều kiện nâng cao mật độ dòng điện catod ic để thu đ ợc lớp mạ nhanh và... Hình 2.8 εáy đo độ dày lớp mạ DIGITAL METER CM – 8823 2.11.2 Đ bám: Một tính chất quan trọng c a lớp mạ trên nền nhựa là khả năng liên k t giữa lớp mạ và nền nhựa Các ph ơng pháp để đo độ bám lớp mạ có thể chia thành 3 nhóm:  Các ph ơng pháp định tính  Các ph ơng pháp định l ợng  Phép thử bám dính sốc nhiệt (bám dính theo chu kỳ nhiệt độ)  Ph ơng pháp gạch khía 26 a) Ph ng pháp định tính (b ng 2.3)... đối với mạ nhựa là thử độ bám trong điều kiện sốc nhiệt Phép đo này đ ợc thực hiện nh sau: εođun bi n dạng dẻo và hệ số dãn n nhiệt c a nhựa và kim loại khác nhau khá lớn Khi thay đổi nhiệt độ c a vật nhựa mạ, ng suất đ ơc truyền vào lớp kim loại và lớp bề mặt nhựa ti p giáp với kim loại C ng độ và h ớng ng suất đ ợc xác định b i giá trị nhiệt độ trong phép thử, bản chất và ch độ gia công nhựa, hình... vật mạ, cấu trúc và chiều dày lớp mạ, và một số các thông số khác Trong quá trình l u ch a vật nhựa trong môi tr ng lạnh, ng suất kéo trên lớp nhựa ti p giáp với kim loại và ng suất nén xuất hiện Tổng hợp các loại ng suất khi nhiệt độ thay đổi có khả năng gây ng suất phá h y lớp mạ, k t quả cuối cùng là lớp mạ mất độ bám trên nhựa và dễ dàng bong tróc khi có lực tác dụng lên bề mặt lớp mạ Phân loại. .. trong mạ hóa học lên bề mặt nhựa do quá trình này liên quan đ n hấp phụ các hạt xúc tác lên bề mặt nhựa Khi bề mặt kim loại ti p xúc với bề mặt nhựa, ngay lập t c quá trình di chuyển điện tử từ kim loại sang polyme dẫn đ n chênh lệch điện th biên giới pha t ơng tự nh quá trình hình thành lớp kép trên bề mặt điện cực trong dung dịch (Hình 2.5) Tuy nhiên điện tử muốn ti p tục dịch chuyển từ polyme sang kim. .. ơng pháp vật lý, nên ng i ta th ng sử dụng thông số độ bám liên k t Ńv để xác định độ bám dính: v  Fa Ag (3.2) Trong đó: Fa là lực tác động bên ngoài 12 Trong tr Ag là diện tích hình học c a bề mặt đư đ ợc xác định bằng cách đo lực bóc kim loại khỏi nhựa ng hợp kim loại đ ợc mạ trên bề mặt nhựa, cấu trúc c a lớp biên giới kim loại – bề mặt nhựa có thể mô tả nh trên hình 2.1 Có thể thấy giữa pha nhựa. .. là không có ph ơng pháp chung để đo tất cả các loại lớp mạ và các ph ơng pháp khác nhau th ng cho k t quả không giống nhau Khi đ a ra k t quả đo lớp mạ cần dẫn ra ph ơng pháp đo để tham khảo a Ph ng pháp culông k : Các ph ơng pháp khối l ợng và th ớc đo rất ít khi sử dụng Ph ơng pháp chụp ảnh mặt cắt ngang tinh thể học th ng chỉ sử dụng làm ph ơng pháp đối ch ng để đo chiều dày lớp mạ đồng và niken Thông . dụng ca mạ kim loại lên nền nhựa cần phải nghiên cu thêm các phơng pháp mạ kim loại lên nền nhựa. Vì vậy đề tài này nghiên cu phơng pháp tạo lớp ph kim loại lên một phần bề mặt nhựa. 1.3. 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 Phm vi nghiên cứu Nghiên cu phơng pháp mạ hoa kim loại lên nhựa epoxi và. Mc tiêu nghiên cứu của đ tài ↓ác định tính bám dính ca kim loại lên nhựa phân cực và nhựa không phân cực khi mạ hoa kim loại lên nền nhựa. ↓ác định phơng pháp mạ hoa kim loại lên nhựa