1.2. LỚP MẠ NICKEL HÓA HỌC
1.2.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ mạ nickel hóa học
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ mạ hóa học như thành phần dung dịch (phụ gia, chất đệm, chất tạo phức, chất ổn định, ion kim loại mạ, chất khử…) và chế độ vận hành dung dịch (nhiệt độ, khuấy, lọc, pH, theo dõi và điều chỉnh dung dịch…).
-Nhiệt độ
Tốc độ kết tủa tăng cùng nhiệt độ theo quy luật hàm mũ, do vậy mạ hóa học tốc độ cao nên làm việc ở nhiệt độ cao nhất có thể dưới nhiệt độ sôi của dung môi. Mặt khác, quá trình mạ hóa học diễn ra chậm khi dung dịch (pH = 4-5) hoạt động ở nhiệt độ dưới 70oC. Khi tăng nhiệt độ, tốc độ ion hiđro tạo ra trong quá trình oxi hóa hypophosphite trong dung dịch thành phosphite tăng lên đáng kể, và do đó khả năng tự phân hủy tăng lên đáng kể. Chính vì vậy cần khống chế nhiệt độ bể mạ trong khoảng rất hẹp (thường là ±1oC). Cũng cần lưu ý thay đổi nhiệt độ thường dẫn đến thay đổi hàm lƣợng P trong lớp mạ, do đó sẽ làm thay đổi tính chất dẫn điện, cơ lý và cấu trúc lớp mạ.
Tóm lại có thể tổng kết kết quả ảnh hưởng của việc tăng nhiệt độ như sau: tốc độ kết tủa cao hơn; tăng nồng độ ion phosphite; tăng khả năng tự phân hủy; giảm khả năng hòa tan của phosphite; tăng tốc độ thoát hiđro.
- pH môi trường
pH của dung dịch là một trong các yếu tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn tới tốc độ kết tủa cũng nhƣ chất lƣợng lớp mạ nickel tạo thành. Ở vùng pH thấp phản ứng phụ giải phóng hiđro xảy ra mạnh mẽ khiến cho hiệu suất mạ giảm mạnh, tốc độ mạ giảm.
Không những thế hiđro sinh ra có thể bị hấp phụ lên trên bề mặt gây hiện tƣợng giòn, quá trình xử lý nhiệt sau đó khiến hiđro tách ra gây hiện tƣợng rỗ bề mặt. Tuy nhiên khi tăng pH quá cao ion Ni2+ lại bị thủy phân tạo ra kết tủa Ni(OH)2 bám lên trên bề mặt mạ, làm giảm khả năng bám dính của Ni mới sinh. Việc Ni mới sinh rơi vào trong
dung dịch có thể dẫn đến việc tự hủy dung dịch một các nhanh chóng. Ngoài ra khi tăng pH môi trường khả năng khử của ion hypophosphite; độ tan của muối nickel photphite và hàm lƣợng P trong lớp mạ cũng giảm mạnh.
Dung dịch mạ nickel được chứng minh làm việc tốt nhất trong môi trường axit yếu, ở khoảng pH = 4-6. Tuy nhiên nhƣ đã phân tích quá trình mạ nickel hóa học xảy ra luôn kèm theo quá trình giải phóng H+ và pH của môi trường giảm theo thời gian.
Để giữ cố định pH của dung dịch một thành phần bắt buộc phải có trong dung dịch mạ nickel là chất đệm. Trong khuôn khổ luận văn này chất đệm đƣợc sử dụng là glyxin và axetat natri. Cả hai chất này, ngoài khả năng đệm tốt trong vùng pH = 4-6, chúng còn có khả năng tạo phức với ion Ni2+ giúp làm giảm nồng độ tự do của Ni2+, tăng pH tạo thành kết tủa hiđroxit, tăng quá thế tạo thành nickel, giúp cải thiện đáng kể chất lƣợng bề mặt mạ.
Hình 1.10. Ảnh hưởng của độ axit dung dịch mạ nickel hóa học đến tốc độ kết tủa [8]
-Chất tạo phức
Vai trò của chất tạo phức trong dung dịch mạ hóa học là nhằm ngăn cản sự kết tủa của nickel phosphite (NiHPO3). Khi phản ứng mạ hóa học diễn ra, lƣợng ion phosphite sinh ra tăng dần theo thời gian và tích tụ cho tới một thời điểm nhất định sẽ tạo kết tủa của Ni2+ trong dung dịch. Tính ổn định của dung dịch do đó đƣợc nâng cao do nồng độ ion Ni2+ tự do trong dung dịch là rất bé làm sự hình thành các muối bazơ của nickel khó xảy ra.
Sự lựa chọn chất tạo phức là rất quan trọng vì các phức này có ảnh hưởng rõ rệt tới cơ chế của quá trình. Phức có thể hoạt động trong nhiều vai trò: trường hợp này có thể sử dụng chất đệm, trong một số trường hợp khác nó lại có vai trò của chất tăng tốc.
Hình 1.11. Mối quan hệ giữa hàm lƣợng P với nồng độ Lactate [12]
Ví dụ axit lactic trong dung dịch mạ hóa học có chức năng: tạo phức, chất đệm và chất tăng tốc, trong khi axit succinic hoạt động chủ yếu nhƣ một chất tăng tốc, và axit melaic chỉ là chất tạo phức. Mặt khác, axit tartaric tạo dạng phức rất ổn định nên khiến sự khử khó khăn, dẫn đến kết tủa tốc độ rất chậm. Tuy nhiên ảnh hưởng có thể đƣợc khắc phục bằng cách thêm exalant (chất tăng tốc) trong bể. Nhìn chung axit citric và axit glycolic, amino axit là 2 loại axit hyđroxy cacboxylic đƣợc dùng phổ biến nhất làm chất tạo phức, chất đệm. Trong luận văn này sử dụng chất đệm là glyxin. Tóm lại, khi có mặt chất tạo phức, tốc độ quá trình kết tủa sẽ chậm lại đáng kể ngoại trừ trường hợp axit lactic (hình 1.12).
Hình 1.12. Mối quan hệ giữa tốc độ kết tủa và nồng độ chất tạo phức [12]
-Chất tăng tốc (exaltants)
Là loại phụ gia đặc biệt có tác dụng làm tăng tốc độ và hạn chế hiện tƣợng làm chậm phản ứng khi có mặt chất tạo phức càng cua.
Nồng độ của chất tăng tốc phụ thuộc vào hàm lƣợng ion Ni2+ và hypophotphite trong dung dịch mạ. Tuy nhiên, nên lưu ý rằng trong trường hợp chất tăng tốc có khả năng tạo phức thì lƣợng quá nhiều có thể hạn chế hoạt động của các cation do quá trình tạo phức làm giảm nồng độ cation trong dung dịch. Nhƣ vậy lƣợng chất tăng tốc so với nồng độ Ni2+ và H2PO2- cần đƣợc khống chế chính xác để hạn chế khả năng quá trình mạ bị dừng do dƣ chất tăng tốc
-Tỷ lệ nồng độ ion Ni2+ / ion hypophosphite ([Ni2+]/[H2PO2-])
Hình 1.13. Tốc độ kết tủa mạ Nickel hóa học từ bể axetat là hàm của tỷ lệ ion Ni2+/H2PO2- [9]
Tăng nồng độ H2PO2- tốc độ mạ nickel hóa học tăng lên, tuy nhiên nồng độ H2PO2- không đƣợc quá cao do có khả năng dẫn đến hiện tƣợng tự phân hủy dung dịch. Tỉ lệ nồng độ Ni2+/H2PO2- tăng hàm lƣợng P trong lớp mạ càng lớn, hiệu suất mạ nickel giảm, khối lƣợng kết tủa tạo thành lúc đầu tăng, sau đó giảm mạnh.