电镀添加剂的研究和应用

电镀添加剂的研究和应用

在含有被镀金属离子的电解质溶液(electrolyte,bath)中,以工件作为阴极(cathode),通常以被镀金属作为阳极(anode),通以直流电,使作为阳极的金属溶解进入镀液,镀液中的金属离子在阴极上沉积形成有具有一定装饰性(decorative)或功能性(functional)的金属或合金的工艺叫做电镀(electroplating,electrodeposition,plating).镀液中仅仅含有被镀金属的盐不能得到具有装饰性或功能性的镀层,必须在其中加入添加剂.

电镀添加剂(electroplating additives)是加入到电镀溶液中对镀液和镀层性质有特殊作用的一类化学品的总称.它属于精细化学品(fine chemicals),在一些大型化工公司中,把它列入特殊化学品(specialty chemicals).

电镀添加剂的分类和作用

应用广泛的电镀工艺有镀锌,镀铜,镀镍,镀铬,镀银,镀锡,镀铜锌合金,(仿金电镀),铜锡合金,锌镍合金,镍铁合

金等.镀液有酸性,弱酸,碱性之分.不同类型的电镀工艺只能加入不同种类的添加剂,因此电镀添加剂的种类十分复杂,给电镀添加剂的分类带出困难.以下是本人根据电镀添加剂的对镀液和镀层和作用的不同所作的分类,不一定准确和全面.(同时,本分类仅包括电镀液中的添加剂,不包括电镀的前处理,后处理,也不包括化学镀,阳极氧化等其他表面处理工艺.)

1.1 络合剂(complexing agent or chelating agant)

电化学理论根据金属离子的交换电流密度I.的大小(I.表示电极存在的氧化反应和还原反应达到平衡时,即净反应速度为零时的氧化或还原反应速度或电流)将金属分为三类:

第一类:I.很大,10-10-3 A/dm2,过电位很小,为Pb2+,Cd2+,Sn2+,In3+等.

第二类:I.中等,为10-3-10-8 A/dm2,过电位中等.为:Cu2+,Zn2+,An3+,Bi3+等.

第三类:I.很小,为10-8-10-15,过电位高,为:Co2+,Ni2+,Pt2+等.

只有第三类金属才能从其简单盐中电镀出致密的金属镀层.第一,二类金属由于交换电流过大,过电位低,得到的是疏松镀层.为了提高过电位,必须加入适当络合剂.

加入络合剂的作用是使金属离子形成稳定络合物,从而使金属离子还原的活化能较高,过电位增加,交换电流密度变小,从而形成致密的镀层.

影响络合效果的因素有络合剂种类,配位体和金属离子浓度,pH值等.

电镀中常见金属的络合剂有:

Zn2+:OH-,P2O74+,CN-,HEPP(羟基乙叉二磷酸)

Cu2+:CN-,P2O74+,HEDP,Cit3-,乙二胺等

SN2+:BF-,H2NSO3OH,Cit3-

Au:CN-,SO32-,Cit3-

Ag:CN-,S2O32-

1.2 表面活性剂(surfactant)

表面活性剂具有降低表面张力的作用,润湿作用,乳化和增溶作用.在电镀添加剂中通常作为光亮剂,防针孔剂,润湿剂,分散剂,增溶剂,抑雾剂等.

在酸性镀铜中,聚乙二醇是光亮剂的重要成份.

在镀镍中,十二烷基硫酸钠和乙基巳基磺酸钠是防针孔剂和润湿剂的主要成份.

在酸性镀锌中,OP或平平加既用作主光亮剂芐叉丙酮和邻氯荃甲醛的增溶剂和分散剂,又起着平滑镀层的作用.

在镀铬中,用含氟表面活性剂作为铬雾抑制剂.

1.3 主光亮剂( brightener)

主光亮剂是指在电镀添加剂中产生光亮作用的主要成份.不同镀种的主光亮剂不同.但作为主光亮剂的物质通常分子量不大,用量较小,通常是醛类,酮类,含双键或三键的有机物,杂环化合物或一些金属元素.

酸性镀铜的主光亮剂有:乙撑硫脲,二硫苯骈咪唑,四氢噻唑硫酮等.

酸性镀锌的主光亮剂有:苄叉丙铜,邻氯苯甲醛等.

碱性镀锌的主光亮剂有:香苯醛,BPC.

镀镍的主光亮剂有:丁炔二醇和丙炔醇的醚化产物.

1.4 整平剂(levelling agent)

整平剂与光亮剂的作用不同,后者的主要作用是提高镀层的光亮度但不一定能填平基体表面微观的凹凸不平.而前者的作用主要是填平基体的微观凹凸不平但不一定具有明显的光亮作用.例如:氰化光亮镀铜工艺可以获得光亮的镀层但不能填平基体表面存在的划痕,而半光亮镍电镀工艺得到的镍镀层呈乳白色,没有明显的光亮度,但镀层表面很细致均匀,在它的表面继续电镀光亮镍,起亮的速度很快.

物质的整平作用分为正整平,几何整平和负整平.

正整平:

几何整平:

负整平:

大部分电镀工艺要求整平剂具有正整平作用,但对于表面有花纹的工件,为了避免电镀以后使花纹模糊不清,电镀添加剂中最好包含具有几何整平与呈负整平的物质.

电镀添加剂的研究和应用(II)

镀镍添加剂的研究进展

镍是一种机械性能和化学性能优良的金属,镀镍是一种应用广泛的工艺,所有组合性镀层中几乎都包含有镍层.因此对镀镍工艺,添加剂和理论的研究最受到关注,取得的进展也最大.

2.1 初级光亮剂(primary brightener) 的作用和品种

初级光亮剂的作用是细化晶粒,使镀层均匀.

但它产生压应力,用以抵消次级光亮所产生的张应力.分子结构中含硫,夹杂在镀层中,使镀层的电位比纯Ni 电位更负.

2.1.1 糖精:

学名邻磺酰苯亚胺

英文名:saccharin

结构式: N - - H

S

可电离出H+,带酸性. N - - Na+

平常使用的是它的钠盐. S

用量:0.5-2.5 g/L

其用量与次级光亮剂的种类和多少有关.用量要足以抵销次级光亮剂的张应力.

消耗量:15-30 g/KAH

2.1.2 BBI:

学名:二苯磺酰胺

英文名:bis(benzenesulfonyl)imide

或:bisphellylsulphonylamine

结构式: SO2 NH SO2

用量:0.5~2 g/L

消耗量:15g/KAH

2.2,次级光亮剂(second brightener)的作用和品种

使镀层光亮,但产生张应力,与初级光亮剂配合得到高光亮度又应力低的镀层.

2.2.1 BEO:学名:丁炔二醇二乙氧基醚

或:乙二氧基化丁炔二醇

英文名:diethxylated 2-butyne-1.4-diol

结构式:HO-C2H4-O-CH2-C≡C-CH2-OC2H4-OH