镀银导电芳纶纤维的制备及其性能研究

1、镀银导电芳纶纤维的制备及其性能研究2 7 5 7*梁晶晶，邹新国，邵勤思，孙晋良，唐志勇（）上海大学复合材料研究中心，上海2 0 0 0 7 2摘 要：采用自制 为了制备一种高性能的导电纤维，金属化试 剂（对芳纶纤维进行粗化处理，n a h dms 0）通过化学镀技术 制备镀银导电芳纶纤维。研究了镀液成分及工艺条件对化学镀银的增 重率、表面电阻及镀层形貌的影响并得到了最佳工艺参数。经检测, 以最佳工艺制备的镀银芳纶纤维的导电性优良，电阻为/,且强度损 失小（断裂强力为4 0. 2 5 cm, 4 no qv5%）关键词：化学 镀银；增重率；镀层形貌；表 芳纶纤维；面电阻中图分类号：1 5 3

2、. 3 t q（）文章编号：10019731201220275706-文献标识码：a）二甲基亚砚、氯化亚锡、油中的微晶分散体（6 0 ± 3 %；氯化锂、盐酸、硝酸银、氨水、乙二胺、酒石酸钾钠、葡萄氢氧 化钾、乙醇和聚乙二醇1糖、0 0 0均为国药集团化学试剂有限公司 生产的分析纯药品。2. 2 导电k e v 1 a r纤维的制备9 0 °c烘干。g g 。经k e v 1 a r纤维在丙酮溶液中超声清洗1 h后,置于5金n a h- 1 5 0 dms 0金属化试剂中粗化,敏化(属化试剂的合成方法参照文献12 s n c 1/ /、活化(1 5 l 和盐酸 2 0 ml

3、 l, 3 0 °c,d c 1 03 g 2 / /后进行化学镀银。l和盐酸3 m l l , 3 0 °c,1 0 m i n ) g镀银浴的配方如表1所示。样品以去离子水清洗并真空干燥。表1芳纶纤维化学镀银液的组成cons t i tuenverrami银液 硝酸银氨水乙二胺氢氧化钾还原液/0 2 0 l g / 0 10l4 0 m l l / 7 5 m l/葡萄糖61 4 l g/ 08 0 ml l酒石酸钾钠/0 m l l / 31 0l乙醇聚乙二醇1引言芳纶纤维是一种高性能的高分子合成材料，具有高模、耐高温、阻燃、化学稳定性等优异的性能而高强、 广泛应用于

4、军工、防护领域、产业领域及复合材料增强1 , 2。制成的导电芳纶纤维具有阻燃、体等耐热和防电磁屏蔽效能， 可应用于航空、航天、军工、通讯等领域。目前国内外有关纤维表面 金属化处理的方法有溅3 6 -o其中化学镀法由于射法、电沉积法和化学镀法等其所需设备 简单，且所获得的镀层与基体结合力较好，适用于大规模生产等优点 而广泛应用于非金属材料表17 10-面金属化处理银是一种银白色的金属，具有很好的延展性、导电性和传热性。在化学镀银过程中，由于镀液的不稳定，常在镀银 反应的前几分钟镀液发黑变浑浊，降低了银。如何使得镀液长时间保银增重率v 2的利用率(0 %)持稳定， 提高镀银产品增重率和镀液中银的利

5、用率一11o直都是尚未解决的难题本文采用双络合剂和复合还原剂来替代传统配方中的单一络合剂和还原剂，运用化学镀银的方法成功制备了覆银 导电芳纶纤维，并讨论了镀液组成及工艺条件对镀银纤维增重率、表 面电阻及镀层形貌的影响。23 测试与表征()用j型场发射扫描电子显ism6700f ( j a a n)p（微镜观察芳纶纤维镀层表面形貌；2）用万用表测量（/纤维 表面电阻；根据g 3 ） bt143442008测定纤维一（镀金属前后的断裂强力和断裂伸长率；通过芳纶纤4）维镀银前后的质量变化研究纤维的增重率。增重率的计算如下： （21）x 1 0 0 %m 1式中，m 1和m2分别为芳纶纤维化学镀银前后

6、的质）。量（g增重率=3 结果与讨论31硝酸银对化学镀银的影响图1为硝酸银浓度对纤维增重率和表面电阻的影响。随着硝酸银 浓度的增加，纤维增重率呈现先增后减的趋势，同时其电阻逐渐减小。 当硝酸银浓度达到/镀层增重率达到最大值5电阻最小01 0 l时, 4 %, 2 5 g2 实验21实验材料,；纤维基材（美国杜邦公司）k e v 1 a r 2 9 2 0 0 d长丝，化学试剂：氢化钠购自上海实验试剂有限公司，为矿物）;基金项冃：上海市科委纳米专项资助项冃（上海市重点学科 建设资助项目（上海大学创新基金资助项o852nmoo6oos 3 0 1 0 7 ）（）目 shucx10 1003收到初稿

7、日期：收到修改稿日期：通讯作者：唐志勇2 0 12 0 33020120711 ,作者简介：梁晶晶 （女，山东聊城人，在读博士，师承孙晋 良院士，主要研究方向为特种纤维及功能纺织品改性与制1 9 8 1）备。2 75 8）卷2 0 12年第2 0期（4 3/cmo q低纤维增重率。图2为不同硝酸银浓度下，纤维镀层s em照片。随着硝酸银浓度增加，颗粒尺寸变大且致密。当a-g /镀层颗 粒细小，且镀层表面部分no l时，g 3浓度为6区域未被覆盖或镀层稀薄。当浓度增大时，颗粒尺寸/随之变大，镀层致密。因此，ano 0 l为g g 3浓度为1最 佳条件点。3 . 2 络合剂对化学镀银的影响本文采用

8、乙二胺和氨水双络合剂，乙二胺浓度为/讨论氨水浓度 对镀银纤维增重率、表面电阻2 0 ml l,及表面形貌的影响。图3为不同氨水浓度下，纤维镀银的增重率和表 镀银纤维增重率先增后面电阻。随着氨水浓度增大，/减。当氨水浓度为6增重率达到最大值0 m l l时，/此时电 阻为0氨水浓度继续增5 4 %, 2 5cm。此后，q大，芳纶纤维 增重率则逐渐减小图1硝酸银浓度对芳纶纤维化学镀银的增重率和表 面电阻的影响ratif an 0 o当硝酸银浓度继续增大，增重率呈下降趋势。由 + +但当a于镀液中aa g浓度增加，g沉积速度增加；g的浓度过高时，镀液不稳定，易发生自分解生成银，降图2 不同硝酸银浓度

9、时芳纶纤维上化学镀银层s em照片thesemimaesof s i 1 v e r d e o s ii b e r a t d i f f erentconcent r a其原因是当氨水浓度较低时，a g未完全形成银氨络离子，随着 氨水浓度的增大，镀液稳定，使银更多沉积在纤维上。但氨水浓度过高，会抑制银氨络离子的水解，降 低银离子浓度，反应速度变慢，纤维增重率降低。图4为不同氨水浓度时芳纶纤维上镀银层的/镀层颗粒尺寸细sem照片。氨水浓度为3 0 ml l时，小且为准球形，颗粒间分界 线明显，空隙较大，有大量）。随着氨水浓度的增加，图4 （颗粒尺 寸絮状沉淀（a /变大，镀层致密。当氨水浓

10、度为6镀层颗粒0 m l l时，）。而当浓度过高时镀层致密平整（图4 （大小均匀，c不同氨水浓度下，纤维镀银的增重率和表面电a e f i 3 t h e w e i h t rateandfammoniaat（/,镀层质量下降，颗粒排列疏松，颗粒间空隙8 0 ml l）/如图4 （所示。因此，氨水浓度6乙二增大，domll,/胺浓度2 0 ml l为最佳浓度不同氨水浓度时芳纶纤维上化学镀银层s em照片thesemimaesof s i 1 v e r di f ferentconcentrat i omm o n（）/图5为当酒石酸钾钠浓度为2 不同a 5 l时,原剂对化学镀银的影响g葡萄

11、糖浓度对镀银的增重率和电阻的影响。当葡萄糖以葡萄糖和 酒石酸钾钠组成复合还原剂，研究其对纤维增重率、表面电阻和镀层 表面形貌的影响。图5为葡萄糖和酒石酸钾钠对纤维增重和表面电阻的影/,浓度为2纤维的增重率最大（此时的l时，5 9. 4 %） g/,电阻亦最低（继续增加葡萄糖浓度，增重率0. 2 c m） q减小直至趋于水平，保持在5同时电阻增加4 %左右，/也趋于稳定。当葡萄糖浓度为8纤维增重率和l时，g / （）葡萄糖浓度应选取8表面电阻趋于稳定，lo图5 b g/为当葡萄糖浓度为8不同酒石酸钾钠浓度对镀l时，g银的增重率和电阻的影响。随着酒石酸钾钠浓度的升高，纤维的增重率升高，电阻减小；当

12、酒石酸钾钠浓度/纤维的增重率和表面电阻改变不大，趋5l时，22. g,/ ,于稳定，增重率最大（电阻最小（酒5 4 % ） 02 5c m） q /石酸钾钠浓度应选取2. 5 lo g图6为分別以葡萄糖、酒 石酸钾钠以及二者复合物为还原剂所制备样品的s em照片。以酒石酸钾钠），为还原 剂时（图6 （颗粒尺寸粗大，镀层粗糙，电阻c较高，耐腐蚀性差。 随着其浓度增加，颗粒尺寸变小，镀层致密、均匀平整。）,以葡萄糖为还原剂时（图6 （镀层表面均匀、a致密，但颗 粒细小、界面多、表面积相对较大，影响电阻和耐腐蚀性。选取适当 浓度的酒石酸钾钠和葡萄糖（）,图6镀层表而均匀、致密、平整， 颗粒尺寸较大b

13、图5 葡萄糖和酒石酸钾钠浓度对k纤维化学镀银增重率和表面电阻的影响anceofelec trolesssl i v e r 1 a t edkevlarfibersp且颗粒间结合程度高，比表面积低，表面电阻减小，耐腐蚀性提高。34 氢氧化钾对化学镀银的影响基于氢氧化钾为加速剂，研究其不同浓度对纤维增重率、表面电 阻及表而形貌的影响。2 76 0 ）卷2 0 12年第2 0期（4 3图6 不同还原剂下获得的银镀层s em照片f i 6semimae sof the s i 1 v e r d e o s i tsobtainedf romthesolut i o n w i t h d i f

14、f erent reductantcomos i t ions 1 a t i ng g p p p g/对纤维增重率随着氢氧化钾浓度增大，增重率提高，表面电阻 减l）图7为不同氢氧化钾浓度（2 g/,和表面电阻的影响。小。当氢氧化钾浓度为6纤l时（2 . 5）h值约为lgp/维增重率最大为5此时表面电阻最小为01 %, 3 0 q纤维增重率急剧下降，cm。继续增大氢氧化钾浓度，电阻随之增大。由于镀液中oh浓度增大，加速银离了的还原速度，并生成大量银氨络离了，提高镀液稳定/为最佳条件点。但氢性。在氢氧化钾浓度为6 l时，g氧化钾浓度过高时，单质银生成速率过快，镀液中析出的单质银增多，使纤维表面

15、吸附的银量减少，且过量的碱与银氨络离子反应，影响镀液的稳定性，因此镀液的图7氢氧化钾浓度对芳纶纤维化学镀银的增重率和表而电阻的影响f i 7 t h e e f f ec tofkohconcent rati ononthewe i h tg gainrateandres i stanceof electr o 1 e s s s 1 i v e rglat inonaramidfiber p g h值应控 制在约1 2. 5。p图8为不同氢氧化钾浓度下，芳纶纤维上化学镀 /银层的s颗粒细em照片。氢氧化钾浓度为3 l时，g未完全包覆 纤维表而，镀层电阻小且表面不均匀致密，变大，结合力降低o图

16、8 不同氢氧化钾浓度时芳纶纤维上化学镀银层s e m照片fi 8thesemimaesof s i 1 v e r d e o s i tsonfiberatdifferentconcentrat i o n o f k 0 h/,由于镀速间相互渗透，结合强度高，在纤维表面形成均匀、 致密6、8和1 0 l)当氢氧化钾浓度增大时(g/的提高，使得镀层颗粒尺寸变大且致密堆积，而且颗粒的银镀 层,耐腐蚀能力提高。当氢氧化钾浓度为6 l g2 7 6 1时，镀银效果最好。35 温度对化学镀银的影响图9为镀液温度对纤维增重率和表面电阻的影响o大，表面电阻也随之减小。当温度达到2 53 0°c

17、时，/增重率达到最大值5电阻为最小值04%, 2 3 cm。q此 后，随着温度增加，增重率急剧降低，同时电阻随之增大。由于化学镀银是吸热反应，升高温度，反应速度加快，镀 覆效率提高，纤维增重率增大，芳纶纤维电阻降低。但温度过高，会 加速镀液的自分解，降低镀液的导致大量银析出，影响镀液反应，导 致镀层不稳定性，均匀，结构疏松，镀层表面粗糙，电阻变大。因此， 温度为2 5-3 0 °c时为较佳温度。图1 0为不同温度时芳纶纤维化学镀银镀层的)当温度为2镀层均匀，但s em照片。图1 0 ( a 0 °c时，颗粒细小且颗粒间有大量微孔隙。图1当温度为0 (b)颗粒尺寸变大，且颗粒

18、间界限模糊，结合程度2 5c时，高，镀层质量好。当温度继续增大，镀层质量降低，如（）、（图 1所示。当温度2 4纤维表面未完0 c d ） 0°c时，全被包覆，镀层 不致密、颗粒尺寸细小且结合力差o图9 温度对芳纶纤维化学镀银的增重率和表面电阻的影响a infi9theef f e c t o f temerature ontheweihtg g p grateandres i st a n c e o f e 1 e c t r o 1 e s s s 1 i v e r 1 a t i np garamidfiberon随着温度的提高，镀液的反应速度加快，增重率加图1 0不同温度

19、时芳纶纤维上化学镀银层s em照片f i 1 othesemimae smo rho 1 oof s i 1v e r d e o s i t sonfiberatdi f ferentt emeratureg g p g y p p变。当施镀时间达到2颗粒显现清晰的菱36 施镀时间对化 学镀银的影响0 m i n以后，）,图1角（如图1镀层加厚，颗粒粒径为3 1为不同施镀时间 芳纶纤维表面s em图片。1 ( c 0 04 0 0 nm,随着时间的延 长，镀层呈现不同的光泽，依次呈现黑色、银灰色、银灰白色、白色。还原沉积首先发生在催化活性最 强的基体部位，细颗粒呈球形，粒径约为几十o纳米，如

20、图1所示。这时镀层表面为黑色。之后，1 a晶体 颗粒逐步生长，逐渐覆盖整个表面，使镀层增厚。在1颗粒为球形，粒径为1如图0 m i n以内，0 02 0 0 n m (),时间延长，颗粒尺寸逐渐加大，显现出金属银1 1 b光泽， 因此，镀银经历了由黑色、银灰色、银灰口色的转镀层外观呈白色。3 7镀银芳纶纤维性能表2为芳纶纤维化学镀银的最佳工艺配方，所制备的镀银芳纶纤 维经江苏省纺织研究所理化中心实验室测试，其结果如表3所示。在 表3中，镀银芳纶纤维束丝的断裂强力和断裂伸长率分别为4 4 n和 2. 9 %。其中，断裂强力保持率高达9 5 . 7%。导电纤维电阻为/ 0 . 2 5c mo q)

21、卷2 0 12年第2 0期(4 3图1 1芳纶纤维银镀层在不同施镀时间的表面s em照片f i 1 ithesemimae sof s i 1 v e r d e o sd i fferentt i m e 1 a t i n2 0 0 7. 7580 表2 化学镀银的优化配方一tab 1 e 2 0 t i m i z a t ionformulaofe lectrolesssl i v e rplat inonaramidfibers p g银液硝酸银氨水乙二胺氢氧化钾还原液温度/ /葡萄糖1 0 l 8 l g g/ / 6 0 ml l酒石酸钾钠2 . 5 l g / /乙醇2 0 m

22、l l 4 0 m l l / 6 l g聚乙二醇/ 7 5 ml g2 5 3 0 °c表3芳纶纤维镀银前后性能对比tab 1 e 3 c o m a r i s o n o f b e tweennon androert i e sppps i lverlatedaramidfibers p测试项冃断裂强力（n）空白粗化后镀银纤维4 6 纤维4 3纤维4 4测试标准/gbt143442008断裂伸长率（ 3 . 0 9 9 2 .2 ./表面电阻（cm 25q320000wy0072008q 4 结论采用化学镀方法制备了镀银导电芳纶纤维。对化、硝酸银）络合剂（氨水和乙二胺）学镀银

23、过程中主盐（、还原剂（葡萄糖和酒石酸钾钠）加速剂（氢氧化钾）温度、施镀时间等因素对增重率、表面电阻和镀层形貌的影响分别进行了讨论，并得到了最佳工艺配方。制得/的镀银芳纶纤维导电性优良，表面电阻为o2 5 cm, q断 裂强度高达4是一种高强、高模、耐高温、阻燃性4n,好的高性能导电纤维。参考文献：吕伟元.纤维新材料上海：上海大学出版社，1 m,孙 晋良，2 a s s a 1 m, g h o s h s . aramidfibresanoverviewj . indi j,anj ourna 1 offi b resandtex ti leresea rch2002, 2 7 : 2 9 0

24、3 0 6 . 3 i t t 1 e b k, e t a 1 metal 1 i z a t i onofkevl arf iberswi t h o 1 d lg,j. aliedmaterials & i nterfac e s 2 0 1 1 , 3 : 1 9 6 5 1 9 7 3 一pp 1 a t e d 4 s u c h. processformakinelectrol essaramid hp ssurfacesp. usa： 5 4 5 3 2 9 9,1 9 9 50 9 2 6 .5 e o j b . e n v i ronment f r i e n

25、d 1 f u net ional conduct ivear y yami df iberswi thheatandflame res i s tancep. k o o o dg:,rea20084891220080527 ,w, 6 e iganyanwenca i e i m i n e t a 1. studone 1 ec ltrolessni la ti noflassfiberj. journaloffunc p-p g g,()：t ionalmaterial s2008, 3 9 7 1 12 8 1 1 3 0 一7chwarza, etal. goldcoatedar

26、ami dthrouha raa rns s p y gelectrolessdeos i t ionj. surf ace & coat instechnolo-pg,()：01020414121418 gy2lastic8elvam m. electroless s i lverdeos i t iononabs sp pu s i n c o (as r e d u c i n a e n tj tran sactionsofthell)g g g , ()： inst itut e o f m e talfini s h i n 2 0 1 0 , 884198203 g9 r

27、 i k a n t h c k, j eevanandamp. e 1 ectrolessdeosi tionof ss i lveronsnthes i z e d c a 1 c i t e v i asurfacemodi fi cat ion j.y,a 1 i edsurf acesc i ence2009,255：7 1 5 3 7 1 5 7 . pp,w u , l , loanxueinyat iniuleie t a 1 electroless gp g gcoe ronpei f a b r i c s u s i n h o h o s h i teasrelatin-ppgyppppg, due inaentj . journaloffunct ionalmaterial s 2 0 0 7,g g()：385782786 国防科1 im.北京：姜晓霞，沈伟.化学镀理论与 实践技岀版社，2 0 0 03 6 3,r12irrienm, desbrieresj ina u d o m phsicalroer h-y p pt i e s o f m e thl c e 1 1 u 1 o s e s i n r e 1 a t i o n w i ththecondi t ionsy,cel lulo