朱雁風(fēng),徐盼盼,程楚
(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)
空心玻璃微珠(HGM)是一種中空密閉的球形粉末狀超輕無機(jī)材料,真實(shí)密度在0.12 ~ 0.8 g/cm3之間[1-2],具有密度低、體積大、分散流動性好,以及隔熱、隔音性能好等優(yōu)點(diǎn),可以應(yīng)用在多種復(fù)合材料中[3]。HGM屬于絕緣體,在其表面鍍銀可賦予其導(dǎo)電性,用來代替純銀粉制備電子漿料、電極材料電磁屏蔽材料等材料,不僅能夠降低生產(chǎn)成本,還能有效防止填料的沉降[4]。
由于HGM表面沒有催化活性,通常在鍍銀前要進(jìn)行敏化、活化處理[5]。傳統(tǒng)的敏化、活化工藝一般要用到氯化亞錫、氯化鈀等試劑,這些試劑不僅價(jià)格昂貴,還會產(chǎn)生含重金屬離子的廢液。此外,HGM的殼壁較薄,若采用傳統(tǒng)工藝處理,則形成的物理錨合位深度不夠,表面粗糙度不足,導(dǎo)致只有少量銀層附著。多巴胺是一種生物試劑,幾乎所有材料(包括金屬、非金屬、高分子材料等)都可以通過化學(xué)浸泡法在表面獲得一定厚度的聚多巴胺膜層[6-8],該膜層中含有具備一定還原性和親水性的鄰苯二酚,化學(xué)性質(zhì)非常活潑,能夠吸附一些貴金屬離子(如Au3+、Ag+、Pt+等)并且使它們還原沉積于基體表面。因此采用多巴胺處理HGM可省去傳統(tǒng)的敏化、活化步驟,實(shí)現(xiàn)直接化學(xué)鍍銀[9-11]。本文先采用多巴胺活化HGM,再化學(xué)鍍銀,研究了AgNO3質(zhì)量濃度、葡萄糖質(zhì)量濃度和HGM裝載量對鍍銀效果的影響,得到了銀鍍層致密、均勻的HGM。
空心玻璃微珠(粒徑為20 ~ 70 μm):瀚澤新材料;硝酸銀、多巴胺鹽酸鹽、三羥甲基氨基甲烷、氫氧化鈉、 碳酸鈉、葡萄糖和氨水(均為分析純)。
1.2.1 鍍前清洗
將一定量HGM加入500 mL的30 g/L NaOH + 40 g/L NaCO3溶液中,在溫度50 ℃下磁力攪拌30 min,抽濾并烘干(80 ℃,下同)。
1.2.2 多巴胺活化
先配制1.21 g/L的三羥甲基氨基甲烷溶液100 mL,用1 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH至8.5,采用上海精科天美科學(xué)儀器有限公司FA2204B分析天平(精度0.1 mg)稱量0.2 g多巴胺并加入溶液中,攪拌溶解。加入一定質(zhì)量的HGM,室溫下磁力攪拌1 h,抽濾并烘干。
1.2.3 化學(xué)鍍銀
(1) 銀氨溶液的配制:配制一定濃度的AgNO3溶液,緩慢滴加氨水,起初溶液中出現(xiàn)絮狀沉淀,繼而沉淀溶解,待溶液透明時(shí)停止滴加氨水,改為滴加10% NaOH溶液,此時(shí)溶液產(chǎn)生黑色沉淀,再滴加氨水至溶液澄清。滴加NaOH溶液是為了增大銀氨溶液的OH-濃度,創(chuàng)造堿性環(huán)境,提高反應(yīng)速率。
(2) 葡萄糖溶液的配制:稱取一定質(zhì)量的葡萄糖加入去離子水中,攪拌均勻并煮沸10 min后冷卻到室溫。
(3) 化學(xué)鍍銀:稱取一定質(zhì)量的HGM加入銀氨溶液中,攪拌5 min后加入葡萄糖溶液混合,在50 ℃水浴下反應(yīng)1 h。反應(yīng)結(jié)束后抽濾,80 ℃烘干后采用分析天平稱量,計(jì)算HGM的質(zhì)量變化量,即HGM表面實(shí)際包覆銀的質(zhì)量(記為mt)。
1.3.1 銀利用率
采用式(1)計(jì)算銀利用率(η1)。
式中mr為溶液中銀的質(zhì)量(單位:g)。
1.3.2 導(dǎo)電性
將化學(xué)鍍銀后的HGM裝入非金屬圓柱體內(nèi),以19.6 N/cm2的壓力壓實(shí),將常州同慧電子股份有限公司的TH2516型智能直流低電阻測試儀兩極埋入兩端測量電阻(R),按式(2)計(jì)算體積電阻率(ρv)。
式中l(wèi)是試樣的厚度(即兩極之間的距離,單位為m),A是電極的面積(單位:m2)。
1.3.3 表面形貌與成分分析
采用日本電子JSM-5610LV場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分析HGM的表面形貌,并用附帶的能譜儀(EDS)分析表面成分。
從圖1可以看到,未活化的HGM表面光滑,含有C、O、Na、Si和Ca元素。經(jīng)過聚多巴胺包覆后HGM表面變得非常粗糙,存在一些凸起,C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從未活化時(shí)的11.6%升至24.9%,其他元素的含量則減小,證明HGM表面成功附著了一層聚多巴胺膜。
圖1 多巴胺活化前(上)、后(下)空心玻璃微珠的SEM圖像和EDS譜圖 Figure 1 SEM images and EDS spectra of HGM before (above) and after (below) being activated with dopamine
2.2.1 AgNO3質(zhì)量濃度的影響
在化學(xué)鍍銀過程中AgNO3作為主鹽,其濃度不僅影響反應(yīng)速率,還會影響鍍層的結(jié)合強(qiáng)度、導(dǎo)電性等性能,因此化學(xué)鍍銀工藝首先要確定AgNO3的濃度。參考已報(bào)道文獻(xiàn)的研究結(jié)果[12-13],固定葡萄糖質(zhì)量濃度為40 g/L、HGM裝載量為4 g/L以及溫度為50 ℃不變,配制不同質(zhì)量濃度AgNO3的溶液,對HGM化學(xué)鍍銀1 h,結(jié)果見圖2和圖3。
圖2 AgNO3質(zhì)量濃度對銀利用率和鍍銀空心玻璃微珠導(dǎo)電性的影響 Figure 2 Effect of mass concentration of AgNO3 on utilization of silver and conductivity of silver-coated hollow glass microspheres
從圖2可以看出,隨著AgNO3質(zhì)量濃度從5 g/L增大到15 g/L,銀利用率先增大后減小,鍍銀微珠的體積電阻率逐漸減小。在AgNO3質(zhì)量濃度為15 g/L時(shí),銀利用率最高,為68.3%,鍍銀微珠的體積電阻率較低。這是因?yàn)樵诨瘜W(xué)鍍銀過程中鍍液中部分銀離子附著在燒杯壁上,隨AgNO3質(zhì)量濃度升高,附著在燒杯壁上的銀離子增多,這些銀離子會被還原沉積在燒杯壁上,形成銀鏡反應(yīng),導(dǎo)致沉積在微珠表面的銀減少,銀利用率降低。因此化學(xué)鍍銀液中AgNO3的較佳質(zhì)量濃度為15 g/L。
從圖3可以看出,隨著AgNO3質(zhì)量濃度增大,包覆在空心玻璃微珠表面的銀顆粒增多。AgNO3質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí),HGM表面只有零星的銀顆粒,這是因?yàn)锳gNO3濃度過低,反應(yīng)緩慢。AgNO3質(zhì)量濃度為10 g/L時(shí),HGM表面銀層基本包覆完整,但較薄。AgNO3質(zhì)量濃度為15 g/L時(shí),HGM表面已鍍上一層完整且均勻致密的銀層。繼續(xù)增大AgNO3質(zhì)量濃度至20 g/L時(shí),HGM表面銀層變得疏松、不均勻,甚至部分脫落,還存在一些未包裹在微珠上的游離銀顆粒??梢娀瘜W(xué)鍍液中AgNO3質(zhì)量濃度為15 g/L時(shí),HGM表面的化學(xué)鍍銀效果是最理想的。
2.2.2 葡萄糖質(zhì)量濃度的影響
葡萄糖作為還原劑,其濃度對化學(xué)鍍銀的影響非常大。固定AgNO3質(zhì)量濃度為15 g/L,其余條件同2.2.1節(jié),研究葡萄糖質(zhì)量濃度對HGM化學(xué)鍍銀的影響,結(jié)果如圖4所示。隨著葡萄糖質(zhì)量濃度增大,銀利用率逐漸升高,在30 g/L時(shí)銀利用率為71.3%,鍍銀空心玻璃微珠的電阻率較低。高于30 g/L后,隨葡萄糖質(zhì)量濃度繼續(xù)增大,銀利用率和鍍銀空心玻璃微珠的電阻率變化不大。因此選擇葡萄糖的質(zhì)量濃度為30 g/L。
圖4 葡萄糖質(zhì)量濃度對銀利用率和鍍銀空心玻璃微珠 導(dǎo)電性的影響 Figure 4 Effect of mass concentration of glucose on utilization of silver and conductivity of silver-coated hollow glass microspheres
2.2.3 裝載量的影響
固定葡萄糖質(zhì)量濃度為30 g/L,其余條件同2.2.2節(jié),研究HGM裝載量對其化學(xué)鍍銀效果的影響,結(jié)果如圖5所示。隨HGM裝載量增大,雖然銀利用率升高,但是會導(dǎo)致鍍層變薄,從而使得鍍銀空心玻璃微珠的體積電阻率升高。綜合考慮后選擇裝載量為4 g/L。
圖5 裝載量對銀利用率和鍍銀空心玻璃微珠導(dǎo)電性的影響 Figure 5 Effect of HGM dosage on utilization of silver and conductivity of silver-coated hollow glass microspheres
從圖6可以看出,每個(gè)HGM表面都均勻地包裹了一層致密的銀。對鍍銀HGM進(jìn)行選區(qū)EDS分析可知Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.8%。
圖6 最佳工藝條件下化學(xué)鍍銀空心玻璃微珠SEM與EDS譜圖 Figure 6 SEM images and EDS spectrum of hollow glass microsphere after electroless silver plating under optimal conditions
采用多巴胺活化處理HGM后可以直接對其化學(xué)鍍銀。研究了不同因素對HGM化學(xué)鍍銀效果的影響,得到最佳工藝條件為:硝酸銀質(zhì)量濃度15 g/L,葡萄糖質(zhì)量濃度30 g/L,裝載量4 g/L,溫度50 ℃,時(shí)間1 h。該條件下溶液中銀的利用率為71.5%,所得鍍銀空心玻璃微珠的體積電阻率為34 mΩ·cm,表面銀層均勻、致密。