Нанесение и получение металлических покрытий химическим способом (стр. 12 из 16)
Из-за расширения потребности в профилированных металлических изделиях, нуждающихся в покрытии, внимание уделяется и химическому меднению железа, стали, алюминия и некоторых других металлов. Кроме того, медь эластичнее полученного химическим путем никеля и химическое меднение может осуществляться на холоду. Химическое меднение используется в гальванопластике, а также для защиты отдельных участков стальных деталей при цементации [46].
В настоящее время существуют несколько теорий, объясняющих механизм процесса Процесс химического меднения основан на восстановлении меди из ее комплексной соли формальдегидом в щелочной среде по уравнению [45]:
(11)Предполагается, что процесс меднения определяется двумя реакциями:
а) дегидрогенизации формальдегида:
(12)б) последующего восстановления Сu (II) водородом
(13)Возможно, в реакции (13) участвует активный водород и даже атомный.
В последнее время высказывается мнение, что этот процесс носит каталитический и автокаталитический характер. Было установлено, что водород выделяется лишь в том случае, когда в растворе содержится кислород. После его удаления инертным газом выделение водорода прекращается. Отсюда можно сделать заключение что мы имеем дело с каталитическим окислением формальдегида кислородом:
Эта реакция при комнатной температуре заметно протекает лишь под влиянием катализатора, в данном случае — меди. Схема катализа:
Из этого следует, что на холоду металлическая медь не вызывает дегидрогенизации формальдегида и, следовательно, механизм восстановления Сu (II), предполагающий первой стадией именно дегидрогенизацию, маловероятен.
Предложен, кроме вышеуказанного, гидридный механизм, по которому на поверхности катализатора из формальдегида отщепляется отрицательный ион водорода Н- восстанавливающий Сu:
Для объяснения каталитического влияния металлической поверхности на процесс химического меднения предложена также электрохимическая теория, по которой на отдельных участках поверхности катализатора происходит катодное восстановление Сu(II) и анодное окисление СН3О. Катализатор служит для передачи электронов, переход которых от формальдегида к ионам меди затруднен.
2.5.2 Составы растворов химического меднения
Растворы химического меднения могут быть концентрированные (быстрого действия) и неконцентрированные (медленного действия). Концентрация солей двухвалентной меди, входящих в состав раствора, обеспечивает нужную скорость меднения.
Основным восстановителем является формальдегид, восстанавливающий медь на холоду. Как показывают исследования, скорость восстановления меди увеличивается с увеличением концентрации формальдегида, причем увеличение более значительно при небольших концентрациях СН3О. Кроме того, чем выше в растворе концентрация ионов меди, тем сильнее влияние концентрации формальдегида на скорость процесса меднения. В качестве восстановителей можно применять гипофосфит и гидразин, но они менее удобны, так как их восстановительные свойства проявляются лишь при повышенной температуре.
Важно учитывать рН раствора Растворы, в которых Си (II) восстанавливается гипофосфитом или гидросульфитом, являются обычно кислыми. Гидразин и формальдегид восстанавливают медь в щелочной среде. Восстанавливающая способность формальдегида увеличивается с повышением щелочности среды. Восстановление Сu (II) формальдегидом начинается лишь при рН> 11 и скорость восстановления увеличивается с повышением рН (рис. 11). Величина рН неконцентрированных растворов меднения обычно не ниже 12.0, а концентрированных — может быть 11.5.
Рис. 11. Зависимость скорости образования медного слоя от рН раствора: 1 – в присутствии соли никеля, 2 – без соли никеля.
Для растворения солей меди в щелочном растворе в нем должны присутствовать лиганды, которые связывают ионы меди в комплекс. С ионами меди образуют комплексы ионы гидроксила тартрата, оксалата карбоната, аммиак, глицерин, трилон Б и некоторые др. Комплексообразователи (лиганды) не только увеличивают растворимость солей меди в щелочной среде но и влияют на процесс восстановления ионов меди. Следовательно, вещества образующие прочные комплексы с ионами меди увеличивают устойчивость растворов химического меднения. Кроме того, комплексообразователи влияют на скорость каталитического восстановления меди и на физические свойства получаемого покрытия плотность, блеск, цвет и т.п. В качестве комплексообразователей и блескобразующих веществ могут быть использованы также аминоуксусные кислоты, этиленаминоуксусные кислоты. Самые распространенные комплексообразователи — тартраты (сегнетова соль) и глицерин.
Для облегчения образования покрытия и улучшения сцепления в раствор меднения рекомендуется вводить различные поверхностно-активные вещества (смачиватели), типа препарата «Прогресс», уменьшающие поверхностное натяжение и облегчающие выделение водорода в виде малых пузырьков.
На основании промышленного опыта применения растворов химического меднения при металлизации диэлектриков и в производстве печатных плат рекомендуются растворы, составы которых представлены в табл. 8.
Таблица 8
Растворы химического меднения
| Компоненты | Концентрация компонентов раствора | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Медь сернокислая (кристаллогидрат) | .10-15 | 25-35 | 25-35 |
| Сегнетова соль | 50-60 | 150-170 | |
| Гидроксид натрия | .10-15 | 40-50 | 30-40 |
| Натрий углекислый | .2-3 | 25-35 | 20-30 |
| Трилон Б | 80-90 | ||
| Фомалин (40%-ный), мл/л | 15-20 | 20-25 | 20-35 |
| Тиосульфат натрия | 0,005-0,001 | 0,002-0,003 | |
| Никель хлористый (кристаллогидрат) | .2-3 | .2-3 | |
| Роданин | 0,003-0,005 | ||
| Моющее средство "Прогресс" | 0,5-1,0 | ||
| Калий железосинеродистый | 0,1-0,15 | ||
Раствор 1 имеет скорость осаждения меди 0.8—1.0 мкм/ч при плотности загрузки 2—2.5 дм2/л. Раствор обладает высокой стабильностью но менее производителен из-за пониженной концентрации солеи меди.
Раствор 2 имеет скорость осаждения 2—4 мкм/ч при плотности загрузки 2—2.5 дм2/л. Раствор обладает большей производительностью, но меньшей стабильностью.
Раствор 3 отличается высокой стабильностью и допускает длительную эксплуатацию, что дает возможность получать в нем толстые слои меди.
Химическое меднение металлов пока не имеет широкого распространения так как механические свойства химически полученной меди хуже, чем электрохимической и поэтому химическое меднение металлов ограничено специальными случаями.
Практическое применение растворов химического меднения осложняется тем, что они являются неустойчивыми, продолжительность их использования иногда не превышает 1—2 ч. Неустойчивость растворов проявляется в том, что при некоторых условиях восстановление Сu(II) начинается не только на покрываемой поверхности, но и во всем объеме раствора. Так как реакция восстановления Сu (II) формальдегидом протекает автокаталитически, то соли меди и формальдегида быстро и непроизводительно расходуются и ванна выходит из строя.
В растворах химического меднения после длительного хранения происходит разложение формальдегида по реакции Канниццаро.
Поэтому растворы меднения обычно приготавливаются в виде отдельных растворов, которые смешиваются непосредственно перед меднением. В этих растворах формальдегид и щелочные вещества должны находиться раздельно. Соль меди может находиться с формальдегидом, так как в отсутствие щелочи восстановления меди не происходит.
Если в растворе присутствует металлическая медь, то при восстановлении меди на каталитической поверхности увеличивается склонность к восстановлению ее во всем объеме.
Можно перечислить следующие факторы, способствующие восстановлению меди во всем растворе:
1) повышение концентрации реагирующих веществ — двухвалентной меди, формальдегида и щелочи, повышение температуры, а также увеличение соотношения каталитической поверхности и объема, т.е. степени загрузки ванны.
2) недостаточное количество лиганда или лиганд, образующий слабый комплекс меди
3) присутствие в растворе катализатора восстановления меди частиц металлической меди, отрывающихся от покрытия, или частиц активатора, например, в случае, когда активированная поверхность не промывается;