硅灰石的化学镀镍及其导电性能宰wollastonite

 硅灰石的化学镀镍及其导电性能宰

摘要：采用化学镀方法制备镀镍针状硅灰石粉，以SEM表征镀镍粉的形貌，XRD表征其结构，柱塞式装置评价其导电性。结果表明：当溶液pH值大于1.5时与硅灰石反应8min，酸性溶液对硅灰石表面的侵蚀不明显。化学镀镍过程中，硅灰石分别经pH值为3.0的敏化液和液处理3min和Smin，镀镍硅灰石保持原有的针状结构，表层包覆镍合垒，具有良好的导电性。

无机粉体经化学镀金属化后，具有良好的导电性，在电磁、抗静电、复合导电功能材料领域，具有广阔的应用前景。目前，用化学镀处理使粉末表层金属化的无机粉体，包括SiC、Al203. Zr02.Fe3O4、Si02、石墨、金刚石、玻璃、云母、蒙脱石、莫来石等，但对廉价硅灰石化学镀的研究仍鲜见报道。可能的顾虑是，硅灰石的主要成分为偏硅酸钙，而化学镀的敏化和溶液多呈酸性，硅灰石易与酸反应而溶解，甚至文献中有采用硅灰石与反应制备白炭黑的报道。针状硅灰石粉末是绝缘体，若制成针状导电粉末，将能拓展其应用范围。因此，本试验首先研究酸性溶液对针状硅灰石形貌的侵蚀状况，然后选择合适的条件对其进行化学镀镍，研究镀镍硅灰石的结构和电性能。

1  实验方法

1.1  试验原料与试剂  硅灰石原料，购自江西省上高县华杰泰矿纤辩技有限公司，1000目针状粉体，熔点1540℃，密度为2.87～3.09g/cm3。其化学组成: Si02,49～52; Ca0244~47; Fe203,≤0.2; Al203,≤0.12; Mg02≤2.5;S,≤0.001;P,≤0.001。录化镍(NiCl2．6H2O)，分析纯，上海试剂总厂；次亚零酸钠(NaHPO2．H2O)，分析纯，浙江红旗试剂化工厂；录化铵NH4CI)，分析纯，天津市大茂化学试剂厂柠福建省青年科技人才创新项目资金资助（编号2002J020）檬酸三钠cC。HsNa，0，．2H：O)，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；录化亚锡(SnCI：2H20)，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；录化钯，分析纯，国药集团上海化学试剂公司；氢氧化铺，分析纯，国药集团上海化学试剂公司；安水，分析纯，上海试剂总厂；分析纯，广州化学试剂厂。

1.2  硅灰石的侵蚀实验根据化学镀的通常状况，假定敏化和酸性溶液处理总时间为8min，温度为56士1℃。先用不同pH值与硅灰石进行反应，以确定敏化过程合适的pH值范围，然后按通常的化学镀程序对硅灰右粉镀镍。将1.5g硅灰石粉倒入500ml烧杯，放进超声振荡器中，分鄹与pH值等于3.0、2.1、1.2和0.5左右的lOOml溶液反应，反应过程中滴加稀使pH值恒定。在56±l℃F反应8min后，将硅灰石粉迅速取出并洗净，用400倍显微镜观察其形貌变化。

1.3  硅灰石表面的化学镀镍称取12.Og硅灰，在360r/min的机械搅拌和超声振荡(频率4kHz，功率160W)条件下，分别用500ml各种处理液进行碱洗、敏化，其工艺参数见表l。根据硅灰石侵蚀实验结果和兼顾反复使用的处中硅酸盐的可能累积，选择预处理的敏化与反应过程中的pH值为3.0左右。硅灰石化学镀镍时，温度控制在75～85℃，镀液的配方见表2。将硅灰石粉缓慢倒入配好的lOOOml镀液中，1min后镍沉积开始，整个溶液呈沸腾状，镀液逐渐由蓝变为黑色，并有大量气泡产生。沸腾状态持续几分钟后停止，沉积过程基本结束。在实验过程中，为增加镀层的厚度，每Smin滴加2倍浓缩镀液20ml，并通过滴加25的安水，稳定溶液的pH值在8.5左右。施镀45min后，将镀液静置一段时间，在烧杯底部沉积出一层黑色粉末。此产物经蒸馏水清洗五遍，放入真空干燥箱烘干，然后冷确，即得镀镍硅灰石粉体。1.4  镀镍硅灰石粉的电性能和结构表征将lg镀镍粉倒入内径为11.70mm的尼龙圆筒中，并插入配合良好的铜电及，其两端分别与HF2512B型智能直流电阻仪的两端电及连接，然后把柱塞系统安装在{wn}试验机上，以5N/s的速度加载，每隔50N记录一次压力和电阻数据。

粉末衍射仪（日本岛津公司），射线为CuKa，加速电压35kV，管电流20mA，扫描速度为80/min。电镜测试采用JEOL -6700F场发射电镜进行图像扫描和能谱分析。

2结果与讨论

2.1 pH值对硅灰石形貌的影响硅灰石与一系列不同pH值(2.1、1,2和0.5)的溶液，在56℃F反应8min后的400倍显微照片，见图l。当pH值≥2.1时，针状硅灰石形貌没有变化，其表面光滑。当pH值在1.2时，硅灰石与溶液的反应明显加速，部分针状颗粒的表面变得粗糙，出明显的侵蚀，但仍保持针状形态。而当溶液pH值下降为0.5时，硅灰石速度很快，反应8min就能对硅灰石产生严重侵蚀，针状尺寸显著减小，甚至斯裂。上述试验表明，pH值小于2.1反应8min时，能对硅灰石表面产生明显的侵蚀，同时生成硅氧化合物混入处理液。因此，化学镀的敏化液的pH值以3.0左右为宜。2.2  硅灰石化学镀镍过程的形貌变化预处理和化学镀镍过程中，硅灰石的形貌变化，见图2。硅灰石经碱清洗和敏化液处理后，其表面未发生明显侵蚀；再经液处理后，仍保持针状形态，但表面略变粗糙。化学镀镍后，硅灰石粉表面发黑，但仍保持良好的针状形态。可见，当预处理的敏化过程的pH值等于3.0时，硅灰石的化学侵蚀基本可忽略，能获得形态完整的镀镍针状硅灰石粉。

2.3  镀镍硅灰石的结构分析镀镍硅灰石粉的

XRD图谱，见图3。图中衍射曲线没有出现明显的硅灰石结晶衍射峰，表明镀镍硅灰石粉表面基本上被其它结晶物质包覆。衍射曲线20角在44.6。有很强的吸收峰，52.0。也有弱吸收峰，它们分别对应金镍的[Ill]和[200]晶面的衍射吸收蜂，证实硅灰石表面存在大量的镍金属。由于52.0。衍射峰吸收较弱，说明镀层中存在零元素并与镍形成镍零合金㈣。镀镍硅灰石粉的XRD衍射峰较宽，表明镀层 镍零含金以微晶的形式存在。

粉末的径向尺寸和长度分别分布在5~25Ltm和 70～220Um之阀。高倍电镜照片显示，硅灰石粉表面的镍层由颗粒状的镍单质堆积而成，颗粒的直径约为150～300nm。镀镍硅灰石表面的能谱分析证实了大量镍和零元素的存在，其原子比约为9.6：1(图5)，能谱中有少量的钙、硅和氧元素存在，其原因可能是镍镀层较薄。  图3镀镍硅灰石粉XRD图谱镀镍硅灰石粉电镜照片，见图4。由图可知，粉末的径向尺寸和长度别分布在5~25Ltm和 70～220tm之间。高倍电镜照片显示，硅灰石粉表面的镍层由颗粒状的镍单质堆积而成，颗粒的直径约为150～300nm。镀镍硅灰石表面的能谱分析证实了大量镍和零元素的存在，其原子比约为9.6：1(图 5)，能谱中有少量的钙、硅和氧元素存在，其原因可能是镍镀层较薄。  

2.4  镀镍硅灰石粉的导电性镀镍硅灰石粉具有良好的导电性，其lg粉末的电阻，压力变化曲线见图6。

由图可知，随着压力的曾大，粉密实度增加，导电性曾大，高压力下的测试结果接近粉末本体材料的导电率。在50N载荷下，lg镀镍硅友石粉测试的电阻为0.03Q,在2000N压力下则为.0017Q。而N990炭黑粒子直径为0.2-0.6μm，热处理后导电性增强。在50N载荷下lg热处理N990炭黑的电阻为0.243，2000N下变.0256Q。可见，镀镍硅灰石粉电阻率是热处理N990炭黑的1/15.1，其电阻率估算值为0.0055Qcm。

3结论

控制化学镀过程中敏化处理液的pH值为3.0、处理温度分别为室温和56℃以及处理的PH值为8min，能防止硅灰石粉反应侵蚀，使镀镍硅灰石保持原有的针状形态。硅灰石镀镍后，针状表面包覆了150～300nm的镍零合金粒子，具有较高的导电性，其电导率比热处理过的N990炭黑高出14.1倍。镀镍针状硅灰石粉兼有高的长径比和良好的导电性，因此，可用于制备具有电磁平蔽特性的高导电性塑料、抗静电塑料和具有正温度系数电阻突变(PTC)的功能复合材料等。