金剛石表面化學(xué)鍍鎳前處理技術(shù)

金剛石表面化學(xué)鍍鎳前處理技術(shù)

0金剛石鍍覆的市場(chǎng)人造鉆石被稱為21世紀(jì)的高科技材料，其應(yīng)用范圍廣泛包括經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)方面。近年來(lái),隨著石材裝修行業(yè)進(jìn)入家庭,對(duì)工具的要求也越來(lái)越高。與普通金剛石相比,鍍覆金剛石能大幅提高工具的質(zhì)量和使用壽命,順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的需求,市場(chǎng)前景十分廣闊。金剛石鍍覆的方法很多,從鍍層組成來(lái)看,以鍍鈦及其合金、鎳及其合金、銅及其合金為主。目前鍍鎳金剛石量約占整個(gè)鍍覆金剛石量的一半,其市場(chǎng)容量相當(dāng)可觀。金剛石化學(xué)鍍鎳工藝的優(yōu)劣和成本的高低將直接決定金剛石鍍覆的質(zhì)量和利潤(rùn)空間,因此,金剛石表面化學(xué)鍍鎳工藝與鍍液壽命的研究對(duì)提高金剛石的利用率及制品壽命具有重大意義。1實(shí)驗(yàn)1.1等離子體原子發(fā)射光譜TG328A型分析天平,DU-20G型電熱恒溫水浴鍋,pHS-25型數(shù)顯酸度計(jì),85-1B型磁力攪拌器,PS-6型等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)。1.2實(shí)驗(yàn)用試劑及試劑實(shí)驗(yàn)采用JR1型(粒度70/80)和HWDR1型(粒度60/70)金剛石。實(shí)驗(yàn)所用試劑:氫氧化鈉,稀硝酸,氯化亞錫,氯化鈀,次磷酸鈉,硫酸鎳,檸檬酸鈉,醋酸鈉,乳酸。以上試劑均為分析純。1.3工藝堿洗除油→→水洗→→酸洗粗化→→敏化→→水洗→→活化→→水洗→→還原→→化學(xué)鍍鎳→→水洗→→烘干→→稱重1.4主要命令描述(1)堿性洗脫油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH,煮沸30min。(2)洗過(guò)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的稀硝酸,煮沸30min。(3)敏化SnCl2·2H2O20g/L,HCl40mL/L,室溫,攪拌5min。(4)激活激活PdCl20.5g/L,HCl10mL/L,煮沸至金剛石呈褐色。(5)恢復(fù)NaH2PO2·H2O20g/L,室溫,1min。(6)ph值的調(diào)節(jié)NiSO4·6H2O20～30g/L,NaH2PO2·H2O15～30g/L,Na3C6H5O7·2H2O10～20g/L,乳酸25～35g/L,醋酸鈉0～10g/L,硫脲0.5～1.0mg/L,用氨水調(diào)節(jié)pH值至4.5～5.5,85℃,每5min攪動(dòng)30s。2結(jié)果與討論2.1前處理?xiàng)l件的優(yōu)化金剛石是疏水性的非金屬材料,在化學(xué)鍍鎳液中不具備催化活性。因此,在化學(xué)鍍鎳前通過(guò)堿洗除去金剛石表面的污垢,通過(guò)強(qiáng)酸的腐蝕作用增強(qiáng)其表面的親水性,通過(guò)敏化活化處理使其表面產(chǎn)生化學(xué)鍍鎳所必須的催化活性中心。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):良好的前處理效果為后期獲得高質(zhì)量的化學(xué)鍍鎳層及較好的鍍液穩(wěn)定性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn):金剛石的品級(jí)越高,其敏化活化越困難。實(shí)驗(yàn)用HWDR1型金剛石在相同條件下的敏化活化效果明顯不如JR1型金剛石的。這可能是因?yàn)楦咂焚|(zhì)金剛石的晶形完整、雜質(zhì)少,其表面的親水性和吸附性差,敏化活化中產(chǎn)生的催化活性中心較少,在化學(xué)鍍鎳過(guò)程中施鍍困難,易出現(xiàn)漏鍍和鍍層黏附力差的現(xiàn)象。采用王水進(jìn)行親水處理,可以改善膠體鈀敏化活化的效果。2.2正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果以鍍速、鍍層的結(jié)合力、鍍液的穩(wěn)定性為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)金剛石化學(xué)鍍鎳工藝進(jìn)行正交優(yōu)化。選取主鹽與還原劑的質(zhì)量比、乳酸的質(zhì)量濃度、檸檬酸鈉的質(zhì)量濃度、pH值為4個(gè)因素,采用L9(34)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。其他參數(shù)為:NaH2PO2·H2O30g/L,醋酸鈉10g/L,硫脲1mg/L,85℃,1h,裝載量(JR1型金剛石)20g/L。由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到金剛石化學(xué)鍍鎳的最優(yōu)方案為:mNiSO4·6H2O∶mNaH2PO2·H2O1,乳酸30g/L,檸檬酸鈉15g/L,pH值4.5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道相吻合:主鹽與還原劑的質(zhì)量比是影響鍍速的主要因素;乳酸-檸檬酸鈉雙配位劑在保障鍍速的前提下有效地提高了鍍液的穩(wěn)定性;酸性化學(xué)鍍鎳時(shí),pH值越高,鍍速越大,但鍍液的穩(wěn)定性越差。2.3配方優(yōu)化試驗(yàn)為降低鍍覆金剛石的成本及廢舊鍍液對(duì)環(huán)境的污染,需盡可能地提高鍍液的使用壽命。因此,化學(xué)鍍鎳液的穩(wěn)定性及壽命問(wèn)題已引起廣泛關(guān)注。酸性鍍液中次磷酸鈉還原鎳的反應(yīng)如式(1)所示,產(chǎn)物以H2PO-3為主。在還原鎳的同時(shí)還會(huì)發(fā)生式(2)所示的副反應(yīng)。H2PO?2+Ni2++H2O→催化H2PO?3+Ni+2H+(1)3H2PO?2+2H+→2P+H2PO?3+3H2O(2)Η2ΡΟ2-+Νi2++Η2Ο→催化Η2ΡΟ3-+Νi+2Η+(1)3Η2ΡΟ2-+2Η+→2Ρ+Η2ΡΟ3-+3Η2Ο(2)由反應(yīng)式可知:每生成1molNi消耗4molH2PO-2,產(chǎn)生2molH2PO-3。鍍液中H2PO-3的積累將迅速降低化學(xué)鍍鎳的沉積速率,同時(shí)還會(huì)與鍍液中的Ni2+生成溶解度很小的亞磷酸鎳沉淀,使鍍液渾濁,鍍層粗糙無(wú)光,甚至造成鍍液分解。配位劑的添加能有效降低鍍液中游離Ni2+的質(zhì)量濃度,阻止亞磷酸鎳沉淀的生成。因此,配位劑是穩(wěn)定鍍液、延長(zhǎng)鍍液壽命的重要因素。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):乳酸作配位劑時(shí),鍍速較大,鍍層粗糙,鍍液的穩(wěn)定性差;檸檬酸鈉作配位劑時(shí),鍍速慢,但鍍液的穩(wěn)定性好。不同配位劑對(duì)鍍速的影響,究其原因是配位物的穩(wěn)定常數(shù)不同,導(dǎo)致游離Ni2+的質(zhì)量濃度不同。考慮到乳酸和檸檬酸鈉在鍍速和穩(wěn)定鍍液方面的互補(bǔ)性,實(shí)驗(yàn)采用乳酸和檸檬酸鈉雙配位劑配方來(lái)增強(qiáng)鍍液的穩(wěn)定性,同時(shí)添加微量的硫脲作為穩(wěn)定劑。由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:乳酸和檸檬酸鈉比例適當(dāng)時(shí),能有效地穩(wěn)定鍍液,延長(zhǎng)鍍液的壽命。隨著施鍍的進(jìn)行,鍍液中Ni2+和H2PO-2的質(zhì)量濃度降低,鍍速下降。當(dāng)主鹽的質(zhì)量濃度很低時(shí)甚至無(wú)起鍍,同時(shí)伴隨著鍍液中無(wú)效離子的積累,鍍液的穩(wěn)定性降低。施鍍過(guò)程中定期檢測(cè)鍍液組成,及時(shí)補(bǔ)加消耗成分是保持鍍液穩(wěn)定、延長(zhǎng)其壽命的重要手段。實(shí)驗(yàn)利用原子發(fā)射光譜儀定期檢測(cè)鍍液組成,通過(guò)間隔取液法延長(zhǎng)鍍液壽命,達(dá)到鍍液循環(huán)利用的目的。各物質(zhì)的添加原則為:每隔1h調(diào)整一次鍍液;金剛石每增重1g添加次磷酸鈉6～7g;其余配位劑、穩(wěn)定劑按原配方的3%補(bǔ)加。實(shí)驗(yàn)表明:按最優(yōu)配方,采用定期補(bǔ)加、間隔取液法延長(zhǎng)鍍液壽命,施鍍10個(gè)周期時(shí)鍍液仍澄清透明,鍍速無(wú)明顯下降,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。需要指出的是:在做周期實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,需定期過(guò)濾鍍液中的沉淀,防止鍍液自分解。3最優(yōu)設(shè)備的確定(1)良好的前處理效果為獲得高質(zhì)量的金剛石化學(xué)鍍鎳層奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),同時(shí)有助于提高鍍液的穩(wěn)定性。(2)經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)確定的最優(yōu)方案為:mNiSO4