一种碳纤维基高性能织物的电镀处理工艺
阅读说明：本技术 一种碳纤维基高性能织物的电镀处理工艺 (Electroplating treatment process of carbon fiber-based high-performance fabric ) 是由 张丽 马晓飞 张志成 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种碳纤维基高性能织物的电镀处理工艺,涉及电镀纤维织物技术领域,本发明利用自行研发的电镀液在碳纤维织物表面进行铁、镍镀覆,铁、镍属于正温度系数金属材料,在显著提高导电性的同时,其电阻率随自身温度升高而增大,使碳纤维织物在低温条件下升温速率快、高温条件下升温减缓甚至停止升温,实现碳纤维织物的可控自动加热,满足人们对电致发热纺织品的使用需求。(The invention discloses an electroplating treatment process of a carbon fiber-based high-performance fabric, which relates to the technical field of electroplating fiber fabrics, and is characterized in that iron and nickel are plated on the surface of the carbon fiber fabric by utilizing self-developed electroplating liquid, wherein the iron and the nickel belong to positive temperature coefficient metal materials, the electrical resistivity of the carbon fiber fabric is increased along with the increase of the self temperature while the electrical conductivity is obviously improved, so that the temperature rise rate of the carbon fiber fabric is high under the low-temperature condition, the temperature rise is slowed down or even stopped under the high-temperature condition, the controllable automatic heating of the carbon fiber fabric is realized, and the use requirements of people on electro-heating textiles are met.)
技术领域
：本发明涉及电镀纤维织物技术领域，具体涉及一种碳纤维基高性能织物的电镀处理工艺。
背景技术
：碳纤维具有强度大、质量轻、抗高温、耐腐蚀、电热转化率高的优良特性，又兼备纺织纤维的柔软及可加工性，碳纤维及其织物已成为国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料。我国碳纤维织物的消费量与日俱增，市场需求旺盛，随着下游需求日益增长，碳纤维行业产能将持续扩大。碳纤维具有优异的导电性和导热性，且介电损耗强、阻抗可调，是制备高性能电致发热织物和电磁屏蔽织物的理想原料，在民用和军事领域均拥有广泛的用途。
然而，碳纤维的电阻温度系数较低，难以实现温度的自适应调节；同时碳纤维的电磁反射率高，容易造成环境的二次电磁辐射伤害，另外磁导率低，吸收频带窄。进一步解决碳纤维的本体结构缺陷，提升电致发热和电磁屏蔽织物的整体性能，对促进我国电致发热和电磁屏蔽领域的产品升级、技术进步及行业结构调整起到关键作用。
发明人采用电镀法在碳纤维表面镀覆正温度系数(PTC)金属材料进行功能改性以提高碳纤维织物的导电性，而电镀液的组成直接影响电镀工序的实施和所形成镀层的性能，因此需要根据电镀工序的实施要求和镀层的使用性能要求来进行电镀液组成的设计与筛选，并且各组成的配比也会影响电镀工序的实施和所形成镀层的性能。
发明内容
：本发明所要解决的技术问题在于提供一种碳纤维基高性能织物的电镀处理工艺，包括配制电镀液和电镀处理两个工艺步骤，显著提高碳纤维织物的导电性，并使碳纤维织物具有在低温条件下升温速率快、高温条件下升温减缓甚至停止升温的特点，从而适用于电致发热纺织品的加工。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
本发明的一个目的是提供一种碳纤维基高性能织物的电镀处理工艺，包括以下步骤：
(1)按照以下组成和浓度配制电镀液：硫酸镍100-200g/L、硫酸亚铁10-30g/L、氯化钠20-50g/L、硼酸20-50g/L、柠檬酸钠10-30g/L、糖精2-5g/L、苯亚磺酸钠0.1-1g/L，室温下使用去离子水进行配制，搅拌均匀；
(2)将经预处理后的碳纤维织物作为阴极，用铂片作为对电极，将电镀液倒入电镀槽中，通过水浴加热控制电镀液温度；调整脉冲电源参数，固定电极，启动电源，开始在碳纤维织物上进行金属镀覆，控制镀覆时间；关闭电源，取出碳纤维织物，用去离子水冲洗，干燥。
所述预处理包括除胶、粗化、敏化和活化。
所述铂片的尺寸与碳纤维织物相同。
所述电镀液温度控制在60±1℃。
所述电镀在搅拌下进行以保证电镀液的均匀性。
所述镀覆时间控制为15-30min。
所述干燥在真空烘箱中进行。
所述脉冲电源参数为ton＝0.2-0.5ms，toff＝0.7-1ms，电流密度为1-3A/dm2。
本发明还对电镀液的组成进行了调整，添加乙酰丙酮钙作为镀层细化剂，通过细化晶粒来进一步改善镀层的使用性能。乙酰丙酮钙是发明人经过多年研究发现的可以作为本发明镀层细化剂的添加剂，而乙酰丙酮钙的已知常规用途是作为热稳定剂、光稳定剂和抗氧剂，因此乙酰丙酮钙的公知用途无法给出将其作为本发明甚至本领域的镀层细化剂的技术启示。分析原因可能是形成了异质形核，起到细化晶粒的作用。
本发明的第二个目的是提供一种碳纤维基高性能织物的电镀处理工艺，包括以下步骤：
(1)按照以下组成和浓度配制电镀液：硫酸镍100-200g/L、硫酸亚铁10-30g/L、氯化钠20-50g/L、硼酸20-50g/L、柠檬酸钠10-30g/L、乙酰丙酮钙5-20g/L、糖精2-5g/L、苯亚磺酸钠0.1-1g/L，室温下使用去离子水进行配制，搅拌均匀；
(2)将经预处理后的碳纤维织物作为阴极，用铂片作为对电极，将电镀液倒入电镀槽中，通过水浴加热控制电镀液温度；调整脉冲电源参数，固定电极，启动电源，开始在碳纤维织物上进行金属镀覆，控制镀覆时间；关闭电源，取出碳纤维织物，用去离子水冲洗，干燥。
所述预处理包括除胶、粗化、敏化和活化。
所述铂片的尺寸与碳纤维织物相同。
所述电镀液温度控制在60±1℃。
所述电镀在搅拌下进行以保证电镀液的均匀性。
所述镀覆时间控制为15-30min。
所述干燥在真空烘箱中进行。
所述脉冲电源参数为ton＝0.2-0.5ms，toff＝0.7-1ms，电流密度为1-3A/dm2。
本发明进一步对电镀液的组成进行了调整，添加聚乙烯吡咯烷酮作为应力消除剂，通过降低内应力来进一步改善镀层的使用性能。聚乙烯吡咯烷酮是发明人在研发过程中误加入的添加剂，却意外发现聚乙烯吡咯烷酮的加入可以消除镀层的内应力，从而改善镀层的使用性能，分析原因可能是利用了聚乙烯吡咯烷酮的特殊分子链结构和性质。
本发明的第三个目的是提供一种碳纤维基高性能织物的电镀处理工艺，包括以下步骤：
(1)按照以下组成和浓度配制电镀液：硫酸镍100-200g/L、硫酸亚铁10-30g/L、氯化钠20-50g/L、硼酸20-50g/L、柠檬酸钠10-30g/L、聚乙烯吡咯烷酮5-20g/L、糖精2-5g/L、苯亚磺酸钠0.1-1g/L，室温下使用去离子水进行配制，搅拌均匀；
(2)将经预处理后的碳纤维织物作为阴极，用铂片作为对电极，将电镀液倒入电镀槽中，通过水浴加热控制电镀液温度；调整脉冲电源参数，固定电极，启动电源，开始在碳纤维织物上进行金属镀覆，控制镀覆时间；关闭电源，取出碳纤维织物，用去离子水冲洗，干燥。
所述预处理包括除胶、粗化、敏化和活化。
所述铂片的尺寸与碳纤维织物相同。
所述电镀液温度控制在60±1℃。
所述电镀在搅拌下进行以保证电镀液的均匀性。
所述镀覆时间控制为15-30min。
所述干燥在真空烘箱中进行。
所述脉冲电源参数为ton＝0.2-0.5ms，toff＝0.7-1ms，电流密度为1-3A/dm2。
从电镀液的组成来说，各组分的作用如下：
(1)硫酸镍和硫酸亚铁属于主盐，能够在阴极上沉积出所要求的镀层金属，即在碳纤维织物表面进行铁、镍镀覆。
(2)氯化钠属于导电盐，作用是提高溶液的电导率，而对放电金属离子不起络合作用的物质。
(3)硼酸属于缓冲剂，用来稳定溶液的pH值，对提高阴极极化有一定的作用，也有利于提高电镀液的分散能力和镀层质量。
(4)柠檬酸钠属于络合剂，在溶液中能与金属离子生成络合物，而游离的络合剂能使阴极极化增加，使镀层结晶细化，改善电镀液的分散能力和覆盖能力，也起到缓冲剂的作用。
(5)糖精和苯亚磺酸钠属于添加剂中的光亮剂，能使镀层产生光亮，降低镀层的晶粒尺寸，提高镀层的延展性。
(6)乙酰丙酮钙属于添加剂中的镀层细化剂，能改变镀层的结晶状况，细化晶粒，使镀层致密并具有光泽。
(7)聚乙烯吡咯烷酮属于添加剂中的应力消除剂，能降低镀层内应力，提高镀层韧性，因为内应力高的镀层结合力不好。
添加剂虽然在镀液中含量很低，但对镀液和镀层性能却有着显著的影响。
本发明的有益效果是：本发明利用自行研发的电镀液在碳纤维织物表面进行铁、镍镀覆，铁、镍属于正温度系数金属材料，在显著提高导电性的同时，其电阻率随自身温度升高而增大，使碳纤维织物在低温条件下升温速率快、高温条件下升温减缓甚至停止升温，实现碳纤维织物的可控自动加热，满足人们对电致发热纺织品的使用需求。
具体实施方式
：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
以下实施例和对比例中碳纤维织物的预处理参照专利CN 112144272A《一种碳纤维化学镀镍表面改性的方法》实施例1的预处理方法。
实施例1
糖精3g/L，苯亚磺酸钠0.3g/L，室温下使用去离子水制备所需的电解液，搅拌均匀
(1)按照以下组成和浓度配制电镀液：硫酸镍120g/L、硫酸亚铁20g/L、氯化钠30g/L、硼酸40g/L、柠檬酸钠20g/L、糖精3g/L、苯亚磺酸钠0.3g/L，室温下使用去离子水进行配制，搅拌均匀。
(2)将经预处理后的碳纤维织物作为阴极，用相同尺寸的铂片作为对电极，将电镀液倒入电镀槽中，通过水浴加热控制电镀液温度在60±1℃，搅拌以保证电镀液的均匀性；调整脉冲电源参数，ton＝0.3ms，toff＝0.7ms，电流密度为2A/dm2’固定电极，启动电源，开始在碳纤维织物上进行金属镀覆，控制镀覆时间在30min；关闭电源，取出碳纤维织物，用去离子水冲洗，在真空烘箱中干燥。
实施例2
(1)按照以下组成和浓度配制电镀液：硫酸镍150g/L、硫酸亚铁10g/L、氯化钠25g/L、硼酸32g/L、柠檬酸钠25g/L、糖精3g/L、苯亚磺酸钠0.5g/L，室温下使用去离子水进行配制，搅拌均匀。
(2)将经预处理后的碳纤维织物作为阴极，用相同尺寸的铂片作为对电极，将电镀液倒入电镀槽中，通过水浴加热控制电镀液温度在60±1℃，搅拌以保证电镀液的均匀性；调整脉冲电源参数，ton＝0.3ms，toff＝0.7ms，电流密度为2A/dm2’固定电极，启动电源，开始在碳纤维织物上进行金属镀覆，控制镀覆时间在20min；关闭电源，取出碳纤维织物，用去离子水冲洗，在真空烘箱中干燥。
实施例3
(1)按照以下组成和浓度配制电镀液：硫酸镍100g/L、硫酸亚铁30g/L、氯化钠30g/L、硼酸30g/L、柠檬酸钠18g/L、糖精2g/L、苯亚磺酸钠0.2g/L，室温下使用去离子水进行配制，搅拌均匀。
(2)将经预处理后的碳纤维织物作为阴极，用相同尺寸的铂片作为对电极，将电镀液倒入电镀槽中，通过水浴加热控制电镀液温度在60±1℃，搅拌以保证电镀液的均匀性；调整脉冲电源参数，ton＝0.3ms，toff＝0.7ms，电流密度为2A/dm2’固定电极，启动电源，开始在碳纤维织物上进行金属镀覆，控制镀覆时间在30min；关闭电源，取出碳纤维织物，用去离子水冲洗，在真空烘箱中干燥。
实施例4
实施例4是在实施例1的基础上在电镀液中额外添加乙酰丙酮钙8g/L作为镀层细化剂，其余步骤完全同实施例1。
实施例5
实施例5是在实施例1的基础上在电镀液中额外添加聚乙烯吡咯烷酮10g/L作为应力消除剂，其余步骤完全同实施例1。
对比例1
对比例1是将实施例4中的镀层细化剂替换为等质量浓度的二季戊四醇，其余步骤完全同实施例4。二季戊四醇属于本领域已知的镀层细化剂。
对比例2
对比例2是将实施例5中的应力消除剂替换为等质量浓度的香豆素，其余步骤完全同实施例5。香豆素属于本领域已知的应力消除剂。
对实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、对比例1制备的表面电镀铁和镍的碳纤维织物进行电阻率的测定，电阻率越小，说明导电性越好。
按照GB/T 32993-2016测定体积电阻率，结果见表1
表1
由表1可以得知，乙酰丙酮钙通过细化镀层晶粒来改善导电性能。
对实施例1、实施例2、实施例3、实施例5、对比例2备的表面电镀铁和镍的碳纤维织物进行镀层内应力的测定，通过测定镀层的附着强度来反映镀层与碳纤维织物的结合力进而反映镀层内应力的大小。内应力越高，镀层结合力越差。
按照GB/T 5270-2005划线法测定镀层的附着强度，结果见表2。
表2
附着强度/MPa
实施例1
25.4
实施例2
23.0
实施例3
24.3
实施例5
28.9
对比例2
26.5
由表2可以得知，实施例5的镀层附着强度最高，说明聚乙烯吡咯烷酮的内应力消除效果最好。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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