تحقیق مقاله بررسی چسبندگی پوشش الکترولس به زیر لایه پلاستیکی در فرایند آبکاری پلاستیک ها

چکیده :

در اواخر دهه 1970 استفاده از پلاستیکهای آبکاری شده به منظور کاهش وزن و ایجاد پوششهای تزئینی بر روی برخی از قطعات خودرو اهمیت یافتند. هم زمان با آن توسعه صنعت الکترونیک استفاده از پلاستیکهای آبکاری شده در ساخت صفحات مدارهای چاپی به منظور ایجاد خاصیت هدایت الکتریکی اهمیت یبشتری یافت، به طوری که با پیشرفت روز افزون این صنعت، بررسی خواص چسبندگی پوششهای فلزی به زیر لایه پلاستیکی مهم به نظر می‌رسند.

در این تحقیق ضمن معرفی فرآیند آبکاری پلاستیکها به بررسی برخی از عوامل موثر بر چسبندگی پوشش به زیر لایه پرداخته شده، به طوری که عواملی نظیر خواص فیزیکی و شیمیایی پوششهای فلزی، چگونگی آماده ساختن زیرلایه پلاستیکی و خواص فیزیکی و شیمیایی زیر لایه پلاستیکی به عنوان مهم ترین عوامل موثر بر چسبندگی پوششهای فلزی به زیر لایه پلاستیکی ارزیابی شده اند.

 

1- اهمیت آبکاری پلاستیکها

استفاده از قطعات پلاستیکی آبکاری شده در اواخر دهه 1970 در صنایع مختلف گسترش چشمگیری یافت، به طوری که به سرعت در صنایعی نظیر خودرو سازی، الکترونیک و مصارف تزئینی به ویژه تولید وسایل خانگی کاربرد وسیعی یافتند[1]. مثالهایی که از این کاربردها در ادامه آورده شده است.

الف – صنعت خودرو

پلاستیکهای آبکاری شده هم به منظور زیبایی و هم به منظور افزایش مقاومت به خوردگی در قسمتهای مختلف خودرو استفاده می‌شوند. به عنوان مثال برخی از پلاستیکهای آبکاری شده مقاوم به سایش نظیر پلی اورتان در قسمت‌های داخلی اتومبیل استفاده شده‌اند، ضمن این که از قطعات پلاستیکی آبکاری شده که دارای خاصیت مقاومت به ضربه باشند نیز می‌توان در سپرهای خودرو استفاده کرد. در شکل (1) نمونه ای از این کاربرد نشان داده شده است.

ب – صنعت الکترونیک

در صنعت الکترونیک ، آبکاری پلاستیکها به منظور ایجاد خاصیت هدایت الکتریکی انجام می شود که نمونه بارز این کاربرد در ساخت صفحات مدارهای چاپی (P.C.B) Printed Circuit Board می‌باشد [2] .

شکل (2) نمونه ای از این کاربرد را در ساخت صفحات مدارهای چاپی نشان می‌دهد.

 

ج – جنبه های تزئینی

استفاده از پلاستیکهای آبکاری شده به دلیل خاصیت مقاومت به خراش و خواص زینتی پوششهای ایجاد شده به طور وسیع در تولید وسایل خانگی مورد توجه قرار گرفته اند.[1]

درشکل (3) نمونه‌ای از این کاربرد نشان داده شده است.

2- معرفی پوشش الکترولس

آبکاری الکترولس عبارت است از احیاء شیمیایی با اتوکاتالیتیکی یونهای فلزی موجود در وان الکترولس بر روی سطح قطعات. در این فرایند پوششی یکنواخت از فلز مورد نظر به وسیله یک سری واکنشهای شیمیایی بر روی سطح قطعه ایجاد می‌شود.

پرمصرف ترین پوشش‌های فلزی که در آبکاری الکترولس مورد استفاده قرار می‌گیرند، مس و نیکل می‌باشند. که درادامه به مکانیزم اصلی عملیات آبکاری الکترولس نیکل اشاره می‌شود[3].

3- اجزاء حمام الکترولس

به طور کلی در حمام الکترولس هشت جزء وجود دارد:

3-1- منبع یونهای نیکل

متداول‌ترین نمکهای به کار رفته در فرایند الکترولس نیکل، سولفات نیکل و کلرید نیکل می‌باشند، به طوری که غلظت یونهای نیکل در حمام‌های اسیدی بین 4 تا 10 گرم در لیتر می‌باشند. [4و5]

3-2- هیپوفسفیت سدیم

این ماده یونهای نیکل را در محلول به شکل عنصر، احیاء می کند به طوری که در طی فرایند احیاء آنیونهای هیپوفسفیت به ارتوفسفیت تجزیه شده و گاز هیدروژن ایجاد می‌گردد. ضمن آن که درصد فسفر تا حدود 15 درصد نیز در رسوب نیکل ظاهر می‌شود. [3]

3-3- بافر ها

وظیفه بافر ها جلوگیری از تغییرات PH در حمام می‌باشد به طوری که از افزایش بیش از حد اسیدیته محلول در طی رسوب گذاری جلوگیری می‌کنند.[3]

3-4- کمپلکس کننده ها

این اجزاء تقریباً اسیدهای آلی بوده که معمولاً دی کربوکسیلاتها می‌باشند. این مواد تاثیر دو گانه ای دارند زیرا اولا باعث کاهش نرخ رسوب گذاری شده، ثانیاً همانند یک بافر عمل می کنند[3].

3-5- شتاب دهنده ها

شتاب دهنده‌هایی نظیر ترکیبات فلوئوریدی و تیواوره در حد ppm2 تا 20 باعث افزایش نرخ رسوب گذاری می‌شوند [4].

 

3-6- پایدار کننده ها

وظیفه پایدار کننده‌هایی نظیر ترکیبات سرب، کادمیم و روی یا ترکیبات سیانیدی در حد ppm1 تا 10 این است که از تجزیه خود به خودی حمام در اثر حرارت اضافی یا وجود عناصر ناخالصی (ذرات گرد وغبار) جلوگیری می‌کنند.[3]

3-7- عوامل تر کننده :

این مواد باعث کاهش کشش سطحی حبابهای گازی ایجاد شده در حمام می شوند و از ایجاد حفرات گازی بر روی رسوب جلوگیری می‌کنند[3].

3-8- متعادل کننده ها:

این مواد باعث افزایش نرخ رسوب گذاری به وسیله تبدیل یون ارتوفسفیت به هیپوفسفیت می شوند[3].

4- معرفی پروسه آبکاری پلاستیکها

عمده فرایند آبکاری پلاستیکها مربوط به عملیات پیش از آبکاری است، به طوری که از هفت مرحله پروسه مربوط به آبکاری پلاستیکها به روشهای متداول (مانند الکتروپلیت یا الکترولس) امکان پذیر گردد[1].

این مراحل عبارتند از :

الف – آمده سازی اولیه

در این مرحله عملیات تمیز سازی سطح و چربی زدایی به وسیله محلول‌های اسیدی و قلیایی انجام می‌شود [6].

ب- اچ کردن

هدف از این مرحله افزایش انرژی سطحی قطعه پلاستیکی و ایجاد زیری میکروسکوپی و تغییرات شیمیایی در سطح پلاستیک می‌باشد که در نهایت قطعه پلاستیکی آماده پذیرش رسوب فلزی با چسبندگی مناسب می شود. درواقع وظیفه ماده اچ کننده جدا کردن یک ماده پلیمری فعال از سطح پلاستیک و یا تغییر در شیمی سطح پلاستیک می‌باشد. به عنوان مثال در مورد پلیمر اکریلونیتریل بوتادین استایرن (A.B.S) ‏ ، ذرات بوتادین به وسیله محلول اچ اکسید شده و در محلول حل می‌شوند و درنهایت حفرات میکروسکوپی در سطح قطعه به وجود می آیند. محلول اچ کننده مورد استفاده در این حالت ترکیبی از اسید سولفوریک واسید کرمیک می‌باشد[1و6].

ج – اچ کردن

در این مرحله به منظرو برطرف کردن یونهای کرم شش ظرفیتی باقی مانده ناشی از مرحله اچ کردن، از اسید کلریدریک رقیق استفاده می شود[1و6].

د- کاتالیز کردن ( فعال سازی)

در این مرحله مقدار کمی پالادیم یا نقره همراه با ترکیبات قلع روی سطح پلاستیک به صورت شیمیایی رسوب می کند.

پالادیم ممکن است به روش تک مرحله ای یا دو مرحله ای روی سطح رسوب کند. در  روش دو محرله ای از دو حمام جداگانه حاوی ترکیبات قلع و ترکیبات پالادیم استفاده می شود، ولی در روش تک مرحله ای عملیات فعال سازی در یک حمام جداگانه حاوی ترکیبات قلع و ترکیبات پالادیم اسفتاده می شود، ولی در روش تک مرحله ای عملیات فعال سازی در یک حمام حاوی ترکیبات قلع و پالادیم انجام می‌شود. [1و6]

ه- شتاب دادن

در این مرحله عامل هیدروکسید قلع از روی سطح پلاستیک به وسیله محلول اسید کلریدریک رقیق یا یک نمک اسیدی جهت آماده سازی برای مرحله بعدی پوشش دهی برداشته می شود.

و- ایجاد پوشش الکترولس

پس از عملیات شتاب دهی، عملیات پوشش دهی در حمام الکترولس قلیایی انجام می شود که در این حالت ضخامت 25/0 تا 5/0 میکرون از پوشش نیکل یا مس به طور یکنواخت بر روی سطح قطعه تشکیل می‌شود[1و6]

ز- آبکاری ثانویه

پس از ایجاد یک پوشش بسیار نازک هادی بر روی سطح قطعه می‌توان ضخامت پوشش را به روش‌های آبکاری متداول نظیر الکتروپلیت با الکترولس افزایش داد [1و7]. در شکل (4) تصویر شماتیکی از مراحل آبکاری پلیمری اکریلونیتریل بوتادین استایرن نشان داده شده است.

5- پلاستیکهای قابل آبکاری

پلاستیکهای قابل آبکاری به آن دسته از پلاستیکهایی گفته می‌شود که پس از آبکاری، چسبندگی مناسبی بین پوشش و قطعه پلاستیکی به وجود می‌آید [1و7]. برخی از پلاستیکهای قابل آبکاری متداول عبارتند از اکریلونیتریل بوتادین استایرین (A.B.S) ، پلی پروپیلن (P.P) ، پلی سولفون ، پلی فنیلن اکساید، پلی کربنات، پلی استر، نایلون، پلی اتریمید و پلی اتیل اترکتون.

6- معرفی خواص

6-1- خواص پوشش‌های الکترولس

به طور کلی خواص پوشش‌های الکترولس شامل موارد زیر می‌باشند[3]:

الف – یکنواختی ضخامت پوشش در تمامی نقاط قطعه بدون توجه به شکل هندسی آن.

ب – ایجاد پوشش برای تمام زیر لایه‌ها اعم از رسانا، نیمه رسانا و نارسانا.

ج – هدایت الکتریکی و قابلیت لحیم پذیری مناسب

د – مقاومت به خوردگی بالا.

ه – سختی نسبتاً‌بالا

و – اصطکاک سطحی پایین

ز – جنبه تزئینی پوششهای الکترولس

6-2- خواص زیر لایه پلاستیکی

به منظور بررسی خواص زیر لایه به برخی از مزایا و معایب عمومی قطعات پلاستیکی اشاره می‌گردد[1و7]:

6-2-1- مزایا:

الف. آزادی بیشتر در طراحی قطعه بدون توجه به ابعاد و شکل هندسی قطعه.

ب. حذف عملیات پرهزینه ثانویه مانند ماشین کاری.

ج. پایین بودن وزن قطعه،

د. هزینه پایین قطعات پلاستیکی نسبت به فلزات.

ه- تغیر شکل آسان با کیفیت سطح استثنایی.

و. مقاومت به خوردگی بالا.

ز. قابلیت انعطاف پذیری و خواص ارتجاعی مناسب.

ط. استحکام فشاری مناسب و نسبت استحکام به وزن مطلوب.

6-2-2- معایب:

الف. محدودیت کاربرد قطعات پلاستیکی در دماهای پایین.

ب. ضریب انبساط حرارتی بالا.

ج. استحکام کششی ضعیف.

د. عدم وجود خاصیت هدایت الکتریکی.

6-3- خواص پلاستیکهای آبکاری شده

در نتیجه عملیات آبکاری بر روی قطعات پلاستیکی، خواص قطعه از لحاظ سختی، مقاومت به خراش، هدایت الکتریکی ، سفتی، الاستیسیته و ضریب انبساط حرارتی بهبود می‌یابد. بهبود عملکرد این قطعات در شرایط کاری به استحکام چسبندگی در فصل مشترک فلز / پلاستیک بستگی دارد[7]:

لذا عوامل مؤثر بر چسبندگی این پوششها به زیر لایه پلاستیکی به صورت زیر ارزیابی شده اند:

الف. خواص فیزیکی و شیمیایی زیر لایه پلاستیکی.

ب. نحوه آماده سازی زیر لایه پلاستیکی به منظور عملیات پوشش دهی.

ج . خواص فیزیکی و شیمیایی رسوبات فلزی.

6-3-1- خواص فیزیکی و شیمیایی زیر لایه پلاستیکی

این خواص به طور کلی عبارتند از:

الف – ضریب انبساط حرارتی

اختلاف بیش از حد ضریب انبساط حرارتی بین زیر لایه پلیمری با پوشش فلزی باعث تاول زدن پوشش از زیر لایه و چسبندگی ضعیف پوشش در سیکلهای مختلف حرارتی می‌شود[7].

ب – دمای اعوجاج حرارتی

این عامل نیز به مانند ضریب انبساط حرارتی تأثیر به سزایی در چسبندگی پوشش به زیر لایه در شرایط کاری خواهد گذاشت [7].

ج. شرایط قالب گیری نظیر نقطه ذوب و فشار تزریق

نقطه ذوب و فشار تزریق تاثیر زیادی بر استحکام و چسبندگی پوشش به زیر لایه داد که تاثیر این موارد در اشکال (5) و(6) نشان داده شده اند[7].

عوامل سه گانه فوق به شدت تحت تاثیر ترکیب‌ شیمیایی پلیمر قرار دارند به طوری که با اضافه کردن مواد پرکننده به ویژه در مرحله ساخت قطعه پلاستیکی می‌توان تغییرات زیادی را در خواص فیزیکی و شیمیایی قطعه پلاستیکی ایجاد کرد[7].

6-3-2- نحوه آماده سازی زیر لایه پلاستیکی

چگونگی آماده سازی زیر لایه پلاستیکی برای ایجاد چسبندگی بهتر به دو عامل مهم بستگی دارد که یکی ترکیب شیمیایی محلول اچ و دیگری زمان اچ کردن می‌باشد که در هر دو مورد بایستی حالت بهینه‌ای را جهت بهبود خواص چسبندگی در نظر گرفت.[7] درشکل (7) تاثیر زمان اچ کردن بر استحکام چسبندگی پوشش به زیر لایه نشان داده شده است.

6-3-3- خواص فیزیکی و شیمیایی پوشش فلزی

خواص نظیر اختلاف کم ضریب انبساط حرارتی پوشش فلزی با زیر لایه پلاستیکی سبب افزایش استحکام چسبندگی پوشش به زیر لایه می‌شود، ضمن این که افزایش ضخامت پوشش سبب بهبود خواص سطحی پلاستیکهای آبکاری شده [7].

7- مکانیزم چسبندگی پوشش به زیر لایه

مکانیزم غالب در چسبندگی پوشش به زیر لایه پلاستیکی ایجاد اتصال و قفل مکانیکی به وسیله رسوب فلز در حفرات ناشی از مرحله اچ می باشد. علاوه براین مکانیزم در تعداد محدودی از پلیمرها نظیر پلی پروپیلن، اتصال شیمیایی ( پیوند واندروالس) به وسیله ایجاد گروههای قطبی باعث به وجود آمدن پیوند شیمیایی می‌شود[3و7].

این موضوع در اشکال (8) و(9) که تصاویر TEM تهیه شده از نمونه‌های پلیمر A.B.S در مرحله اچ و در مرحله پوشش دهی می‌باشد نشان داده شده است[7] .

8- جمع بندی

الف. چگونگی عملکرد قطعات پلاستیکی آبکاری شده بستگی به استحکام چسبندگی پوشش در فصل مشترک فلز / پلاستیک دارد.

ب. مکانیزم اصلی چسبندگی پوشش فلزی به زیر لایه پلاستیکی ایجاد قفل و اتصال مکانیکی بین پوشش و زیر لایه می‌باشد.

ج. با انتخاب شرایط بهینه نظیر ترکیب شیمیایی محلول اچ، زمان اچ کردن و همچنین کنترل شرایط تزریق در پلیمرها می توان خواص چسبندگی راغ به نحوه مطلوبی در پلاستیکهای آبکاری شده بهبود بخشید.

د. با تغییر در خواص فیزیکی و شیمیایی پلیمرها (نظیر اضافه نمودن ماده پرکننده) و افزایش ضخامت پوشش فلزی می توان اختلاف ضریب انبساط حرارتی پوشش و زیرلایه پلاستیکی را به حداقل رسانید.

آبکاری آلیاژی با جریان پالسی

چکیده