Химическая металлизация. Часть 5.
Химическая металлизация диэлектриков — это нанесение металла без применения электрического тока.
Опишем вкратце процесс химического осаждения. Хорошо обезжиренный в щелочных растворах пластик погружается в раствор сенсибилизации. Такой раствор, как правило, содержит воду, кислоту и растворимые соединения олова. Эти соединения олова имеют гелеобразную структуру. Поэтому они буквально за минуту легко и довольно прочно прилипают к поверхности пластика. Затем изделие промывается водой. При чем частицы олова из-за своей липкости не смываются. В результате поверхность пластика из-за этих частиц приобретает определенную активность. Если такой пластик погрузить в специальный химический раствор серебра, то оно начнет образовывать на пластике тонкий слой чистого блестящего серебра. Т.е. поверх частиц олова начнут оседать частицы серебра. Когда они полностью покрывают олово, то уже сами себя начинают восстанавливать из раствора до металлического состояния. Возникает как бы цепная реакция. К слову говоря, таким образом покрывают зеркала. В результате мы получим тончайший слой электропроводящего серебра. Затем пластик погрузим в ванну меднения и поверх серебра с помощью электролиза уже можно нарастить толстый слой меди.
Химическая металлизация медью.
Таким же способом вместо серебра можно получить слой меди. Но для получения меди одних частичек олова мало, так как они в химическом смысле «слабые» для запуска процесса меднения. Поэтому после нанесения частичек олова пластик нужно погрузить в раствор, который содержит палладий. Тогда на частички олова приклеятся частички палладия, у которых очень хорошая химическая «сила» — активность. Поэтому такой процесс называют активацией (активированием). После промывки пластик погружается в раствор содержащий медь, которая тонким слоем начнет осаждаться только на активированной части. Таким же способом можно наносить и никель и золото и даже палладий с платиной.
Затем, как и при серебрении, деталь загружаем в электролит меднения, включаем ток и получаем толстый слой меди. Поверх меди наносим, например, никель—хром или палладий-золото. Одним словом – что угодно.
Примерно таким образом и наносят медь-никель-хром на пластиковые детали автомобилей, на электронные платы, зеркала и т.п.
Достоинства и недостатки.
Достоинства: Казалось бы вот самый простой способ металлизации диэлектриков — химическая металлизация. Можно просто погрузить пластик в ряд растворов и получить токопроводящий слой даже на самой сложной детали. А можно даже и не погружать, а просто полить деталь растворами или обрызгать их из ручного пульверизатора.
Недостатки:
К сожалению, химическая металлизация имеет ряд существенных недостатков.
Цена.
Для получения растворов как серебрения, так и меднения нужны очень чистые вещества. И чем чище, тем дороже. Серебро само по себе относительно не дорогое. Но оно нужно в виде соли серебра – нитрата серебра. А это уже раза в полтора дороже. Медь гораздо дешевле, но для его активации требуется дорогое соединение палладия – хлорид палладия. В некоторых случаях вместо палладия используют растворы серебра, но активность соединений серебра гораздо ниже соединений палладия, поэтому в работе чаще случается брак – не покрытые участки.
Существуют способы активации и без применения драгоценных металлов. Мы в 2010 году создали и применили такие растворы для металлизации некоторых изделий, но, не смотря на кажущуюся дешевизну, такая активация отнимает очень много времени и усилий, что, в конце концов, выходит дороже, чем при палладиевом способе активирования.
Для получения растворов и для промывок используется исключительно дистиллированная вода, которая гораздо дороже обычной воды, а расход ее измеряется десятками литров в день.
Вспомогательные вещества в растворах относительно не дороги, но все равно их насчитывается в общей сложности не менее 10 наименований. А меньше, чем килограмм обычно вещества и не продаются.
Для взвешивания химических веществ требуется купить лабораторные весы, так как многие вещества взвешиваются с точностью до 0,1 грамма, а для ряда веществ вообще необходима точность до 0,001 грамма. Такие весы стоят не менее 10 тысяч рублей. Для отмеривания воды нужны мерные колбы. Для смешивания веществ нужны стеклянные емкости и желательно магнитная мешалка.
Если используется метод серебрения, то для сбора и аффинажа отходов серебра нужны ещё различные вещества, которые восстанавливают серебро до металлического состояния.
При аффинаже растворы фильтруют, поэтому нужно покупать специальные фильтрующие приспособления – воронку Бюхнера, беззольные фильтры, вакуумный насос, колбы и т.п. Для сплавления серебра в слитки необходима газовая горелка, асбест и флюс.
Для смешивания веществ, особенно для серебрения, где используется аммиак, требуется угольный респиратор или хорошая мощная вытяжка.
Подытоживая можно сказать, что даже при самостоятельном изготовлении химических растворов для химической металлизации придется потратить внушительную сумму. А если покупать готовые растворы, то эту сумму смело умножайте на два.
Разложение растворов.
Если вы, уважаемый читатель, подумали, что вот один раз потратились, приготовили растворы и пользуетесь ими сколь угодно долгое время, то вы сильно ошибаетесь. Рассудите сами – если растворы способны образовывать без тока на поверхности диэлектрика металлический слой, то что им мешает образовать такой же слой на стенках емкости, где они находятся? Или просто внутри растворов? И действительно, растворы серебрения и меднения очень не устойчивы. Иными словами — они способны само-разлагаться. Если в раствор серебрения попала из за плохой промывки хоть одна частичка олова, то она восстанавливает как минимум две частички серебра, которые восстанавливают уже 4 частички и так далее. В результате такой цепной реакции растворенное серебро превращается в металлическое. Такой процесс занимает буквально секунды. И выглядит это так – вот раствор стоит совершенно прозрачный как вода и вдруг через две секунды он внезапно становится мутным с коричневато-серым оттенком. При этом стенки емкости часто покрываются металлом. И всё – такой раствор не пригоден для металлизации. Такое же разложение происходит и с растворами меднения, никелирования и даже золочения.
Для снижения процесса саморазложения в растворы вносят различные добавки. Их количества измеряют от 0,00001 до 0,001 грамма. При серебрении они действуют от нескольких минут, до нескольких часов. Для меднения существуют добавки, которые могут работать месяцами, но при условии их ПОСТОЯННОЙ корректировки. При этом, нужно постоянно проводить химический анализ раствора меднения. Такие анализы требуют глубоких знаний химии и поэтому их в основном могут себе позволить крупные предприятия с собственной химической лабораторией.
Проще обстоят дела с электролитом никелирования, но из-за особенностей нанесения никеля его сложно применять для металлизации гладких диэлектриков. О никелировании мы расскажем позже.
У добавок есть и оборотная сторона – они ведь тормозят не только разложение раствора, но и скорость осаждения металла на изделиях. Приходится ждать от нескольких минут до часа. К тому же необходимо проводить обезжиривание и активацию изделий просто безупречно строго соблюдая техпроцесс. Иначе образуются проплешины. Химическая металлизация требует квалифицированного персонала.
Активация.
Как уже говорилось выше, активация довольно простой процесс – погрузил деталь в два раствора, промыл и готово. Но для качественной активации требуется провести не менее качественное обезжиривание. Не достаточно протереть поверхность тряпочкой смоченной в ацетоне или спирте. Требуется химическое обезжиривание в щелочах. Как правило, хорошее обезжиривание диэлектриков производят в растворах, подогретых до 50-60°С. Для пластиков процесс не сложный, а вот таким способом обезжирить растения просто невозможно. Поэтому материалы растительного происхождения металлизировать на прямую, без нанесения подслоя лаков, так же невозможно.
Активирование, как говорилось выше, процесс простой. Но именно на этой стадии чаще всего возникают предпосылки будущего брака. Это связано с десятком разных причин – от не качественной дистиллированной воды при промывке, до структуры пластика, в котором есть микротрещины или какие то мелкие поры. Например, есть способ получения 3D моделей послойным нанесением расплавленного пластика. Очень часто такие изделия имеют едва заметные полости в приповерхностном слое. Когда в в них попадает обезжиривающий состав, то вымыть его чрезвычайно сложно. В этом месте при сенсибилизации и активировании не образуются активные частицы. А следовательно в этом месте будет проплешина. И даже повторная металлизация не даст положительного результата.
Напряжения в покрытиях и адгезия.
Химическая металлизация создает очень сильные внутренние напряжения. Т.е. образующийся металл сильно отличается от обычного металла отлитого и прокатанного в листы. Если подрезать и снять, например, с очень гладкого пластика такой химически осажденный металл, то он сразу свернется в трубочку. Так действуют внутренние напряжения. Так же, покрытия, получаемые химической металлизацией, имеют повышенную твердость и хрупкость. Поэтому часто на гладких поверхностях при достижении определённой толщины химические покрытия самопроизвольно отслаиваются и даже отрываются целыми кусками. Это часто происходит с растворами меднения и особенно никелирования. Поэтому металлизация гладких пластиков это всегда рулетка – повезет-не повезет. По этой же причине сложно металлизировать формы из силикона и резины.
Что бы покрытие не отслаивалось, а так же для хорошего сцепления металла с пластиком, в промышленности применяют предварительную обработку – травление. Для травления пластиков применяют очень едкие вещества – концентрированную серную кислоту и хромовый ангидрид. Эти растворы подогревают до 70-90°С, погружают в них пластик. В результате в пластике образуются микроуглубления, обеспечивающие хорошую адгезию металла с пластиком. Такой метод травления очень сложен, поэтому его в основном производят на крупных предприятиях.
Токсичность.
Все растворы серебрения имеют очень сильный запах аммиака. Поэтому работать с ними без вытяжки или респиратора просто нельзя. Некоторые растворы серебра с аммиаком взрывоопасны. Особенно если растворы постоят сутки-двое. На дне емкости образуются прозрачные кристаллы, которые можно не заметить и после использовании раствора дать им высохнуть. Тогда при малейшей встряске они взрываются как мощная петарда.
Растворы меди менее токсичны, но все равно без вытяжки с ними лучше не работать, так как в их состав часто входит формалин. Наименее токсичен раствор химического никелирования, но так как он работает только при температуре 60-90°С и напряжения в никелевых покрытиях самые высокие, то для металлизации гладких пластиков такой электролит практически не применяется.
Вывод: Химическая металлизация — хороший метод получения токопроводящего слоя, широко применяемый в промышленности. Но для применения в частном бизнесе потребуются значительные суммы денег, квалифицированный персонал со знанием химии и время для наработки опыта.
