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)和人民生活的各個方面。近年來,隨著石材裝修行業(yè)進(jìn)入家庭,對工具的要求也越來越高。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)了時代發(fā)展的需求,市場前景十分廣闊。金剛石鍍覆的方法很多,從鍍層組成來看,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鍍覆金剛石量的一半,其市場容量相當(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提高金剛石的利用率及制品壽命具有重大意義。1實驗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,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實驗用試劑及試劑實驗采用JR1型(粒度70/80)和HWDR1型(粒度60/70)金剛石。實驗所用試劑: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30s。2結(jié)果與討論2.1前處理條件的優(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)鍍鎳前通過堿洗除去金剛石表面的污垢,通過強酸的腐蝕作用增強其表面的親水性,通過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。實驗發(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)定性打下堅實的基礎(chǔ)。實驗還發(fā)現(xiàn):金剛石的品級越高,其敏化活化越困難。實驗用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。這可能是因為高品質(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正交實驗結(jié)果以鍍速、鍍層的結(jié)合力、鍍液的穩(wěn)定性為評價指標(biāo),對金剛石化學(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個因素,采用L9(34)進(jìn)行正交實驗優(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。由正交實驗結(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。實驗結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報道相吻合: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,pH值越高,鍍速越大,但鍍液的穩(wěn)定性越差。2.3配方優(yōu)化試驗為降低鍍覆金剛石的成本及廢舊鍍液對環(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。在還原鎳的同時還會發(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,同時還會與鍍液中的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、延長鍍液壽命的重要因素。實驗發(fā)現(xiàn):乳酸作配位劑時,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,鍍速慢,但鍍液的穩(wěn)定性好。不同配位劑對鍍速的影響,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?？紤]到乳酸和檸檬酸鈉在鍍速和穩(wěn)定鍍液方面的互補性,實驗采用乳酸和檸檬酸鈉雙配位劑配方來增強鍍液的穩(wěn)定性,同時添加微量的硫脲作為穩(wěn)定劑。由正交實驗結(jié)果可知:乳酸和檸檬酸鈉比例適當(dāng)時,能有效地穩(wěn)定鍍液,延長鍍液的壽命。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)量濃度很低時甚至無起鍍,同時伴隨著鍍液中無效離子的積累,鍍液的穩(wěn)定性降低。施鍍過程中定期檢測鍍液組成,及時補加消耗成分是保持鍍液穩(wěn)定、延長其壽命的重要手段。實驗利用原子發(fā)射光譜儀定期檢測鍍液組成,通過間隔取液法延長鍍液壽命,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%補加。實驗表明:按最優(yōu)配方,采用定期補加、間隔取液法延長鍍液壽命,施鍍10個周期時鍍液仍澄清透明,鍍速無明顯下降,具有推廣應(yīng)用價值。需要指出的是:在做周期實驗的過程中,需定期過濾鍍液中的沉淀,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)鍍鎳層奠定了堅實的基礎(chǔ),同時有助于提高鍍液的穩(wěn)定性。(2)經(jīng)正交實驗確定的最優(yōu)方案為:mNiSO4