给电方式对聚乙烯薄膜电镀镍性能的影响

丁祥，靳俊玲，陈红辉 ，钟毅，喻鹏

（1.湖南文理学院化学与材料工程学院，湖南 常德 415000; 2.湖南农业大学化学与材料科学学院，湖南 长沙 410128; 3.湖南中锂新材料有限公司，湖南 常德 415000； 4.湖南金富力新能源股份有限公司，湖南 常德 415000）

随着高科技电子产品的普及使用，对人类身体健康产生损害的电磁辐射引起人们的关注，大量研究者开始研究如何降低甚至避免电磁辐射对人体健康的影响[1-4]。表面导电型电磁屏蔽材料能提高导电率和磁导率，增强屏蔽效应，具有成本低、屏蔽性好、制备简单且应用范围广的优点[5]。采用立式连续电镀方法在有机高分子薄膜表面沉积金属层来作为表面导电型电磁屏蔽材料是当前行业通用的工艺，但立式电镀想提高生产效率，阳极一般就要做得较长，以增加阴极的导电面积。然而在生产实践中，阳极在电解液中的实际有效导电面积往往被忽略，导致电流效率以及镀层性能出现差异。本文提出一种在现有立式电镀中将阳极等分成两部分，并且对每一部分单独给电的工艺方法，对比了端部给电及分布给电时镀层的性能。

1 实验

1.1 材料

作为阴极的聚乙烯(PE)薄膜(50 cm × 50 cm × 5 μm)由湖南中锂新材料有限公司提供。阳极为钛篮内 装填5 cm × 5 cm × 10 cm的镍块，钛篮框与阴极的面积比为1∶2。其他试剂均为市售分析纯。

1.2 装置

分布式给电是将端部给电的阳极框(如图1a所示)平均分成两部分(如图1b所示)，由两台直流电源分别给阳极框给电，两个阳极框接口之间用屏蔽板进行屏蔽，消除阳极框的尖端效应。

图1 不同给电方式的阳极篮结构 Figure 1 Structures of anode baskets in different power supply modes

1.3 样品制备

采用PVD(物理气相沉积)工艺在真空度1.0 × 10-2Pa、靶功率10 kW的条件下对PE薄膜进行10 min的镀镍导电化处理。将经过导电化处理后的聚乙烯薄膜置于温度45 ℃、pH 4.5的由180 g/L硫酸镍、35 g/L氯化镍和30 g/L硼酸组成的镀液中电镀。

1.4 分析测试

阳极面极有效利用率是指阳极实际导电的面积与阳极总面积的百分比。如图2所示，在阳极极板上按纵深5 cm的距离，沿水平方向分别测试左、中、右(与一侧分别距离1、50和100 cm)3个点位的电流。

图2 电流测试点位置示意图 Figure 2 Schematic diagram showing the sampling points for current measurement

样品的微观形貌由TESCAN CLARA扫描电镜表征；电磁屏蔽效能(SE)采用Agilent-5242A矢量网络分析仪在频率1 ～ 6 GHz的范围内测试[6]；耐腐蚀性能根据上海辰华604E电化学工作站测得的极化曲线进行评价，电位扫描范围从-1.8 V到1.0 V，扫描速率1 mV/s，工作电极为镀镍PE试样(暴露面积1 cm2)，对电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，电解质为3%氯化钠溶液。

2 结果与讨论

2.1 给电方式对阳极电流分布的影响

阳极面的不同部位、电极处于镀槽中不同位置、板面(阴极)与阳极的距离不同，板面上的电流密度分布就会不同。电流密度分布不均匀会导致镀层厚度不均[7]。

从图3可以看出，端部给电在阳极上的电流分布呈现沿深度增加而逐步下降的趋势，浸入液面距离25 cm后，溶液电阻及阳极电阻增大，至阳极底部时，基本没有电流分布，而分布给电是将端部给电的阳极等分为二之后分别给电，因此在阳极上的电流分布较为稳定与均匀，有效利用率达到98.5%。

图3 给电方式对阳极电流分布的影响 Figure 3 Effect of power supply mode on anodic current distribution

2.2 给电方式对聚乙烯薄膜镀镍层形貌的影响

从图4可以看出，端部给电所获得的镀层颗粒粗大而分散，表面平整度较差，平均厚度为6.7 μm，而分布给电所获得的镀层平整、颗粒细致，平均厚度为6.2 μm。

图4 给电方式对聚乙烯薄膜镀镍层形貌的影响 Figure 4 Effect of power supply mode on morphology of nickel coating on polyethylene film

2.3 给电方式对聚乙烯薄膜电磁屏蔽性能的影响

从图5可以看出，不同的给电方式所获得的镀镍层微观结构不同，继而导致导电聚乙烯薄膜的电磁屏蔽效能不同。2种给电方式所获得的镀层在5 ～ 6 GHz频段具有最强的屏蔽效能，在3 ～ 4 GHz频段内的屏蔽效能最弱。但分布给电所获得的导电聚乙烯薄膜在5 ～ 6 GHz频段的电磁屏蔽效能平均达到64 dB，比端部给电时高出15%。

图5 给电方式对镀镍聚乙烯薄膜电磁屏蔽效能的影响 Figure 5 Effect of power supply mode on electromagnetic shielding efficiency of nickel-coated polyethylene film

2.4 给电方式对聚乙烯薄膜镀镍层耐蚀性的影响

对图6所示的极化曲线进行拟合后得出，端部给电方式所得镀层的腐蚀电位为-0.84 V，腐蚀电流密度为0.059 6 mA/cm2，而分布给电方式的腐蚀电位为-0.80 V，腐蚀电流密度为0.043 6 mA/cm2。这说明分布给电方式所得镀层比端部给电方式所得镀层更耐腐蚀。

图6 不同给电方式所得镀层在3% NaCl溶液中的极化曲线 Figure 6 Polarization curves in 3% NaCl solution for the coatings electroplated in different power supply modes

3 结论

在立式电镀中，以阳极分布式给电替代目前的端部给电方式，可以使阳极面积导电更均匀，提高电流效率，并制备出性能更好的导电聚乙烯薄膜。