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硅灰石的化学镀镍及其导电性能宰|wollastonite

作者: 冯文林 时间:2021-12-05 10:12:23 阅读:79

摘要:采用化学镀方法制备镀镍针状硅灰石粉,以SEM表征镀镍粉的形貌,XRD表征其结构,柱塞式装置评价其导电性。结果表明:当盐酸溶液pH值大于1.5时与硅灰石反应8min,酸性溶液对硅灰石表面的侵蚀不明显。化学镀镍过程中,硅灰石分别经pH值为3.0的敏化液和活化液处理3min和Smin,镀镍硅灰石保持原有的针状结构,表层包覆镍磷合垒,具有良好的导电性。

  无机粉体经化学镀金属化后,具有良好的导电性,在电磁屏蔽、抗静电、复合导电功能材料领域,具有广阔的应用前景。目前,用化学镀处理使粉末表层金属化的无机粉体,包括SiC、Al203. Zr02.Fe3O4、Si02、石墨、金刚石、玻璃、云母、蒙脱石、莫来石等,但对廉价硅灰石化学镀的研究仍鲜见报道。可能的顾虑是,硅灰石的主要成分为偏硅酸钙,而化学镀的敏化和活化溶液多呈酸性,硅灰石易与酸反应而溶解,甚至文献中有采用硅灰石与盐酸反应制备白炭黑的报道。针状硅灰石粉末是绝缘体,若制成针状导电粉末,将能拓展其应用范围。因此,本试验首先研究酸性溶液对针状硅灰石形貌的侵蚀状况,然后选择合适的条件对其进行化学镀镍,研究镀镍硅灰石的结构和电性能。

1  实验方法

1.1  试验原料与试剂  硅灰石原料,购自江西省上高县华杰泰矿纤辩技有限公司,1000目针状粉体,熔点1540℃,密度为2.87~3.09g/cm3。其化学组成(%): Si02,49~52; Ca0244~47; Fe203,≤0.2; Al203,≤0.12; Mg02≤2.5;S,≤0.001;P,≤0.001。氯化镍(NiCl2.6H2O),分析纯,上海试剂总厂;次亚磷酸钠(NaHPO2.H2O),分析纯,浙江红旗试剂化工厂;氯化铵NH4CI),分析纯,天津市大茂化学试剂厂柠福建省青年科技人才创新项目资金资助(编号2002J020)檬酸三钠cC。HsNa,0,.2H:O),分析纯,天津市大茂化学试剂厂;氯化亚锡(SnCI:2H20),分析纯,天津市大茂化学试剂厂;氯化钯,分析纯,国药集团上海化学试剂公司;氢氧化铺,分析纯,国药集团上海化学试剂公司;氨水(25%),分析纯,上海试剂总厂;盐酸(37%),分析纯,广州化学试剂厂。

1.2  盐酸对硅灰石的侵蚀实验根据化学镀的通常状况,假定敏化和活化的酸性溶液处理总时间为8min,温度为56士1℃。先用不同pH值的盐酸与硅灰石进行反应,以确定敏化和活化过程合适的pH值范围,然后按通常的化学镀程序对硅灰右粉镀镍。

    将1.5g硅灰石粉倒入500ml烧杯,放进超声振荡器中,分鄹与pH值等于3.0、2.1、1.2和0.5左右的lOOml盐酸溶液反应,反应过程中滴加稀盐酸使pH值恒定。在56±l℃F反应8min后,将硅灰石粉迅速取出并洗净,用400倍显微镜观察其形貌变化。

    1.3  硅灰石表面的化学镀镍称取12.Og硅灰,在360r/min的机械搅拌和超声振荡(频率4kHz,功率160W)条件下,分别用500ml各种处理液进行碱洗、敏化和活化,其工艺参数见表l。根据硅灰石盐酸侵蚀实验结果和兼顾反复使用的处中硅酸盐的可能累积,选择预处理的敏化与活化反应过程中的pH值为3.0左右。硅灰石化学镀镍时,温度控制在75~85℃,镀液的配方见表2。将活化后的硅灰石粉缓慢倒入配好的lOOOml镀液中,1min后镍沉积开始,整个溶液呈沸腾状,镀液逐渐由蓝变为黑色,并有大量气泡产生。沸腾状态持续几分钟后停止,沉积过程基本结束。在实验过程中,为增加镀层的厚度,每Smin滴加2倍浓缩镀液20ml,并通过滴加25%的氨水,稳定溶液的pH值在8.5左右。施镀45min后,将镀液静置一段时间,在烧杯底部沉积出一层黑色粉末。此产物经蒸馏水清洗五遍,放入真空干燥箱烘干,然后冷却,即得镀镍硅灰石粉体。1.4  镀镍硅灰石粉的电性能和结构表征将lg镀镍粉倒入内径为11.70mm的尼龙圆筒中,并插入配合良好的铜电极,其两端分别与HF2512B型智能直流电阻仪的两端电极连接,然后把柱塞系统安装在万能试验机上,以5N/s的速度加载,每隔50N记录一次压力和电阻数据。

    粉末衍射仪(日本岛津公司),射线为CuKa,加速电压35kV,管电流20mA,扫描速度为80/min。电镜测试采用JEOL JSM-6700F场发射电镜进行图像扫描和能谱分析。

2结果与讨论

2.1 pH值对硅灰石形貌的影响硅灰石与一系列

不同pH值(2.1、1,2和0.5)的盐酸溶液,在56℃F反应8min后的400倍显微照片,见图l。当pH值≥2.1时,针状硅灰石形貌没有变化,其表面光滑。

当pH值在1.2时,硅灰石与盐酸溶液的反应明显加速,部分针状颗粒的表面变得粗糙,最示出明显的侵蚀,但仍保持针状形态。而当溶液pH值下降为0.5时,硅灰石与盐酸反应速度很快,反应8min就能对硅灰石产生严重侵蚀,针状尺寸显著减小,甚至斯裂。上述试验表明,pH值小于2.1反应8min时,盐酸能对硅灰石表面产生明显的侵蚀,同时生成硅氧化合物混入处理液。因此,化学镀的敏化液与活化液的pH值以3.0左右为宜。2.2  硅灰石化学镀镍过程的形貌变化预处理和化学镀镍过程中,硅灰石的形貌变化,见图2。硅灰石经碱清洗和敏化液处理后,其表面未发生明显侵蚀;再经活化液处理后,仍保持针状形态,但表面略变粗糙。化学镀镍后,硅灰石粉表面发黑,但仍保持良好的针状形态。可见,当预处理的敏化和活化过程的pH值等于3.0时,盐酸对硅灰石的化学侵蚀基本可忽略,能获得形态完整的镀镍针状硅灰石粉。

2.3  镀镍硅灰石的结构分析镀镍硅灰石粉的

XRD图谱,见图3。图中衍射曲线没有出现明显的硅灰石结晶衍射峰,表明镀镍硅灰石粉表面基本上被其它结晶物质包覆。衍射曲线20角在44.6。有很强的吸收峰,52.0。也有弱吸收峰,它们分别对应金镍的[Ill]和[200]晶面的衍射吸收蜂,证实硅灰石表面存在大量的镍金属。由于52.0。衍射峰吸收较弱,说明镀层中存在磷元素并与镍形成镍磷合金㈣。镀镍硅灰石粉的XRD衍射峰较宽,表明镀层 镍磷含金以微晶的形式存在。

粉末的径向尺寸和长度分别分布在5~25Ltm和 70~220Um之阀。高倍电镜照片显示,硅灰石粉表面的镍层由颗粒状的镍单质堆积而成,颗粒的直径约为150~300nm。镀镍硅灰石表面的能谱分析证实了大量镍和磷元素的存在,其原子比约为9.6:1(图5),能谱中有少量的钙、硅和氧元素存在,其原因可能是镍镀层较薄。  图3镀镍硅灰石粉XRD图谱镀镍硅灰石粉电镜照片,见图4。由图可知,粉末的径向尺寸和长度别分布在5~25Ltm和 70~220tm之间。高倍电镜照片显示,硅灰石粉表面的镍层由颗粒状的镍单质堆积而成,颗粒的直径约为150~300nm。镀镍硅灰石表面的能谱分析证实了大量镍和磷元素的存在,其原子比约为9.6:1(图 5),能谱中有少量的钙、硅和氧元素存在,其原因可能是镍镀层较薄。  

2.4  镀镍硅灰石粉的导电性镀镍硅灰石粉具有良好的导电性,其lg粉末的电阻,压力变化曲线见图6。

由图可知,随着压力的增大,粉密实度增加,导电性增大,高压力下的测试结果接近粉末本体材料的导电率。在50N载荷下,lg镀镍硅友石粉测试的电阻为0.03Q,在2000N压力下则为.0017Q。而N990炭黑粒子直径为0.2-0.6μm,热处理后导电性增强。在50N载荷下lg热处理N990炭黑的电阻为0.243,2000N下变.0256Q。可见,镀镍硅灰石粉电阻率是热处理N990炭黑的1/15.1,其电阻率估算值为0.0055Qcm。

3结论

 控制化学镀过程中敏化和活化处理液的pH值为3.0、处理温度分别为室温和56℃以及处理的PH值为8min,能防止硅灰石粉被盐酸的反应侵蚀,使镀镍硅灰石完全保持原有的针状形态。硅灰石镀镍后,针状表面包覆了150~300nm的镍磷合金粒子,具有较高的导电性,其电导率比热处理过的N990炭黑高出14.1倍。镀镍针状硅灰石粉兼有高的长径比和良好的导电性,因此,可用于制备具有电磁屏蔽特性的高导电性塑料、抗静电塑料和具有正温度系数电阻突变(PTC)的功能复合材料等。


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