エレクトロスタンプによる局所的なバスレス金属複合めっき
Summary
ここで提示されるバスレス電気メッキのプロトコルは、複合粒子を含む停滞した金属塩ペーストが低く、高負荷時に金属複合材料を形成する。この方法は、複合材料粒子を金属マトリックスに埋め込む電気めっき(ジェット、ブラシ、バス)の他の一般的な形態が直面する課題に対処する。
Abstract
金属マトリックスに埋め込まれた粒子を含む複合メッキは、多かれ少なかれ導電性、硬い、耐久性のある、潤滑または蛍光を作るために金属コーティングの特性を高めることができます。しかし、複合粒子は1)荷電していないためカソードに強い静電誘引力を持たない、2)吸湿性で水分補給シェルによってブロックされる、または3)かき混ぜながら陰極で停滞したままにするには大きすぎるため、金属めっきよりも難しい場合があります。ここでは、大きな吸湿性リン酸化粒子と親水性膜を含む水濃電解質ペーストを挟んだアノードおよび陰極ニッケルプレートを含む浴びなしめっき法の詳細について述べる。電位を印加した後、ニッケル金属は、停滞した蛍光体粒子の周りに堆積し、それらをフィルムに捕捉する。複合コーティングは、フィルムの粗さ、厚さ、複合表面ローディングのための光学顕微鏡検査によって特徴付けられる。また、蛍光分光法を用いて、これらのフィルムの輝度を定量化して、様々な電流密度、コーティング時間および蛍光体負荷の影響を評価することができる。
Introduction
従来の電気めっきは、さまざまな金属、合金、金属複合材料の薄膜を導電性表面に堆積させ、目的の用途1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12に対してそれらを機能させるために広く使用されている。この方法は、航空宇宙、自動車、軍事、医療、電子機器の製造に使用される部品に金属仕上げを追加します。メッキされる対象物であるカソードは、金属塩前駆体を含む水浴中に沈め、化学的または電位の印加により被物表面の金属に還元される。非荷電複合粒子は、コーティング中にこれらを浴槽に添加して金属膜に取り込み、金属酸化物や炭化物の場合の硬度を高めるための膜特性、ポリマーによる平滑性、または液体油12,13での潤滑性を高めることができる。しかしながら、これらの粒子はカソードに固有の魅力を欠いているため、金属に組み込まれる複合材料の割合は、浴めっき13、14、15に対して低いままである。これは、成長する金属膜によって埋め込まれるほど長い陰極に吸い付かない大きな粒子にとって特に問題である。さらに、水溶液中の吸湿性粒子は溶媒和物及びそれらの水和シェルは、カソード16との接触を妨げる物理的障壁として作用する。
乾燥した非極性溶媒を使用して水和障壁を完全に除去し、あるいは水和殻を破壊する界面活性剤分子16を有する複合粒子を装飾することによってこの効果を緩和し、粒子とカソードとの接触を可能にするいくつかの有望な方法が示されている。しかし、これらの方法は有機材料を含むため、膜中に炭素汚染が可能であり、これらの有機材料の分解は電極で起こりうる。例えば、使用される有機溶剤(DMSO2およびアセトアミド)は、無空気コーティングのための不活性雰囲気中で130°Cに加熱される。しかし、空気中のコーティング中に不安定であることがわかりました。電極での抵抗加熱のために、有機材料との酸化還元反応は、金属ナノ粒子18の不均一核形成および成長のための不純物または部位をもたらす可能性がある。その結果、粒子カソード吸着の長年の課題に対処する有機自由な水性電気めっき法が必要です。これまでに、金属複合浴用コーティングは、直径19で数マイクロメートル、15%の負荷16、17まで粒子を埋め込むことが示されている。
これに対して、我々は、複合粒子が大きなサイズおよび吸湿性性質20にもかかわらず、高表面被覆でフィルムに埋め込まれるよう強制する無機浴のないエレクトロスタンプ法を記述する。浴を取り除くことによって、プロセスは危険なコーティング液体の容器を含まないし、めっきされる対象物は水没する必要がない。したがって、大きく、煩雑な、または腐食に敏感な物体または水に敏感な物体は、複合材料を有する選択領域でめっきまたは「スタンプ」することができる。また、余分な水の除去は、液体有害廃棄物のクリーンアップが少なく必要があります。
ここでは、非毒性で空気安定なユーロピウムとジスプロシウムドープ、ストロンチウムアルミン酸(87±30μm)をニッケルを高負荷(最大80%)で共堆積させることにより、明るい蛍光金属フィルムを製造する方法を実証します。これは、浴中でめっきされ、したがって小さい(ナノメートルから数マイクロメートル)の蛍光体12に限定された以前の例とは対照的である。さらに、以前に報告された電解質フィルムは、短波UV光の下でのみ蛍光を発し、プラズマ酸化電解質21を有するアルミナフィルム中の1〜5μmのルミネセントストロンチウムアルミン酸結晶を成長させた最近の報告を除く。蛍光金属フィルムは、道路標識照明21、航空機メンテナンス機器の位置と識別20、自動車およびおもちゃの装飾、目に見えないメッセージ、製品認証22、安全照明、メカノクロミックストレス識別10およびトライボロジカルウェア目視検査12、16を含む薄暗い環境を含む多くの業界で広範囲に及ぶアプリケーションを有することができる。光る金属表面に対するこれらの潜在的な用途にもかかわらず、この方法は、電気めっきを介して以前は不可能であった新しい様々な金属複合機能コーティングを製造するために、追加の大規模および/または湿吸湿性複合粒子を含むように拡張することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
エレクトロスタンプの重要なステップ。 バスレスエレクトロスタンプは、従来のバス電気メッキと同じ重要なステップの多くを共有しています。これらには、電極の適切な洗浄、電解質への金属イオンの混合、および外部または化学(無電解めっき)を適用し、カソード上の金属の減少を引き起こす可能性が含まれます。また、アノードとカソードの酸化は、すぐに水ですすぎ、?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作業は、航空機機器の信頼性と保守性向上プログラムとPatuxentパートナーシップによって支えられていました。タウンゼントはONR教員研究フェローシップによって支援されました。著者らはまた、SMCMサッカーチームからの支援を含む、SMCM化学生化学部の教員および学生の一般的な支援を認めている。
Materials
| 37% M Hydrochloric Acid (aq) | SigmaAldrich | 320331-500ML | corrosive – handle in fume hood |
| 70% Nitric Acid (aq) | SigmaAldrich | 438073-500ML | corrosive – handle in fume hood |
| Barium magnesium aluminate, europium doped (s) | SigmaAldrich | 756512-25G | fine powder |
| Boric Acid (s) | SigmaAldrich | B6768-500G | toxic |
| Cotton Swab | Q-tips | Q-tips Cotton Swabs | |
| ImageJ | National Institutes of Health | IJ 1.46r | free software |
| Nickel (II) chloride hexahydrate (s) | SigmaAldrich | 223387-500G | toxic |
| Nickel (II) sulfate hexahydrate (s) | SigmaAldrich | 227676-500G | toxic |
| Nickel foil (s) | AliExpress | Ni99.999 | |
| Nitrile gloves | Fisher Scientific | 19-149-863B | |
| nylon membrane (s) | Tisch Scientific | RS10133 | |
| Optical Microscope equipped with FTIC filter (470 ± 20 nm) | Nikon | Eclipse 80i | |
| Plastic Wrap | Fisher Scientific | 22-305654 | |
| Porcelain Mortar | Fisher Scientific | FB961A | |
| Porcelain Pestle | Fisher Scientific | FB961K | |
| Potassium Hydroxide (s) | SigmaAldrich | 221473-25G | corrosive |
| Potentiostat with platinum wire | Gamry Instruments | 1000E | |
| Scoopula | Fisher Scientific | 14-357Q | |
| Spectrofluorometer | Photon Technology International | QM-40 | |
| Strontium aluminate, europium and dysprosium doped (s) | GloNation | 756539-25G | powder |
| Variable linear DC power supply | Tekpower | TP3005T | |
| Yttrium oxide, europium doped (s) | SigmaAldrich | 756490-25G | fine powder |
Referências
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