CN102839403A - 一种离子液体中电镀铝的方法 - Google Patents

Abstract

一种离子液体中电镀铝的方法是基于现有电镀铝工艺能耗及成本高，镀液环境要求苛刻，所得铝镀层光亮度不够易脱落等问题。首先是将尿素、卤盐和酰胺加热混合得到的液体与无水氯化铝混合均匀得到离子液体，作为电镀液；其次是将基体作为阴极，铝作为阳极，离子液体作为电镀液，控制电镀温度、电流密度和电镀时间实施电镀；最后是采用硝酸溶液进行出光，采用高锰酸钾溶液进行钝化的后期处理。本发明电镀成本较低，电镀工艺较为稳定，电镀环境友好；所得铝镀层表面致密均匀，光亮度好，与基体结合力强，适用于一般材料的表面防护和装饰。

Description

一种离子液体中电镀铝的方法

技术领域

本发明涉及一种电镀铝的方法，尤其是一种在离子液体中电镀铝的方法的技术方案。

背景技术

铝具有抗氧化性、耐腐蚀性、装饰性、金属光泽等性能，是优异的表面镀层材料，传统制备铝镀层的工艺主要有热喷涂、热浸镀、化学气象镀、物理气象镀等，均属高能耗工艺。电镀铝通常在接近常温下进行，既不需要高昂的仪器设备又不会因为较高的工作温度影响到基体性能，而且能耗低得到的铝镀层空隙率低、纯度高、厚度和质量易控制。

金属铝的活波性决定了镀层铝只能在非水溶剂中获得，离子液体由于其良好的物化性质为电镀铝提供了一种理想的反应介质。离子液体作为一种绿色溶剂具有熔点低、电化学窗口宽、性质稳定等特点，可用于电化学的各个方面如电池技术、电镀、电化学合成、电化学电容器等，因此，离子液体也被称为21世纪清洁工业最理想的反应介质。目前关于离子液体电镀铝的研究和报道已有很多，如公开号为CN102206841A的一种“铝基复合材料表面离子液体电沉积铝膜的制备方法”的发明专利中，利用季铵盐类、吡啶盐类、咪唑盐类与无水氯化铝和添加剂配置得到电镀液进行电沉积率，但该方法成本较高，所得离子液体对水和空气较为敏感，影响离子液体对电沉积铝膜的效果；再如公开号为CN102206841A的 “一种电镀铝液”的发明专利中，采用二甲苯、三乙基铝、氟化钠和添加剂组成的镀液进行电镀铝，此方法电流效率较低，而且镀液存在易燃易爆的危险；此外，还有一些电镀铝的方法，但大都存在成本高、电流效率低、对水和空气较敏感、得到的镀层光亮度不够且易脱落等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何配置电镀铝的离子液体及电镀铝层的后期处理，提供一种离子液体中电镀铝的方法。

本发明所提供的一种离子液体中电镀铝的方法，其所述的方法是按以下步骤进行的：

Ⅰ、离子液体的制备

将摩尔含量70%~85%的尿素与总含量15%~30%的卤盐充分混合，在60~90℃加热3~5小时，呈熔融状，后加入等体积的酰胺，搅拌过滤；

取上述液体置于容器内，在60~90℃磁力搅拌条件下，缓慢加入0.2~2.0mol/L的无水AlCl₃，80℃磁力搅拌1~2小时，得到氯铝酸盐离子液体，密封备用；

Ⅱ、电镀铝

将预处理的基体作为阴极，高纯铝片作为阳极，上述离子液体作为电镀液，控制电镀温度40~90℃，电流密度1~7A/dm²，电镀时间20~120min，选择直流电源或脉冲电源实施电镀；

Ⅲ、后期处理

将上述电镀铝后的基体由无水乙醇冲洗，再用去离子水冲洗晾干；后用1~5‰HNO₃在30℃~60℃下出光1~5s；然后用去离子水冲洗；最后用0.1~0.5mol/L高锰酸钾溶液60℃~80℃下进行钝化处理，钝化时间15~40s, 形成氧化铝钝化膜。

进一步地，上述技术方案中，离子液体的制备是将摩尔含量为75%~80%的尿素与总含量为20%~25%的卤盐充分混合，在70~80℃加热4~5小时，呈熔融状，后加入等体积的酰胺，搅拌过滤；

取上述液体置于容器内，在70~80℃磁力搅拌条件下，缓慢加入1.5~2.0mol/L的无水AlCl₃，80℃磁力搅拌1~2小时，得到淡黄色的离子液体，密封备用；

进一步地，上述技术方案中，后期处理是将电镀铝层置于3‰HNO₃溶液中，在温度为30~60℃的条件下，浸渍1~5s进行出光处理；后再置于0.2mol/L高锰酸钾溶液中，在温度为60~80℃的条件下，保温15~40s进行钝化处理。

    进一步地，上述技术方案所附加的技术特征在于：

卤盐是溴化钠、溴化钾、碘化钠和碘化钾中的任意两种混合。

酰胺是甲酰胺、二甲基甲酰胺和乙酰胺中的一种。

基体可以是铜、不锈钢、碳钢、或是钕铁硼磁体。

实现本发明一种离子液体中电镀铝的方法的技术方案，与现有技术相比所具有的优点与积极效果在于：

本发明所配置离子液体的方法，设备简单，操作温度低，一方面降低能耗，另一方面不会引发副反应。

本发明方法所配置离子液体对空气和水较为稳定，在离子液体中电镀铝时，对环境要求较低。

本发明方法所获得的铝镀层光亮度好，表面致密均匀，与基体结合力好。

本发明还涉及电镀铝层的后期处理，包括出光和钝化。经后期处理的电镀滤层光亮度增强，耐腐蚀性增强。

附图说明

图1是本发明实施方式1得到的铝镀层的SEM图。

图2是本发明实施方式2得到的铝镀层的SEM图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出说明。

实施本发明所提供的一种离子液体中电镀铝的方法，其所述方法是通过以下步骤实现的：

首先是配置电镀铝的离子液体

在本方法的电镀铝工艺中，按摩尔含量为70%~85%的尿素与总含量为15%~30%的卤盐进行充分混合，后升温至60~90℃，持续3~5小时，使其呈熔融状，再加入等体积的酰胺，同时搅拌，并过滤；

将上述熔融状液体置于容器中，在60~90℃的磁力搅拌条件下，缓慢加入0.2~2.0mol/L的无水AlCl₃，再在80℃下磁力搅拌1~2小时，制得到淡黄色的离子液体，密封备用；

其次是对基体进行电镀铝层

将预处理的镀铝基体作为阴极，铝片作为阳极，上述制得离子液体作为电镀液，将镀铝基体置于离子液体中，控制电镀温度为40~90℃，电流密度为1~7A/dm²，电镀时间为20~120min，选择直流电源或者是脉冲电源进行电镀；

最后是对电镀铝层进行后期处理

将电镀铝层置于1～3‰HNO₃溶液中，在温度为30℃~60℃的条件下，浸渍1~5s进行出光处理；后再置于0.1～0.5mol/L高锰酸钾溶液中，在温度为60℃~80℃的条件下，浸渍15~40s进行钝化处理。

在上述离子液体中电镀铝的具体实施方式中，经过实验和研究，本发明基本上解决了如何配置电镀铝的离子液体问题，以及电镀铝层的后期处理问题，实现了本发明所述目的，并达到了电镀铝层的所述效果。

在上述离子液体中电镀铝技术方案的基础上，经过本发明进行的多次实验研究，对离子液体的配制进一步确定为：按将摩尔含量为75%~80%的尿素与总含量为20%~25%的卤盐充分混合，在70~80℃加热4~5小时，呈熔融状后加入等体积的酰胺，进行搅拌并过滤；再将液体置于容器内，在70~80℃的磁力搅拌条件下，缓慢加入1.5~2.0mol/L的无水AlCl₃，80℃并再次搅拌2小时，得到淡黄色的离子液体。这样配置的离子液体能够较好解决本发明所提出的问题，实现本发明所提出的目的，进一步地提高了电镀铝层表面的致密性及光亮度。

进一步地，对电镀铝层进行后续处理，将电镀铝层置于3‰HNO₃溶液中，在温度为30~60℃的条件下，浸渍1~5s进行出光处理；后再置于0.2mol/L高锰酸钾溶液中，在温度为60~80℃的条件下，浸渍15~40s进行钝化处理。

上述优化配置的离子液体中进行电镀铝，并进行后续处理，其达到的效果更好，与现有技术相比，真正实现了铝镀层与基体结合完美无缺，表面致密均匀，光亮度极强，而且经过本发明后续的出光和钝化处理，进一步提高了其光亮度，其耐腐蚀性能也得到有效提高。

在上述具体实施方式中，本发明电流密度不易超过7A/dm²，超过该电流密度时镀层易出现烧焦发黑的情况，影响表面性能。电镀温度控制在100℃以下，当超过100℃时离子液体会发生分解，且在该温度下不会影响绝大部分基材的力学性能。可通过调节电流密度和电镀时间来得到理想效果和厚度的铝镀层，此外，电镀过程中经磁力搅拌有利于提高结晶速度和镀层效果。

在上述具体实施方式中，本发明方法卤盐的存在可以提高溶液的电导率，形成持续电流，促进结晶细致，提高电流效率；加入有机酰胺，可以提高阴极极化，扩大电流密度范围，使电结晶趋于细致；脉冲电镀得到镀层效果要比直流电镀得到的镀层效果更佳光亮致密均匀。

在上述具体实施方式中，所采用的卤盐是溴化钠、溴化钾、碘化钠和碘化钾中的任意两种混合，以及类似的功能和效果的卤盐均可；所采用的酰胺是甲酰胺、二甲基甲酰胺和乙酰胺中的一种，以及类似的功能和效果的酰胺类均可；所采用的基体是铜、不锈钢、碳钢、或是钕铁硼磁体等导电金属基体等均可。

    在上述具体实施方式中，本发明方法所述采用的卤盐、酰胺和基体，在实施时均可根据具体实施过程进行调整，这样并不违背本发明的思想，也能够实现本发明所述的目的和效果。

下面通过具体实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施例1

步骤一、按摩尔比为80%、18%和2%分别称取尿素、溴化钠和溴化钾混散于干燥的烧杯中并密闭，置于80℃的真空干燥箱中加热4小时，待其全部溶解后加入等体积的甲酰胺，磁力搅拌使其充分混合后经漏斗过滤，获得无色透明的液体。

取上述液体置于三口烧瓶内，在80℃磁力搅拌条件下，缓慢加入1.5mol/L的无水AlCl₃，加料完毕，80℃磁力搅拌2小时，即制得淡黄色透亮离子液体，密封备用。

步骤二、取50ml上述制得离子液体置于电解槽中，以1cm×1cm铜片为阴极，1cm×2cm高纯铝片为阳极。阴极经打磨、碱洗除油、酸洗活化、超声波丙酮洗，超声波水洗；阳极经打磨、碱洗除油、超声波乙醇洗、超声波水洗。在温度为70℃、电流密度为5A/dm²的磁力搅拌下，利用直流电源电镀45min。电镀完成后，镀层迅速经无水乙醇、去离子水冲洗晾干。

步骤三、将电镀铝后的基体用3‰HNO₃在30℃下出光3s；然后用去离子水冲洗；最后用0.2mol/L高锰酸钾溶液60℃下进行钝化处理，钝化时间20s, 形成氧化铝钝化膜。

    上述方法得到铝镀层的厚度为10μm，光亮度极好，结合强度符合一级标准，采用中性盐雾试验96小时，镀层未出现锈点。

实施例2

基于上述实施例1的方法，实施例2所述方法是采用脉冲电镀电源进行电镀45min后，所获得铝镀层厚度为9μm，目测其镀层光亮度较实施例1好，结合强度符合一级标准，进行中性盐雾试验96小时后，镀层仍然未出现锈点。

实施例3

    步骤一、按摩尔比78%：19%：3%分别称取一定量的尿素、溴化钠、碘化钾混散于干燥的烧杯中并密闭，置于80℃的真空干燥箱中加热5小时，待其全部溶解加入等体积的DMF，磁力搅拌使其充分混合后经漏斗过滤，得无色透明的液体。取一定量的上述液体置于三口烧瓶内，在80℃磁力搅拌条件下缓慢加入2mol/L的无水AlCl₃，加料完毕，80℃磁力搅拌2小时，即得到淡黄色透亮的离子液体，密封备用。

    步骤二、取50ml上述离子液体置于电解槽中，以1cm×2cm铜为阴极，1cm×2cm高纯铝片为阳极。阴极经打磨、碱洗除油、酸洗活化、超声波丙酮洗，超声波水洗；阳极经打磨、碱洗除油、超声波乙醇洗、超声波水洗。在温度85℃、电流密度6A/dm²磁力搅拌，利用脉冲电源进行电镀30min。电镀完成镀层迅速经无水乙醇、去离子水冲洗晾干。

步骤三、将电镀铝后的基体用3‰HNO₃在60℃下出光1s；然后用去离子水冲洗；最后用0.2mol/L高锰酸钾溶液80℃下进行钝化处理，钝化时间15s, 形成氧化铝钝化膜。

    此方法得到的铝镀层的厚度为15μm，镀层光亮，结合强度符合一级标准，中性盐雾试验96小时，镀层未出现腐蚀。

实施例4

    步骤一、按摩尔比75%：20%：5%分别称取一定量的尿素、溴化钠、溴化钾混散于干燥的烧杯中并密闭，置于70℃的真空干燥箱中加热5小时，待其全部溶解加入等体积的乙酰胺，磁力搅拌使其充分混合后经漏斗过滤，得无色透明的液体。取一定量的上述液体置于三口烧瓶内，在80℃磁力搅拌条件下缓慢加入1.5mol/L的无水AlCl₃，加料完毕,80℃磁力搅拌1小时，即得到淡黄色透亮的离子液体,密封备用。

 步骤二、取50ml上述离子液体置于电解槽中，以1cm×2cm不锈钢片为阴2cm×2cm高纯铝片为阳极。阴极经打磨、碱洗除油、酸洗活化、超声波丙酮洗，超声波水洗；阳极经打磨、碱洗除油、超声波乙醇洗、超声波水洗。在温度为70℃、电流密度为5A/dm²磁力搅拌下，利用脉冲电源进行电镀90min。电镀完成后，镀层迅速经无水乙醇、去离子水冲洗晾干。

步骤三、将电镀铝后的基体用3‰HNO₃在50℃下出光2s；然后，用去离子水冲洗；最后用0.2mol/L高锰酸钾溶液70℃下进行钝化处理，钝化时间20s, 形成氧化铝钝化膜。

    此方法得到的铝镀层厚度为14μm，镀层光亮，结合强度符合一级标准，中性盐雾试验96小时，镀层未出现腐蚀。

实施例5

    步骤一、按摩尔比80%：18%：2%分别称取一定量的尿素、碘化钠、碘化钾混散于干燥的烧杯中并密闭，置于80℃的真空干燥箱中加热4小时，待其全部溶解加入等体积的甲酰胺，磁力搅拌使其充分混合后经漏斗过滤，得无色透明的液体。取一定量的上述液体置于三口烧瓶内，在70℃磁力搅拌条件下缓慢加入1.6mol/L的无水AlCl₃，加料完毕，80℃磁力搅拌1小时，即得到淡黄色透亮氯化铝离子液体,密封备用。

步骤二、取50ml上述离子液体置于电解槽中，以1cm×2cm碳钢为阴极，2cm×2cm高纯铝片为阳极。阴极经打磨、碱洗除油、酸洗活化、超声波丙酮洗，超声波水洗；阳极经打磨、碱洗除油、超声波乙醇洗、超声波水洗。在温度为75℃，电流密度为4A/dm²磁力搅拌条件下，利用直流电源电镀120min。电镀完成后，镀层迅速经无水乙醇、去离子水冲洗晾干。

 步骤三、将电镀铝后的基体用3‰HNO₃在40℃下出光3s；然后用去离子水冲洗；最后用0.2mol/L高锰酸钾溶液60℃下进行钝化处理15s, 形成氧化铝钝化膜。

     此方法得到的铝镀层的厚度为16μm，呈暗亮色，结合强度符合一级标准，中性盐雾试验96小时，镀层未出现锈点。

实施例6

步骤一、按摩尔比78%：19%：3%分别称取一定量的尿素、溴化钠、碘化钾混散于干燥的烧杯中并密闭，置于80℃的真空干燥箱中加热5小时，待其全部溶解加入等体积的DMF，磁力搅拌使其充分混合后经漏斗过滤，得无色透明的液体。取一定量的上述液体置于三口烧饼内，在75℃磁力搅拌条件下，缓慢加入1.8mol/L的无水AlCl₃，加料完毕后，80℃磁力搅拌2小时，即得到淡黄色透亮离子液体，密封备用。

步骤二、阴极材料钕铁硼磁体镀前处理：马弗炉中300℃烘烤除油2小时；硬脂酸锌140℃封孔30min；30g/L常温除油剂溶液中超声波除油10min；30g/L硝酸，1.0g/L硫脲，室温酸洗除锈60s；25g/L烷基水杨酸，10g/L氟化氢铵，室温活化30s；超声波水洗；35g/L硫酸锌，120g/L焦磷酸钠，8g/L氢氟酸，8/L碳酸钠，80℃浸锌30s。高纯铝片为阳极，阳极经打磨、碱洗除油、超声波乙醇洗、超声波水洗。

步骤三、由于钕铁硼磁体属活性阳极同是又是多孔材料，为使铝镀层能很好的附着在磁体表面，在电镀铝前需要进行镀锌处理。具体工艺为：以经镀前处理的1cm×5cm钕铁硼磁体为阴极，2cm×5cm高纯锌片为阳极，阳极经打磨、碱洗除油、超声波乙醇洗、超声波水洗。电镀液配方为：60g/L氯化锌，200g/L氯化钾，25g/L硼酸，15ml/L添加剂，PH为6，电流密度3A/dm²,电镀时间10min，得到的锌镀层厚度为10μm。去离子水冲洗晾干。

步骤四、以经镀锌的钕铁硼材料为阴极，高纯铝片为阳极，阳极经打磨、碱洗除油、超声波乙醇洗、超声波水洗，所配置离子液体为电镀液。在温度为80℃，电流密度为5A/dm²磁力搅拌条件下，利用脉冲电源电镀90min。电镀完成后，镀层迅速经无水乙醇、去离子水冲洗晾干。

步骤五、将电镀铝后基体用3‰HNO₃在40℃下出光3s；然后用去离子水冲洗；最后用0.2mol/L高锰酸钾溶液70℃下进行钝化处理30s, 形成氧化铝钝化膜。

    此方法得到的镀锌铝层厚度为25μm，得到的镀层光亮，结合强度符合一级标准，中性盐雾试验120小时，镀层未出现锈点。

实施例7

离子液体的配置同实施6，此方法采用电镀铜中间层，以经镀前处理的1cm×5cm钕铁硼磁体为阴极，2cm×5cm铜片为阳极，阳极经打磨、碱洗除油、超声波乙醇洗、超声波水洗。镀铜电镀液配方为：180g/L五水硫酸铜，60g/L硫酸，5ml/L添加剂；工艺条件为：温度为30℃，电流密度为1A/dm²，电镀时间为10min。此方法得到的电镀铜中间层的厚度为8μm。此后按照实施例6实施电镀铜的工艺进行。

此方法得到的镀铜铝层厚度为22μm，得到的镀层呈暗亮色，结合强度符合一级标准，中性盐雾试验120小时，镀层未出现锈点。 

Claims (7)

1.一种离子液体中电镀铝的方法，其所述的方法是按以下步骤进行的：

Ⅰ、离子液体的制备

将摩尔含量70%~85%的尿素与总含量15%~30%的卤盐充分混合，在60~90℃加热3~5小时，呈熔融状，后加入等体积的酰胺，搅拌过滤；

取上述液体置于容器内，在60~90℃磁力搅拌条件下，缓慢加入0.2~2.0mol/L的无水AlCl₃，80℃磁力搅拌1~2小时，得到淡黄色的离子液体，密封备用；

Ⅱ、电镀铝

将预处理的基体作为阴极，铝片作为阳极，上述离子液体作为电镀液，控制电镀温度40~90℃，电流密度1~7A/dm²，电镀时间20~120min，选择直流电源或脉冲电源实施电镀；

Ⅲ、后期处理

将电镀铝后的基体置于1～5‰HNO₃溶液中，在温度为30℃~60℃的条件下，浸渍1~5s进行出光处理；后再置于0.1～0.5mol/L高锰酸钾溶液中，在温度为60℃~80℃的条件下，浸渍15~40s进行钝化处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其所述离子液体的制备是将摩尔含量为75%~80%的尿素与总含量为20%~25%的卤盐充分混合，在70~80℃加热4~5小时，呈熔融状，后加入等体积的酰胺，搅拌过滤；

取上述液体置于容器内，在70~80℃磁力搅拌条件下，缓慢加入1.5~2.0mol/L的无水AlCl₃，80℃磁力搅拌1~2小时，得到淡黄色的离子液体，密封备用。

3. 根据权利要求1所述的方法，其所述卤盐是溴化钠、溴化钾、碘化钠和碘化钾中的任意两种混合。

4.根据权利要求1所述的方法，其所述酰胺是甲酰胺、二甲基甲酰胺和乙酰胺中的一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其所述基体可以是铜、不锈钢、碳钢、或是钕铁硼磁体。

6.根据权利要求1所述的方法，其所述出光是在3‰HNO₃溶液中浸渍1~5s，温度为30℃~60℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其所述钝化是在0.2mol/L高锰酸钾溶液60℃~80℃条件下加热15~40s。

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