硅灰石的化學鍍鎳及其導電性能宰|wollastonite

作者： 馮文林 時間：2022-01-05 13:48:19 閱讀：318

硅灰石的化學鍍鎳及其導電性能宰|wollastonite

 硅灰石的化學鍍鎳及其導電性能宰

摘要：采用化學鍍方法制備鍍鎳針狀硅灰石粉，以SEM表征鍍鎳粉的形貌，XRD表征其結構，柱塞式裝置評價其導電性。結果表明：當鹽酸溶液pH值大于1.5時與硅灰石反應8min，酸性溶液對硅灰石表面的侵蝕不明顯?；瘜W鍍鎳過程中，硅灰石分別經pH值為3.0的敏化液和活化液處理3min和Smin，鍍鎳硅灰石保持原有的針狀結構，表層包覆鎳磷合壘，具有良好的導電性。

  無機粉體經化學鍍金屬化后，具有良好的導電性，在電磁屏蔽、抗靜電、復合導電功能材料領域，具有廣闊的應用前景。目前，用化學鍍處理使粉末表層金屬化的無機粉體，包括SiC、Al203. Zr02.Fe3O4、Si02、石墨、金剛石、玻璃、云母、蒙脫石、莫來石等，但對廉價硅灰石化學鍍的研究仍鮮見報道?？赡艿念檻]是，硅灰石的主要成分為偏硅酸鈣，而化學鍍的敏化和活化溶液多呈酸性，硅灰石易與酸反應而溶解，甚至文獻中有采用硅灰石與鹽酸反應制備白炭黑的報道。針狀硅灰石粉末是絕緣體，若制成針狀導電粉末，將能拓展其應用范圍。因此，本試驗首先研究酸性溶液對針狀硅灰石形貌的侵蝕狀況，然后選擇合適的條件對其進行化學鍍鎳，研究鍍鎳硅灰石的結構和電性能。

1  實驗方法

1.1  試驗原料與試劑  硅灰石原料，購自江西省上高縣華杰泰礦纖辯技有限公司，1000目針狀粉體，熔點1540℃，密度為2.87～3.09g/cm3。其化學組成(%): Si02,49～52; Ca0244~47; Fe203,≤0.2; Al203,≤0.12; Mg02≤2.5;S,≤0.001;P,≤0.001。氯化鎳(NiCl2．6H2O)，分析純，上海試劑總廠；次亞磷酸鈉(NaHPO2．H2O)，分析純，浙江紅旗試劑化工廠；氯化銨NH4CI)，分析純，天津市大茂化學試劑廠檸福建省青年科技人才創新項目資金資助（編號2002J020）檬酸三鈉cC。HsNa，0，．2H：O)，分析純，天津市大茂化學試劑廠；氯化亞錫(SnCI：2H20)，分析純，天津市大茂化學試劑廠；氯化鈀，分析純，國藥集團上?；瘜W試劑公司；氫氧化鋪，分析純，國藥集團上?；瘜W試劑公司；氨水(25%)，分析純，上海試劑總廠；鹽酸(37%)，分析純，廣州化學試劑廠。

1.2  鹽酸對硅灰石的侵蝕實驗根據化學鍍的通常狀況，假定敏化和活化的酸性溶液處理總時間為8min，溫度為56士1℃。先用不同pH值的鹽酸與硅灰石進行反應，以確定敏化和活化過程合適的pH值范圍，然后按通常的化學鍍程序對硅灰右粉鍍鎳。

    將1.5g硅灰石粉倒入500ml燒杯，放進超聲振蕩器中，分鄹與pH值等于3.0、2.1、1.2和0.5左右的lOOml鹽酸溶液反應，反應過程中滴加稀鹽酸使pH值恒定。在56±l℃F反應8min后，將硅灰石粉迅速取出并洗凈，用400倍顯微鏡觀察其形貌變化。

    1.3  硅灰石表面的化學鍍鎳稱取12.Og硅灰，在360r/min的機械攪拌和超聲振蕩(頻率4kHz，功率160W)條件下，分別用500ml各種處理液進行堿洗、敏化和活化，其工藝參數見表l。根據硅灰石鹽酸侵蝕實驗結果和兼顧反復使用的處中硅酸鹽的可能累積，選擇預處理的敏化與活化反應過程中的pH值為3.0左右。硅灰石化學鍍鎳時，溫度控制在75～85℃，鍍液的配方見表2。將活化后的硅灰石粉緩慢倒入配好的lOOOml鍍液中，1min后鎳沉積開始，整個溶液呈沸騰狀，鍍液逐漸由藍變為黑色，并有大量氣泡產生。沸騰狀態持續幾分鐘后停止，沉積過程基本結束。在實驗過程中，為增加鍍層的厚度，每Smin滴加2倍濃縮鍍液20ml，并通過滴加25%的氨水，穩定溶液的pH值在8.5左右。施鍍45min后，將鍍液靜置一段時間，在燒杯底部沉積出一層黑色粉末。此產物經蒸餾水清洗五遍，放入真空干燥箱烘干，然后冷卻，即得鍍鎳硅灰石粉體。1.4  鍍鎳硅灰石粉的電性能和結構表征將lg鍍鎳粉倒入內徑為11.70mm的尼龍圓筒中，并插入配合良好的銅電極，其兩端分別與HF2512B型智能直流電阻儀的兩端電極連接，然后把柱塞系統安裝在萬能試驗機上，以5N/s的速度加載，每隔50N記錄一次壓力和電阻數據。

    粉末衍射儀（日本島津公司），射線為CuKa，加速電壓35kV，管電流20mA，掃描速度為80/min。電鏡測試采用JEOL JSM-6700F場發射電鏡進行圖像掃描和能譜分析。

2結果與討論

2.1 pH值對硅灰石形貌的影響硅灰石與一系列

不同pH值(2.1、1,2和0.5)的鹽酸溶液，在56℃F反應8min后的400倍顯微照片，見圖l。當pH值≥2.1時，針狀硅灰石形貌沒有變化，其表面光滑。

當pH值在1.2時，硅灰石與鹽酸溶液的反應明顯加速，部分針狀顆粒的表面變得粗糙，最示出明顯的侵蝕，但仍保持針狀形態。而當溶液pH值下降為0.5時，硅灰石與鹽酸反應速度很快，反應8min就能對硅灰石產生嚴重侵蝕，針狀尺寸顯著減小，甚至斯裂。上述試驗表明，pH值小于2.1反應8min時，鹽酸能對硅灰石表面產生明顯的侵蝕，同時生成硅氧化合物混入處理液。因此，化學鍍的敏化液與活化液的pH值以3.0左右為宜。2.2  硅灰石化學鍍鎳過程的形貌變化預處理和化學鍍鎳過程中，硅灰石的形貌變化，見圖2。硅灰石經堿清洗和敏化液處理后，其表面未發生明顯侵蝕；再經活化液處理后，仍保持針狀形態，但表面略變粗糙?；瘜W鍍鎳后，硅灰石粉表面發黑，但仍保持良好的針狀形態?？梢?，當預處理的敏化和活化過程的pH值等于3.0時，鹽酸對硅灰石的化學侵蝕基本可忽略，能獲得形態完整的鍍鎳針狀硅灰石粉。

2.3  鍍鎳硅灰石的結構分析鍍鎳硅灰石粉的

XRD圖譜，見圖3。圖中衍射曲線沒有出現明顯的硅灰石結晶衍射峰，表明鍍鎳硅灰石粉表面基本上被其它結晶物質包覆。衍射曲線20角在44.6。有很強的吸收峰，52.0。也有弱吸收峰，它們分別對應金鎳的[Ill]和[200]晶面的衍射吸收蜂，證實硅灰石表面存在大量的鎳金屬。由于52.0。衍射峰吸收較弱，說明鍍層中存在磷元素并與鎳形成鎳磷合金㈣。鍍鎳硅灰石粉的XRD衍射峰較寬，表明鍍層 鎳磷含金以微晶的形式存在。

粉末的徑向尺寸和長度分別分布在5~25Ltm和 70～220Um之閥。高倍電鏡照片顯示，硅灰石粉表面的鎳層由顆粒狀的鎳單質堆積而成，顆粒的直徑約為150～300nm。鍍鎳硅灰石表面的能譜分析證實了大量鎳和磷元素的存在，其原子比約為9.6：1(圖5)，能譜中有少量的鈣、硅和氧元素存在，其原因可能是鎳鍍層較薄。  圖3鍍鎳硅灰石粉XRD圖譜鍍鎳硅灰石粉電鏡照片，見圖4。由圖可知，粉末的徑向尺寸和長度別分布在5~25Ltm和 70～220tm之間。高倍電鏡照片顯示，硅灰石粉表面的鎳層由顆粒狀的鎳單質堆積而成，顆粒的直徑約為150～300nm。鍍鎳硅灰石表面的能譜分析證實了大量鎳和磷元素的存在，其原子比約為9.6：1(圖 5)，能譜中有少量的鈣、硅和氧元素存在，其原因可能是鎳鍍層較薄。  

2.4  鍍鎳硅灰石粉的導電性鍍鎳硅灰石粉具有良好的導電性，其lg粉末的電阻，壓力變化曲線見圖6。

由圖可知，隨著壓力的增大，粉密實度增加，導電性增大，高壓力下的測試結果接近粉末本體材料的導電率。在50N載荷下，lg鍍鎳硅友石粉測試的電阻為0.03Q,在2000N壓力下則為.0017Q。而N990炭黑粒子直徑為0.2-0.6μm，熱處理后導電性增強。在50N載荷下lg熱處理N990炭黑的電阻為0.243，2000N下變.0256Q?？梢?，鍍鎳硅灰石粉電阻率是熱處理N990炭黑的1/15.1，其電阻率估算值為0.0055Qcm。

3結論

 控制化學鍍過程中敏化和活化處理液的pH值為3.0、處理溫度分別為室溫和56℃以及處理的PH值為8min，能防止硅灰石粉被鹽酸的反應侵蝕，使鍍鎳硅灰石完全保持原有的針狀形態。硅灰石鍍鎳后，針狀表面包覆了150～300nm的鎳磷合金粒子，具有較高的導電性，其電導率比熱處理過的N990炭黑高出14.1倍。鍍鎳針狀硅灰石粉兼有高的長徑比和良好的導電性，因此，可用于制備具有電磁屏蔽特性的高導電性塑料、抗靜電塑料和具有正溫度系數電阻突變(PTC)的功能復合材料等。