MẠ NICKEL HÓA HỌC
- Khái niệm mạ hóa học
Mạ hóa học không điện cực, còn được gọi tắt là mạ không điện cực (electroless plating), hay mạ hóa học là một phương pháp mạ có liên quan đến một số phản ứng đồng thời xảy ra trong dung dịch mạ, quá trình mạ xảy ra một cách tự nhiên mà không cần đến việc sử dụng nguồn điện tác động từ bên ngoài. Mạ hóa học khác với mạ điện phân ở chỗ mạ hóa học không sử dụng dòng điện cung cấp từ bên ngoài.
Mạ hóa học nickel (electroless nickel, EN) rất đa dạng trong đó phổ biến nhất ở dải nhiệt độ 85-900C với pH 4.6 - 5.0. Lớp mạ hóa nickel cho ra đa dạng các hàm lượng P và có khả năng chống ăn mòn rất tốt, độ cứng cao nên được sử dụng ở nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, trong một vài trường hợp cần mạ nickel nhưng ở nhiệt độ thấp hơn dải cơ bản, ví dụ các thiết bị kết nối đúc MID (Molded Interconnect Devices) hay mạ antena điện thoại, GPS… yêu cầu nhiệt độ dung dịch mạ hóa nickel ở dải khoảng 60-65 0C; hay lớp mạ lót tạo lớp dẫn điện cho nền nhựa ABS, PC/vải/polymer yêu cầu mạ ở nhiệt độ thấp hơn 400C
Phản ứng diễn ra trong quá trình mạ hóa học nickel không điện cực được diễn tả theo phương trình hóa học tổng quát sau:
NiCl2 + NaH2PO2 + HOH à Ni + 2HCl + NaH(HPO3) (1)
NaH2PO2 + HOH à NaH2PO3 + H2↑ (2)
Mô tả quá trình oxy hóa – khử:
Khử: H2PO2- + H2O à H2PO3- + 2H+ + 2e (3)
Oxi hóa: Ni2+ + 2e à Ni0 (4)
Tổng quát:
Ni2+ + H2PO2- + H2O à Ni0 + H2PO3- + 2H+ (5)
Theo như phương trình phản ứng diễn ra thì ta thấy rằng các ion Ni2+ trong muối NiCl2 bị khử thành kim loại tạo nên lớp mạ, ion hypophosphit (H2PO2)- bị oxi hóa thành ion phosphit (PO2)2-.
Trong quá trình mạ hóa học xảy ra thì axit HCl được tạo thành, đó chính là nguyên nhân làm cho độ pH của trong dung dịch mạ giảm đi trong quá trình mạ. Khi pH của dung dịch giảm cho hiệu suất khử của hypophosphit thấp, do đó tốc độ phản ứng mạ để hình thành nickel bị chậm xuống.
Khi pH hạ xuống tới một mức nhất định thì môi trường dung dịch mạ có tính axit mạnh hơn. Khi đó axit HCl sẽ làm hòa tan kim loại nickel vừa kết tủa trên bề mặt chất nền tạo thành muối NiCl2 theo phương trình sau:
Ni + 2HCl à NiCl2 + H2↑ (1.12)
Để có thể khống chế độ pH trong dung dịch mạ được ổn định trong quá trình mạ, chúng ta cần sử dụng thêm chất phụ gia trong dung dịch mạ. Công ty cổ phần công nghệ vật liệu Metatech chuyên cung cấp phụ gia cho quy trình mạ Nickel hóa học với các sản phẩm như: KM 824 ; Ni 37 ; Ni 70H có hàm lượng P từ thấp đến cao cho chất lượng rất tốt.
Xem thêm các sản phẩm mạ Nickel: https://metatech.vn/ma-niken
- Đặc điểm của quá trình mạ Nickel hóa học
- Thành phần dung dịch
Ta thấy rằng hàm lượng P trong lớp mạ nickel hóa học phụ thuộc rất nhiều vào độ pH, nhiệt độ và tỷ lệ các ion đóng các vai trò khác nhau trong dung dịch. Trong quá trình mạ, nồng độ các nguyên tử, pH và nhiệt độ cũng thay đổi mạnh trên bề mặt vật mạ và các vị trí khác nhau trong bể mạ. Vì vậy, để khắc phục sự cố phân bố không đồng đều trong dung dịch, tuần hoàn và bổ sung dung dịch là rất cần thiết nhằm duy trì nồng độ ion ổn định và đồng đều trong dung dịch. Một đặc điểm ảnh hưởng lớn trong quá trình vận hành bể mạ nickel hóa học là: hiện tượng tự phân hủy.
- Nhiệt độ
Nhiệt độ là một yếu tố rất quan trọng trong quá trình hình thành lớp mạ. Nhiệt độ càng cao thì tốc độ tạo lắng đọng nickel mạ càng nhanh. Tốc độ kết tủa tăng cùng nhiệt độ theo quy luật hàm mũ. Do vậy bể mạ hóa học tốc độ cao nên làm việc ở nhiệt độ cao nhất có thể.
- pH
Điều kiện tốt nhất cho dung dịch mạ nickel hóa học là pH nằm trong khoảng 4,5 – 6. Khi pH quá thấp thì sự kết tủa tạo thành nickel sẽ bị dừng lại do môi trường dung dịch mạ có tính axit phản ứng sẽ phá hủy kết tủa trong suốt quá trình phản ứng. Do đó sự khuấy dung dịch trong quá trình mạ là cần thiết vì pH tại bề mặt dung dịch thấp hơn so với trong lòng dung dịch.
- Ưu nhược điểm
Mạ hóa học có một số ưu điểm quan trọng:
- Mạ hóa học không cần nguồn điện ngoài, phản ứng xảy ra dưới các quá trình tự oxi hóa khử của các muối kim loại có trong dung dịch mạ.
- Lớp mạ bằng phương pháp hóa học màng có độ dày đều hơn, độ xốp thấp nên có độ chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường khác nhau, có độ chịu mài mòn cao, cơ tính cao hơn mạ điện phân.
- Màng được tạo nên có khả năng phân bố tốt hơn mạ điện thể hiện qua sự đồng nhất của lớp mạ trên cùng một bề mặt nền ngay cả những vị trí khó mạ nên có thể ứng dụng mạ cho các chi tiết có hình thù đa dạng, các vật liệu có dạng ống, có ren hay các vị trí bị che khuất, các chi tiết có hình dạng phức tạp.
- Mạ hóa học có thể ứng dụng mạ được lên các vật không dẫn điện như thủy tinh, nhựa, gốm sứ, chất dẻo… Thường gặp nhất là mạ hóa học trên nền là chất dẻo. Các polymer bền ăn mòn, nhẹ, đàn hồi, khi được mạ hóa học các vật liệu đó có thêm lớp kim loại mỏng trên bề mặt sẽ trở thành vật liệu mới được ứng dụng rộng rãi trong các ngành điện tử và công nghiệp[3].
- Có thể tạo nên vật liệu mới bằng cách thay đổi cấu trúc mạ, thành phần pha dung một cách đơn giản nhờ xử lý khâu nhiệt hoàn thiện lớp mạ hay thay đổi các thành phần dung dịch từ đó.
- Có thể mạ hóa học composite như Ni – P – Kim cương, Ni – P – Graphit…đặc biệt Ni – PTFE (polytetrafluoroethylen - Teflon) có tính tự bôi trơn tốt, chống ăn mòn cao, ma sát thấp.
Bên cạnh những ưu điểm quan trọng thì mạ hóa học cũng có một số nhược điểm như sau:
- Mạ hóa học có tốc độ mạ chậm hơn mạ điện phân, lớp mạ hóa học có chiều dày nhỏ, độ dẻo và độ dãn nở thấp.
- Thành phần dung dịch mạ không ổn định, ít bền vững dễ bị ảnh hưởng khi trong dung dịch mạ có sự xuất hiện của tạp chất (bụi, cặn kim loại…).
- Trong quá trình mạ hóa học do sản phẩm từ phản ứng khử các chất cung cấp điện tử và các muối kim loại bổ sung, các cặn bẩn tích lũy trong dung dịch sẽ làm chất lượng màng vật liệu được cần mạ bị giảm xuống.
- Khi thực hiện mạ hóa học thì phải thực hiện ở nhiệt độ tương đối cao.
