表面活性剂的特殊分子结构及其在溶液中的存在形态,赋予其不少特殊的功效。此处仅就与电镀关系密切的作用作简单的介绍。
1、吸附作用
将固体物放入含表面活性剂的水溶液中,其分子中的憎水基会朝向固体表面,亲水基朝向水溶液而发生定向排列,具有吸附作用。例如氯化钾镀锌液中所采用的添加剂中含有大量表面活性剂,它们吸附在阴极表面而形成一层吸附膜,锌离子必须穿过这层膜才能还原为锌原子,增加了锌离子放电的困难程度,使镀层结晶细致(详见第四、第五讲)。某些电镀添加剂中的表面活性物质组分,在工件微观凹下与凸起部分的吸附量各不相同:凹下部分吸附少,形成的吸附膜薄;凸起部分吸附多,膜层厚。这就使金属离子在凹下的膜薄处比在凸起的膜厚处更易放电还原为金属原子,凹下部分镀层加厚更快,从而起到整平作用。这种吸附有时称为选择性吸附。
2、润湿作用与渗透作用
搞过电镀的人都知道,当工件表面除油不净时,有油部分全无水膜或挂有水珠(即平时所说的“不亲水”、“不巴水”)。水中有表面活性剂时,因其对水滴的扩张作用、粘附作用、浸渍作用(类似于毛细管作用),能扩大亲水面积,使表面亲水性增大。这就是一种润湿现象。表面活性剂的这种提高润湿性的作用就叫润湿作用。有经验的操作者都有体会:在加有表面活性剂的除油液中除油后冷水清洗一次,工件表面已全部亲水;但在活化、水洗后再看,有时表面又有水珠了。其原因是:除油一次水洗后并未洗尽表面残留的表面活性剂,其润湿润作用的假象使人误以为除油已干净;实际上,再经活化、水洗后才真正洗净了表面活性剂,而未被除净的油此时才原形毕露,导致工件表面局部又不亲水了。所以,除油后要求先热水洗再冷水洗,而且检查油除尽与否应在活化、水洗后再看表面是否有一层完整水膜。同样,在镀镍液中不加十二烷基硫酸钠等润湿剂时,工件表面亲水性不好,产生的氢气泡容易附着牢固而不能及时排出,镀层会起气体针孔、麻点。
把厚的羊毛毡或棉絮放入水中,水很难渗透进去。若水中加入一些表面活性剂,水就容易渗透进去。表面活性剂的这种提高水渗透能力的作用称为渗透作用。原因是其定向吸附在纤维表面,亲水基向外,增强了纤维对水的亲和力。除油液中的表面活性剂因具有渗透作用,故更易使除油液通过油膜的孔隙、裂纹渗透入油膜内而加快除油速度。在酸洗液中加入耐酸的表面活性剂,同样能使酸更易进入氧化膜或锈层中而加快酸洗速度。
3、分散与凝聚作用
把集合体分开为单个粒子的过程叫分散。单个粒子由于多种作用力而会聚在一起,成为凝集体或凝结体。能够抑制粒子凝聚的物质称为分散剂。表面活性剂由于润湿、渗透与定向吸附等的共同作用而能起分散作用。例如,在除油液中它们可以将凝聚的油膜分散为小油滴而加快除油。在复合电镀前,往往要将不溶于水的无机或有机微粒先以适当的表面活性剂溶液进行预处理,加入镀液后才不易凝聚而沉降。现代纳米电镀的关键技术之一是实验选择分散性好、对镀液无害的表面活性剂作为分散剂。若镀液(或纳米浆料)中不加入分散剂,纳米微粒由于其表面能很高,必然自行团聚为凝聚体而失去纳米特性。
与分散作用相反,使细微粒子凝聚为大的凝聚体的作用叫凝聚作用。凝聚后的凝聚体因重力作用而容易沉降。具有这种凝聚作用的物质叫凝聚剂。有时生成的凝聚体呈絮状、矾花状,故又专称为絮凝剂。某些表面活性剂具有良好的絮凝作用。例如在用化学法处理电镀废水时,多数情况下生成的重金属氢氧化物或硫化物的粒径很小甚至呈胶体状,很难自然沉降而被分离去除。此时若加入少量大分子量的聚丙烯酰胺,则能使它们很快凝聚成絮凝物而沉降。另外,絮凝剂也常用在酸性光亮镀锡液中,以沉降乳白色的有害的β–锡酸。某些无机化合物如三价铁盐、明矾、碱式氯化铝,也有凝聚作用。例如用高锰酸钾氧化除去氯化物镀锌液中的二价铁杂质时,反应生成的三价铁盐本身有絮凝作用,会很快使氢氧化铁絮凝沉降(用双氧水氧化则较难沉降)。
表面活性剂的分类方法很多,根据疏水基结构进行分类,分直链、支链、芳香链、含氟长链等;根据亲水基进行分类,分为羧酸盐、硫酸盐、季铵盐、PEO衍生物、内酯等;有些研究者根据其分子构成的离子性分成离子型、非离子型等,还有根据其水溶性、化学结构特征、原料来源等各种分类方法。但是众多分类方法都有其局限性,很难将表面活性剂合适定位,并在概念内涵上不发生重叠。
人们一般都认为按照它的化学结构来分比较合适。即当表面活性剂溶解于水后,根据是否生成离子及其电性,分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。
按极性基团的解离性质分类
1、阴离子表面活性剂:硬脂酸,十二烷基苯磺酸钠
2、阳离子表面活性剂:季铵化物
3、两性离子表面活性剂:卵磷脂,氨基酸型,甜菜碱型
4、非离子表面活性剂:脂肪酸甘油酯,脂肪酸山梨坦(司盘),聚山梨酯(吐温)
资讯来源:表面活性剂 扬州晨化新材料股份有限公司