在非金属材料表面上形成铜金属层的方法与流程

本发明涉及一种化学镀(chemicalplating)工艺的领域，特别是一种的在非金属材料表面上形成铜金属层的方法。

背景技术：

电镀在非金属材料(塑料，陶瓷，玻璃和木材等)上已广泛应用于工业中，由于电镀表面具有耐腐蚀性、强韧性、耐磨和美观性等特性，因此在非金属材料上电镀的技术已广泛应用于许多产品和产业，例如汽车，消费品，管道，玩具，食品和饮料以及化妆品。

无电极电镀(electrolessplating)又称为化学镀(chemicalplating)，化学镀是在无外加电流的情况下藉助合适的还原剂，使化学镀溶液中的金属离子通过氧还原反应还原成金属，并沉积到经过活化处理的零件表面的一种金属镀覆技术。在非金属材料的表面形成牢固的电镀金属，非金属材料需要通过预处理步骤，以增强电镀金属在非金属材料表面的附着力。

非金属材料的常规电镀程序一般包括两个步骤：表面预处理和金属电镀。表面预处理涉及一些化学处理和反应的工序，例如清洁(cleaning)，蚀刻(etching)，敏化(sensitization)，活化(activiation)和加速(acceleration)。使用强氧化剂如三氧化铬(chromiumtrioxide)和硫酸混合物使表面粗糙化以获得良好的机械粘着性，以及产生微孔用以作为金属和基材之间的粘合位点。

现有技术在非金属材料的表面用三氧化铬，硫酸和水的混合物，或是这些无机成分和磷酸的混合物预处理。然而，这种方法存在许多缺点，其中预处理溶液中含有的六价铬是具有遗传毒性的致癌物质，具有高度危险性。接触六价铬的工人有遭受肺癌，哮喘或鼻上皮和皮肤损伤的风险。六价铬的使用可能会对环境造成长期污染，并且在美国，欧洲和中国的电子工业中被广泛禁止使用。在中和的同时，形成大量的氢氧化铬，这种处理显著地阻碍了所用组合物的去除。此外，该已知方法的预处理溶液具有很强的腐蚀性，需要大量的水才能将其从非金属材料表面中完全除去。此外，电镀前的常规表面预处理过程复杂且耗时。由于预处理溶液的处理和其使用的组合物有关，为了更容易处理使用过的预处理溶液，必须减少六价铬化合物以及中和还原产物。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种在非金属材料表面上形成铜金属层的方法。

本发明发现功能性碳粉末材料可作为是化学镀铜的催化剂，基于解决上述的技术问题，本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的优选方法，包括以下步骤：一种在非金属材料表面上形成铜金属层的方法，包括：制备碳基化学镀催化剂油墨；将所述碳基化学镀催化剂油墨喷涂在非金属材料表面然后干燥所述碳基化学镀催化剂油墨；以及将表面具有该碳基化学镀催化剂油墨的非金属材料浸泡在一化学镀溶液中，进而在碳基化学镀催化剂油墨上形成一铜金属层。

其中非金属材料包括：塑料、陶瓷、木材、玻璃和布料其中的任一种。

其中碳基化学镀催化剂油墨是由功能性碳粉末材料、分散剂、增稠剂(thicker)和溶剂组成的混合物。

其中功能性碳粉末材料是含有氧官能团的碳粉末材料，所述含有氧官能团的碳粉末材料的氧含量是所述含有氧官能团的碳粉末材料的5wt％至50wt％。

其中功能性碳粉末材料进一步掺杂有氮(n)、硫(s)、硼(b)、氟(f)和磷(p)其中任一种元素或其组合，所述该功能性碳粉末材料含有的所述元素组合的含量是所述功能性碳粉末材料的1wt％至20wt％。

其中含有氧官能团的碳粉末材料是石墨烯、石墨、碳纳米管、炭黑和活性炭其中任何一种的氧化物。

其中含有氧官能团的碳粉末材料的含量为所述混合物的0.5wt％～30wt％(重量百分比)。分散剂的含量为所述混合物的0.05wt％～20wt％(重量百分比)，所述分散剂可以是离子型或非离子型分散剂。溶剂可选自有机、无机或含水体系，溶剂的含量为所述混合物的30wt％～90wt％(重量百分比)。

其中碳基化学镀催化剂油墨的成分包括由聚合物、树脂和粘合剂(binder)制成的粘着剂(adhesive)，所述粘着剂的含量是所述混合物的0.1wt％至30wt％。

其中分散剂是离子分散剂或非离子分散剂，所述溶剂是纯水、有机溶剂和无机溶剂中的任何一种或其组合。

本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的有益效果在于，本发明方法可以为现有化学镀铜工艺中使用的催化剂提供一种替代方案，实现不需要使用六价铬和钯作为催化剂的目标，并且具备环保，低成本和节省时间的优点。

有关本发明的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的一种实施方式步骤流程图；

图2a和图2b是本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的构造示意图；

图3是本发明范例1测试样本图；

图4是本发明范例2测试样本图；

图5是本发明范例3测试样本图。

符号说明

10碳基化学镀催化剂油墨

20非金属材料30铜金属层

具体实施方式

在下文的实施方式中所述的位置关系，包括：上，下，左和右，若无特别指明，皆是以图式中组件绘示的方向为基准。

首先请参阅图1，是本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的一种实施方式步骤流程图。本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的优选实施方式，包括以下步骤：

a.制备一碳基化学镀催化剂油墨10；

b.将碳基化学镀催化剂油墨10喷涂(spraying)或通过印刷(printing)的方式涂覆在非金属材料20的表面(见图2a)，其中非金属材料包括：塑料、陶瓷、木材、玻璃和布料其中的任一种；

c.干燥喷涂在非金属材料20的表面的碳基化学镀催化剂油墨10；以及

d.将表面具有所述碳基化学镀催化剂油墨10的非金属材料20浸泡在一化学镀溶液中，进而在非金属材料20的表面的碳基化学镀催化剂油墨10上形成一铜金属层30(见图2b)。

作为本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的优选实施方式，其中碳基化学镀催化剂油墨是由功能性碳粉末材料、分散剂、增稠剂(thicker)和溶剂组成的混合物。优选的一种实施方式，所述功能性碳粉末材料是含有氧官能团的碳粉末材料，其中含有氧官能团的碳粉末材料是石墨烯、石墨、碳纳米管、炭黑和活性炭其中任何一种的氧化物，所述含有氧官能团的碳粉末材料的氧含量是所述含有氧官能团的碳粉末材料的5wt％至50wt％。

作为碳基化学镀催化剂油墨的所述混合物，其中含有氧官能团的碳粉末材料的含量占所述混合物的0.5wt％～30wt％(重量百分比)。分散剂的用量为所述混合物的0.05wt％～20wt％(重量百分比)，所述分散剂可以是离子型或非离子型分散剂。溶剂可选自有机、无机或含水体系，溶剂的含量占所述混合物的30wt％～90wt％(重量百分比)。

作为本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的进一步优选实施方式，其中功能性碳粉末材料进一步掺杂有氮(n)、硫(s)、硼(b)、氟(f)和磷(p)其中任一种元素或其组合，所述该功能性碳粉末材料含有的所述元素组合的含量是所述功能性碳粉末材料的1wt％至20wt％。

作为本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的进一步优选实施方式，所述碳基化学镀催化剂油墨的成分进一步包括由聚合物、树脂和粘合剂(binder)制成的粘着剂(adhesive)，所述粘着剂的含量是所述混合物的0.1wt％至30wt％。优选的实施方式之一包括使用树脂或聚合物用作粘着剂并且施加至少一种粘合剂。值得注意的是，当使用石墨烯薄片(grapheneflake)或氧化石墨烯(grapheneoxide)作为含有氧官能团的碳粉末材料时，不一定使用任何聚合物或树脂作为粘合剂。增稠剂的含量占混合物的0.01wt％～10wt％也可制成适合的碳基化学镀催化剂油墨。

范例1

作为本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的一种范例，将制备的碳基化学镀催化剂油墨喷涂在非金属材料表面(见图3(a))，然后在烘箱中在100℃下干燥20分钟，干燥完成后置于50℃～70℃的甲醛基化学镀液中镀浴中30～120分钟，进而在碳基化学镀催化剂油墨上获得均匀的铜沉积(见图3(b))。

范例2

作为本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的另一种范例，选用陶瓷材料作为非金属材料，将制备的碳基化学镀催化剂油墨喷涂在非金属材料表面(见图4(a))，然后在烘箱中在100℃下干燥20分钟，干燥完成后置于50℃～70℃的甲醛基化学镀液中镀浴中30～120分钟，同样可以在在碳基化学镀催化剂油墨上获得均匀的铜沉积(见图4(b))。

范例3

作为本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法的另一种范例，选用木材作为非金属材料，将制备的碳基化学镀催化剂油墨喷涂在非金属材料表面(见图5(a))，然后在烘箱中在100℃下干燥20分钟，干燥完成后置于50℃～70℃的甲醛基化学镀液中镀浴中30～120分钟，同样可以在在碳基化学镀催化剂油墨上获得均匀的铜沉积(见图5(b))。

范例3测试样本图照

通过上述列示的范例1～范例3可以了解，本发明在非金属材料表面上形成铜金属层的方法可以应用在多种不同的非金属材料，为现有化学镀铜工艺中使用的催化剂提供一种替代方案，实现不需要使用六价铬和钯作为催化剂就能在非金属材料的表面形成铜金属，并且具备环保，低成本和节省时间的优点。

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。