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カーボン材料のめっき方法およびカーボン材料と樹脂を含有した基材のめっき方法
説明

カーボン材料のめっき方法およびカーボン材料と樹脂を含有した基材のめっき方法

【課題】環境に負荷をかけずに、カーボン材料に金属をめっきする方法、及び、樹脂の種類を問わず多くの樹脂をめっきすることができる方法を提供する。
【解決手段】5重量%以上のカーボン材料と樹脂とを含有する基材を、オゾン水に浸漬して表面処理する。これにより、基材表面が親水化される。次に、上記基材に無電解めっきを含むめっき処理を施すことにより、基材表面に金属皮膜を形成する。この方法は、樹脂製の放熱部材の製造に適用することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、オゾンを利用した前処理工程を経て、カーボン材料をめっきしたり、カーボン材料と樹脂を含有した基材をめっきする方法に関する。
【背景技術】
【0002】
樹脂成形品(樹脂基材)に金属をめっきして、自動車や家電製品等の部品を製造することは周知である。
樹脂基材としてはABS樹脂が最も多く用いられており、この樹脂基材の表面をエッチングにより粗化し、その後で基材表面に無電解めっきを施し、さらに必要に応じて電解めっきを施すことにより、金属皮膜を形成する。
【0003】
上記樹脂基材の表面のエッチング処理には一般的にクロム酸・硫酸が用いられるが、環境への負荷が大きいので、他の手段が種々提案されている。
例えば、特許文献1に開示された方法では、ABS樹脂の基材を100°Cと高温に加熱した容器に入れて100g/mの高濃度のオゾンガスにさらすことにより、基材表面を粗化している。また、この特許文献1では、オゾンガス処理と紫外線照射を組み合わせることにより、基材表面のエッチング深さを増大させることも提案されている。
【0004】
特許文献2に開示された方法では、オゾンを溶解させた炭酸水素化合物水溶液中にABS樹脂等からなる基材を浸漬することにより、基材表面のエッチング深さを確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平1−92377号公報
【特許文献2】特開2001−131759号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上述したように、環境への負荷が少ないオゾン前処理工程で樹脂基材の表面をエッチング処理した後、基材の表面に金属をめっきすることは公知であるが、オゾン前処理工程を経てカーボン材料にめっきにより金属を付着させることは、未だ提案されていない。
また、現在のところ、環境への負荷を伴うか伴わないかを問わず、金属をめっきすることができる樹脂の種類は限られており、樹脂の種類を問わずにめっきを行える方法は未だ提案されていない。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本発明は、めっき方法において、カーボン材料をオゾン水に浸漬する前処理工程と、上記カーボン材料に無電解めっき処理を施すことにより、金属を付着させるめっき工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明者は、カーボン材料がオゾン処理により無電解めっきに適した表面状態になることを発見した。カーボン材料がオゾン水と反応することにより、C=O基やOH基、COOH基等の官能基が生成され親水化されることも確認した。親水化されたカーボン材料には、無電解めっきにより金属が付着され易くなるのである。
上記のようにオゾン水を用いて前処理するため、環境に負荷をかけずに低コストでめっき処理を行うことができる。
金属を付着したカーボン材料は、例えば各種摺動材や放熱材、導電性を必要とするコネクター、電気接点材料、電極等に利用することができる。
【0008】
上記カーボン材料として、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、グラフェンのうちの少なくとも一つ、あるいはそれらを複合させたものが用いられる。
カーボン材料の形態は、粉末状、成形体等、どのような形態であってもよい。
【0009】
本発明者は、上記のようにオゾン水によるカーボン材料の前処理で良好なめっき処理を行えたことを踏まえ、さらに樹脂を含む基材のめっき方法の発明に至った。
すなわち、このめっき方法は、カーボン材料と樹脂とを含有する基材を、オゾン水で表面処理する前処理工程と、上記基材に無電解めっきを含むめっき処理を施すことにより、基材表面に金属皮膜を形成するめっき工程と、を備えたことを特徴とする。
この方法では、前処理工程において基材表面のカーボン材料がオゾン水により親水化され、無電解めっきに適した表面状態になるため、金属皮膜を形成することができる。
カーボン材料は5重量%以上とするのが好ましい。5重量%未満であると、カーボン材料の親水化による効果が期待できないからである。なお、カーボン材料の含有率に上限はなく、樹脂の含有率を上回っていてもよい。
【0010】
上記方法が最も効果を発揮するのは、一般的なめっきが困難か良好に行われない樹脂を基材に用いる場合である。このような樹脂として、ポリエーテルエーテルケトン(以下、PEEKと称する)、ポリアミド(商標名:ナイロン)等、耐熱性、高強度を有する樹脂が挙げられる。ただし、本発明方法では、上記樹脂に制約されず、全ての樹脂を用いることができる。
上記方法では、めっき工程において無電解めっきの後で電解めっきを行なうことが多いが、無電解めっきだけでもよい。
【0011】
オゾン水の温度は、常温または常温に近い温度範囲5〜50℃とする。5℃未満では反応速度が遅くなり、十分にオゾン処理されない。50℃を超えると、上記前処理効果を発揮できるレベルにオゾンを溶解させることが困難になる。より好ましくは20〜40℃である。
オゾン濃度が10ppm未満であると時間をかけてもオゾン水処理の効果が得られない。60ppmは常温での飽和濃度に近く、60ppmを超えるとそれ以上オゾンを溶解させるのが困難となる。より好ましくは、20〜50ppmである。
浸漬時間は、3分以上である。3分未満であると十分に親水化が十分になされないからである。浸漬時間は長くてもよいが、経済的観点からの制約を受ける。好ましくは、5〜10分である。なお、浸漬時間が長くなると、基材表面の粗化も伴う。
【0012】
上記前処理工程では、基材をオゾン水に浸漬する代わりに、基材表面にオゾン水を吹き付けてもよい。オゾン水のオゾン濃度、温度、吹き付け時間(処理時間)は、浸漬する場合と同等でよい。
【0013】
オゾン水溶液には、微量の界面活性剤、有機溶剤、酸(無機酸、有機酸)等を添加してもよい。
【0014】
本発明の応用例として、上記基材が耐熱樹脂からなり、ベース部とこのベース部と一体をなす多数のフィンを有し、この基材に上記金属皮膜を形成することにより放熱部材を得る。
これによれば、高い放熱特性を有する軽量な放熱部材が得られる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、環境に負荷をかけることなく低コストで、カーボン材料に金属を付着したり、カーボン材料と樹脂の混合材料からなる基材に金属皮膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の第1実施形態に係わるカーボン材料のめっき方法を、工程順に示すフローチャートである。
【図2】同めっき方法において、オゾン水による前処理工程で用いられるシステムの概略図である。
【図3】同めっき方法において実行される濾過・水洗工程を示す概略図である。
【図4】本発明の第2実施形態に係わるカーボン材料と樹脂を含有した基材のめっき方法を、工程順に示すフローチャートである。
【図5】同めっき方法において、オゾン水による前処理工程で用いられるシステムの概略図である。
【図6】同めっき方法を応用して製造された放熱部材の概略側面図である。
【図7】同放熱部材の一部を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の第1実施形態に係わるカーボン材料のめっき方法を、図1に示す工程順に説明する。
【0018】
オゾン水処理S1
図2に示すように、粉状のカーボン材料1を、処理槽2中のオゾン水3に浸漬する。この処理槽2中のオゾン水3のオゾン濃度は一定に維持されており、10〜60ppm、好ましくは20〜55ppmである。このオゾン水温度も一定に維持され、5〜50℃、好ましくは20〜40℃である。
【0019】
上記処理槽2にはオゾン溶解モジュール4が収容されている。オゾン溶解モジュール4において、オゾン源5からのオゾンが、処理槽2内の水に溶解する。オゾン溶解モジュール4から排出されたオゾンは圧力調整弁6を通り、オゾン分解装置(図示しない)で分解されて酸素となり、大気に放出される。
【0020】
カーボン材料1を浸漬したオゾン水3は、撹拌器7により撹拌される。これによりカーボン材料1が処理槽2の底部に沈殿することなく、均等にオゾン処理される。なお、撹拌器として、マグネット式撹拌器をもちいてもよい。この場合には処理槽2の底部にマグネットチップを置き、これに処理槽2の外部から回転磁界を付与して回転させる。
【0021】
上記オゾン水処理で、カーボン材料1は親水化される。すなわち、オゾンとの化学反応によりカーボン材料1には、C=O基やOH基、COOH基等の官能基が生成される。
上記オゾン水処理S1後に、図3に示すようにカーボン材料1をフィルター8で濾過しながら水洗を行う。
【0022】
コンデショナー処理S2(表面調整)
次に、カーボン材料の粉末をコンディショナー液に浸漬することにより表面調整を行い、その後で上記と同様に濾過・水洗を行う。
上記工程S1,S2で前処理工程が終了し、以下の無電解めっき工程S3〜S5に移行する。
【0023】
キャタリスト処理S3(触媒付着)
次に、カーボン材料を例えばPd−Sn錯体を含むキャタリスト溶液中に浸漬して、カーボン材料にPd−Sn錯体を付着させる。その後で、カーボン材料を上記と同様に濾過・水洗する。
【0024】
アクセレータ処理S4(触媒活性化)
次に、カーボン材料をアクセレータ溶液中に浸漬して、スズ塩を溶解させ、カーボン材料の表面にめっき触媒としての金属パラジウムを生成させる。その後で、カーボン材料を上記と同様に濾過・水洗する。
【0025】
無電解めっきS5
金属例えばNiを無電解めっきしてカーボン材料に金属を付着させる。その後で上記と同様に濾過・水洗し、最後に乾燥する。
【実施例1】
【0026】
カーボン材料として、カーボンファイバー(帝人株式会社製のラヒーマRa301)を用いた。
【0027】
上記オゾン水処理工程では、オゾン濃度50ppm、温度25℃のオゾン水5Lに,上記カーボンファイバー25gを投入し、5時間撹拌した。図2のオゾン溶解モジュール4として、株式会社イーアールシーの非多孔質膜モジュールを用いた。この非多孔質膜モジュール内をオゾン発生源5からのオゾンガスが流れ、このオゾンが非多孔質膜モジュールを形成する膜を介して、処理槽2内の水に溶解するようになっている。
オゾン水処理後のカーボンファイバーを赤外分光分析計を用いて測定したところ、C=O基、OH基、COOH基等の官能基の生成が確認された。
【0028】
上記コンディショナー処理では、オゾン水処理済みのカーボンファイバー5gを、1Lの処理液(奥野製薬工業株式会社製のコンディライザーSPの水溶液150ml/L)に温度50℃で10分間浸漬した。
【0029】
キャタリスト処理では、カーボンファイバー5gを1Lの処理液(奥野製薬工業株式会社製のキャタリストC15ml/Lと塩酸200ml/Lの水溶液)に温度30℃で5分間浸漬した。これにより、Pd−Sn錯体(Pd−Sn化合物)をカーボンファイバーに吸着させた。
【0030】
アクセレータ処理では、カーボンファイバー5gを1Lの処理液(10vol%硫酸)に50℃で5分間浸漬した。これにより、カーボンファイバーの表面においてスズ塩を溶解させ、金属パラジウムを生成した。
【0031】
無電解めっき処理では、カーボンファイバー5gを下記表1に示す1Lの水溶液に40℃で6分間浸漬して、Niをめっきした。
【表1】

【0032】
無電解めっき処理、濾過・水洗後、カーボンファイバーを恒温乾燥機により40℃で24時間乾燥させた。
乾燥後のカーボンファイバーに磁石を近づけたところ、この磁石にカーボンファイバーが吸着された。このことから、カーボンファイバーへのNiめっきが確認された。
【実施例2】
【0033】
カーボン材料としてグラファイト(伊藤黒鉛製:商品名Z100)を用い、上記実施例1と同工程、同条件で、めっきを行った。このめっき処理されたグラファイトに磁石を近づけたところ、この磁石にグラファイトが吸着され、グラファイトへのNiめっきが確認された。
【0034】
次に、本発明の第2実施形態に係わるカーボン材料と樹脂を含有した基材のめっき方法を、図4に示す工程順に説明する。
オゾン水処理S11
図5に示すように、上記基材11を、処理槽12中のオゾン水13に浸漬する。この処理槽12中のオゾン水13のオゾン濃度は一定に維持されており、10〜60ppm、好ましくは20〜50ppmである。このオゾン水温度も一定に維持され、5〜50℃、好ましくは20〜40℃である。
【0035】
上記処理槽11は循環回路14を介してオゾン溶解モジュール15に接続されている。ポンプ16により水が処理槽11とオゾン溶解モジュール15間を循環する。オゾン溶解モジュール15では、オゾン源17からのオゾンが、処理槽12から送られてきた水に溶解する。オゾン水のオゾン濃度は図示しないオゾン濃度計で監視しており、一定濃度になるように、オゾン溶解モジュール15からオゾンが補給される。
上記基材1の浸漬時間は3分以上であり、好ましくは、5〜10分である。
【0036】
上記オゾン水処理で、上記基材11が表面処理される。基材の表面には、オゾンとの化学反応によりC=O基やOH基、COOH基等の官能基が生成される。
上記オゾン水処理S11後に基材11を水洗する。
【0037】
コンデショナー処理S12(表面調整)
次に、基材をコンディショナー液に浸漬することにより表面調整を行い、その後で基材を水洗する。
上記工程S11,S12で前処理工程が終了し、以下のめっき工程に移行する。
【0038】
キャタリスト処理S13(触媒付着)
次に、基材を例えばPd−Sn錯体を含むキャタリスト溶液中に浸漬して、基材の表面にPd−Sn錯体を付着させる。その後で、基材を水洗する。
【0039】
アクセレータ処理S14(触媒活性化)
次に、基材をアクセレータ溶液中に浸漬して、スズ塩を溶解させ、基材の表面にめっき触媒としての金属パラジウムを生成させる。その後で、基材を水洗する。
【0040】
無電解めっきS15
次に、金属例えばNiを無電解めっきして基材表面にNi皮膜(金属皮膜)を形成する。その後で、基材を水洗する。
電解めっきS16
次に、金属例えばCuを電解めっきして上記Ni皮膜の上にCu皮膜(金属皮膜)を形成する。その後で、基材を水洗し乾燥する。
【実施例3】
【0041】
基材として、カーボンファイバーを30重量%含有するPEEK板(住友化学工業株式会社製のスミプロイCK4600)を用意した。
オゾン水処理工程では、オゾン濃度30ppm、温度35℃のオゾン水に上記PEEK板を6分間浸漬した。図5のオゾン溶解モジュール15として、株式会社イーアールシーのオゾン水製造装置JOZ−01A型を用いた。このモジュールでは、ハウジング内に非多孔質膜モジュールが収容されており、この非多孔質膜モジュール内を処理槽12からの循環水が流れ、上記処理オゾン発生源17からのオゾンガスがハウジングに供給される。このオゾンが非多孔質膜モジュールを形成する膜を介して、モジュール内の循環水に溶解するようになっている。
オゾン水処理後のPEEK板の表面を、赤外分光分析計を用いて測定したところ、C=O基、OH基、COOH基等の官能基の生成が確認された。
【0042】
コンディショナー処理では、PEEK板を奥野製薬工業株式会社製のコンディライザーSPの水溶液150ml/Lに温度50℃で10分間浸漬した。
【0043】
キャタリスト処理では、PEEK板を、奥野製薬工業株式会社製のキャタリストC6ml/Lと塩酸100ml/Lの水溶液に温度30℃で5分間浸漬した。これにより、Pd−Sn錯体(Pd−Sn化合物)を、PEEK板の表面に吸着させた。
【0044】
アクセレータ処理では、PEEK板を、10vol%硫酸に温度50℃で5分間浸漬した。これにより、PEEK板の表面にスズ塩を溶解させ、金属パラジウムを生成した。
【0045】
無電解めっき処理では、PEEK板を上記表1に示す水溶液に40℃で6分間浸漬して、Ni皮膜を形成した。
【0046】
電解めっきでは、一般的なめっき条件で、Cuめっきを形成した。ピール強度を測定したところ、1kgf/cmであった。
なお、各工程後の水洗時間はそれぞれ1分間とした。
【比較例】
【0047】
カーボンファイバーを含まないPEEKだけの板を用いて同条件で金属皮膜を形成したが、ピール強度は0kgf/cmであり、十分な強度が得られなかった。
【応用例】
【0048】
図6、図7は、本発明方法を応用して製造された放熱部材100を示す。
放熱部材100は、板形状のベース部101と、このベース部101の一方側に一体に形成された多数のフィン102とを有している。
まず、上記放熱部材100の最終形状と同形状の耐熱樹脂(PEEKまたはポリアミド等)からなる基材100aを用意する。この基材100aは、押出成形、射出成形等により得られた成形品である。
【0049】
上記基材100aの全域に、上記第2実施形態(実施例3)と同様にして金属皮膜100bを形成することにより、放熱部材100が製造される。
この放熱部材100のベース部101に電気部品等の熱発生源200を取り付ける。この熱発生源200からの熱は、ベース部101の金属皮膜100bから放熱フィン102の金属皮膜100bへと伝わり、この放熱フィン102において効率良く放熱される。
【0050】
本発明は上記実施形態に制約されず種々の態様が可能である。例えば、無電解めっきにより形成される金属皮膜はNiに制約されず、用途に応じて種々選択可能であり、例えばCuであってもよい。電解めっきにより形成される金属皮膜についても制約はない。
カーボン材料としては、カーボンファイバー、グラファイトの他に、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン等を用いることもできる。
本発明によれば、上記放熱部材の他に、導電性を必要とするコネクタ、電極等も得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明は、めっきされた樹脂製の自動車部品や家電部品等を製造するために適用できる。
【符号の説明】
【0052】
1 カーボン材料
3、13 オゾン水
11 基材
100 放熱部材
100a 基材
100b 金属皮膜
101 ベース部
102 フィン

【特許請求の範囲】
【請求項1】
カーボン材料と樹脂とを含有する基材を、オゾン水で表面処理する前処理工程と、
上記基材に無電解めっきを含むめっき処理を施すことにより、基材表面に金属皮膜を形成するめっき工程と、
を備えたことを特徴とするめっき方法。
【請求項2】
上記基材が5重量%以上のカーボン材料を含有することを特徴とする請求項1に記載のめっき方法。
【請求項3】
上記前処理工程では、上記基材を、オゾン濃度10〜60ppm、温度5〜50°Cのオゾン水に3分以上浸漬することを特徴とする請求項1に記載のめっき方法。
【請求項4】
上記基材が耐熱樹脂からなり、ベース部とこのベース部と一体をなす多数のフィンを有し、この基材に上記金属皮膜を形成することにより放熱部材を得ることを特徴とする請求項1または2に記載のめっき方法。
【請求項5】
カーボン材料をオゾン水に浸漬する前処理工程と、
上記カーボン材料に無電解めっき処理を施すことにより、金属を付着させるめっき工程と、
を備えたことを特徴とするめっき方法。
【請求項6】
上記カーボン材料がカーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、グラフェンのうちの少なくとも一つ、あるいはそれらを複合させたものを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のメッキ方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−211364(P2012−211364A)
【公開日】平成24年11月1日(2012.11.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−77682(P2011−77682)
【出願日】平成23年3月31日(2011.3.31)
【出願人】(390015314)株式会社イーアールシー (5)
【Fターム(参考)】