【技术帖】汽车常用塑料的电镀工艺
摘要：随着轻量化技术的不断发展，塑料已成为汽车应用最为广泛的轻量化非金属材料。电镀作为典型的塑料表面金属化工艺，不仅使塑料表面具有金属光泽和质感，而且提高了塑料件的综合性能，有效推动了金属材料的替代和汽车的轻量化进程。本文介绍了车用塑料的概况，综述了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚丙烯（PP）、尼龙/聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）等塑料在汽车上的应用，并阐述了它们的电镀工艺。结果表明，车用塑料的发展重点是共混改性塑料和纤维增强塑料，关键是电镀级材料的制备和工艺的改进。
关键词：汽车轻量化；汽车塑料；电镀工艺；汽车轻量化
据中国汽车工业协会统计，2022年，我国汽车产销分别达到2702.1万辆和2686.4万辆（连续14年位居世界第一），同比增长3.4%和2.1%。汽车产业不断发展壮大，为促进经济增长、促进社会就业、改善民生福利做出了突出贡献，但也使能源和环境问题日益严峻。面对全球能源短缺和环境污染问题，我国提出了2030年“碳达峰”、2060年“碳中和”的目标。研究表明，轻量化可以有效降低油耗和汽车排放，汽车自重每减轻10%，油耗可降低6%~8%，CO2排放量可减少5%~6%[1-2]。
汽车轻量化就是在保证汽车强度、刚度、安全驾驶性能的前提下，尽可能地减轻汽车整备质量，从而提高汽车的动力性、降低油耗、减少排放。汽车轻量化技术可分为优化结构设计、轻量化材料的应用和先进的制造工艺三个方面。轻量化材料的应用是实现汽车轻量化最直接的途径[3]。塑料具有质量轻、成本低、易成型等良好性能，特别是电镀技术的应用赋予塑料金属外观和光泽，有效提高了塑料的装饰性、防腐性和机械强度性能。塑料已成为汽车轻量化过程中使用最多的非金属材料，并呈现“以塑代钢”的趋势。
本文介绍了汽车塑料的概况，综述了几种常用的塑料如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)在汽车上的应用，并阐述了它们的电镀工艺，旨在为汽车塑料及电镀工艺的进一步研究提供参考。
1 塑料在汽车上的应用概述
塑料是以有机合成树脂为主成分的可在加热加压条件下成型的高分子材料，因具有重量轻、成本低、易加工、表面处理多样等优异性能，被广泛应用于汽车内外饰件、结构件、功能件等。随着汽车轻量化技术的不断发展，塑料在汽车上的使用量急剧上升，2012年至2018年，汽车塑料消费量由710万吨增长至1130万吨，全球汽车塑料市值超过460亿美元，汽车塑料市场年复合增长率超过10%[4]。同时，单车用塑料量也呈现快速增长趋势，目前已超过150公斤，占整车总重量的12%~15%[5]。 汽车用塑料中，通用塑料价格相对较低，使用量达50%以上，其次是工程塑料，使用量约占15%；专用塑料价格相对较高，使用量较少。据研究统计，使用量最大、适合电镀的汽车用塑料种类有ABS、PP、PA、PC等[6-7]。
2 汽车用ABS及其电镀
2.1 ABS在汽车上的应用
ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，是一种应用广泛的热塑性工程塑料，它兼具了三种组分的性能，调整ABS三种组分的比例，其性能会相应改变。由于ABS塑料在耐候性差、易燃性等方面的不足，因此在用于汽车时常与其他聚合物混合，制备出更为丰富的改性产品，如ABS/PC、ABS/PA、ABS/聚氯乙烯（PVC）塑料合金等。ABS/PC合金可提高ABS的耐热性和拉伸强度，降低PC的熔融粘度，改善加工性能，降低制品内应力和冲击强度对制品厚度的敏感性，主要用于汽车内外饰、车灯等要求强度高、耐热性的部件；ABS/PA合金具有抗翘曲、流动性好、独特的哑光性能，可用于保险杠、仪表板、立柱装饰板等部件； ABS/PVC合金不仅具有耐热、抗冲击性能，还具有阻燃自熄性、耐化学腐蚀性，主要用于汽车仪表盘、仪表盘表皮等需要阻燃性能的部位。
2.2 ABS电镀工艺
对于电镀级ABS塑料，要求金属镀层与基材有良好的结合强度，丁二烯含量应控制在18%～23%[8]。ABS塑料电镀工艺包括前处理、化学镀和电镀三个阶段，一般流程为应力消除→除油→粗化→六价铬还原→钯锡活化→脱水锡→化学镀镍(或镀铜)→预镀→电镀，其中镀前表面处理最为关键[9]。表面预处理、工艺简化、环保型镀液替代一直是研究的热点，李璐等[10]将石墨烯复合导电浆料用于ABS塑料电镀前表面处理，使得ABS工件具有良好的导电性，电镀后金属光泽好、镀层完整、不易脱落，有效减少污染；陈国华等[11]采用石墨烯复合导电浆料对ABS塑料进行电镀前表面处理，使ABS工件具有良好的导电性，电镀后金属光泽好、镀层完整、不易脱落，有效减少污染； [11]发明了一种ABS塑料电镀前导电表面处理方法，该工艺采用导电性较好的二维石墨烯材料作为前驱体，不使用贵金属或有毒物质，导电性好，成本较低，更加环保，省去了传统工艺中粗化、敏化、活化、化学镀等复杂步骤。孙硕等[12]以H2O为还原剂，在ABS塑料上沉积活性镍，并以其作为活化中心进行化学镀镍，提出了一种无钯活化工艺，节省了贵金属的使用，降低了生产成本。等[13]以硫酸为碱溶液，用双氧水或硝酸代替铬酸作为氧化剂，对ABS塑料表面进行处理，化学镀镍后的性能更佳。
3 汽车用聚丙烯及其电镀
3.1 PP在汽车上的应用
PP是一种无臭、无毒、无色半透明的热塑性轻质通用塑料，具有良好的耐化学腐蚀性、耐热性、电绝缘性和高强度的力学性能。在原料中添加增强剂、增韧剂等，可以改变聚丙烯的聚合物组分和大分子结构或晶体构型，提高其综合性能。例如在PP中添加一定比例的玻璃纤维，可得到刚性高、耐热性的玻纤增强PP，常用于汽车结构件和工作温度较高的部件，如：发动机舱进气管、空气滤清器外壳、散热器风扇等；在PP中添加适量的滑石粉和碳酸钙，也能提高PP的刚性和耐热性，这种改性PP常用于汽车保险杠框架、仪表板、导流板、立柱等； 在PP中添加烯烃热塑性弹性体（POE）或三元乙丙橡胶（EPDM）等增韧剂，可用于一些对韧性要求较高的高端汽车结构件。
3.2 PP电镀工艺
从电镀工艺上看，PP可分为普通型、电镀型、导电型。普通型PP电镀尺寸精度差，粗化麻烦，必须用有机溶剂溶胀后才能进行蚀刻粗化，常用的有机溶剂为二甲苯。粗化后可按ABS塑料的敏化、活化工艺和步骤进行处理；电镀级PP是在聚丙烯塑料中加入一定比例的ZnO、TiO2等填料，这些填料在化学蚀刻粗化过程中能溶解，形成粗糙表面，提高镀层结合强度。对于电镀型PP，也可按ABS塑料的电镀工艺进行，但化学蚀刻时必须将溶液温度提高到70-80℃；导电PP是在聚丙烯中加入质量分数约30%的石墨粉而得，导电性好，可按金属件工艺进行电镀。 电镀级PP的开发及粗化工艺的改进一直是PP电镀工艺研究的热点。张小虎等[14]发明了一种低收缩率电镀级聚丙烯复合材料，采用异形无机填料或异形填料与常规填料复合，制备出收缩率接近ABS塑料的聚丙烯。通过亲水改性，其表面粗化均匀，电镀性能良好，镀层结合强度理想，降低了生产成本，提高了电镀产品的耐高温性能；朱明高等[15-16]将25%超细CaCO3粉体与5%自制增强剂与PP共混，开发出电镀级聚丙烯，用300 W、20-30 kHz超声波将该材料在酸性溶液中粗化，粗化效果和电镀层结合力均良好；王毅等[17-18]将25%超细CaCO3粉体与5%自制增强剂共混在PP中，开发出电镀级聚丙烯，用300 W、20-30 kHz超声波将该材料在酸性溶液中粗化， [17] 发明了一种尺寸稳定的可电镀聚丙烯复合材料的制备方法。该方法通过配方的设计以及基料、填料、添加剂的选择，有效地解决了聚丙烯尺寸稳定性差的问题。同时，加入的弱碱性电镀添加剂使材料表面被酸性溶液粗化，电镀外观良好。
4 PA 在汽车应用和电镀领域的应用
4.1 PA在汽车上的应用
PA是分子主链上含有重复酰胺基团的热塑性树脂的统称，俗称尼龙。PA塑料具有良好的力学性能、耐热、耐磨、耐化学腐蚀和自润滑性，且摩擦系数小，有一定的阻燃性，易于加工，适宜用玻璃纤维等填料填充增强。玻纤增强PA可用于发动机舱内的塑料件和发动机部件；高耐热的PA/ABS合金用于汽车后视镜、油箱盖、挡泥板等；PA/聚苯醚（Ether，PPE）合金具有优异的耐热性、强度、阻燃性、导电性等性能，可用于汽车中央电器盒、挡泥板、大型挡板、护板等。
4.2 PA电镀工艺
普通PA工件电镀前应检查应力，方法是将工件浸入正庚烷中，5～15秒内若出现裂纹则需去除应力。有应力的工件可放入冷水中加热至沸腾，保温3小时后，慢慢冷却即可消除内应力。PA电镀前预处理工艺与ABS塑料基本相同，除需进行粗化处理外。电镀材料的开发、环境保护和工艺改进仍是研究的热点。刘春燕[18]发明了一种电镀尼龙材料及其制备方法，将经偶联剂和稀土离子处理过的改性矿物和相溶剂添加到聚酰胺中，此方法明显提高了改性矿物在尼龙中的分散能力和相容性，大幅度提高了材料的刚性、低温冲击韧性和电镀性能；邱凤涛等[19]发明了一种电镀尼龙材料及其制备方法，将经偶联剂和稀土离子处理过的改性矿物和相溶剂添加到聚酰胺中，此方法明显提高了改性矿物在尼龙中的分散能力和相容性，大幅度提高了材料的刚性、低温冲击韧性和电镀性能； [19]公开了一种高强度、高耐热、尺寸稳定的电镀尼龙PA6车灯外壳材料及其制备方法，复配高数量高硅含量滑石粉和高径厚比小颗粒云母粉，显著提高尼龙PA6的强度、耐热性和尺寸稳定性，改善电镀表面效果，适用于汽车车灯外壳等电镀件；张建华等[20]研究实践了尼龙扩孔、调整、钯活化、还原、化学镍、预镀铜或镍、酸铜、光亮镍、装饰铬等工艺，与传统铬酸/硫酸粗化工艺相比，不仅镀层理想，而且避免了六价铬对环境的污染；陆建华等[21]发明了一种可电镀在汽车内门把手上的特种尼龙。 它是将尼龙、玻璃纤维、玻璃微珠、热稳定剂、抗氧化剂、润滑剂、助剂等按照一定比例混合而成，制成的尼龙材料收缩率小，力学性能好，涂层结合力强。
5 汽车用及电镀用PC
5.1 PC在汽车上的应用
PC是分子链中含有碳酸酯基团的高分子聚合物，具有冲击强度高、耐疲劳性好、尺寸稳定性好、透明性好、自由染色性好等特点。但由于其耐刮擦性和耐磨性较差，常以塑料合金形式用于汽车内外装饰。例如PC/聚对苯二甲酸乙二醇酯（Poly，PET）、PC/聚对苯二甲酸丁二醇酯（Poly，PBT）合金既具有PC的高耐热性、抗冲击性，又具有聚酯的耐磨性和加工性能，适合制作对低温冲击性能要求较高的汽车车身部件、侧护板、汽车门框和保险杠等。
5.2 PC电镀工艺
PC的前处理工艺包括内应力检查、应力消除、溶胀处理、化学蚀刻粗化等。应力检查是将工件浸入质量分数为70%的丙酮水溶液中，在室温下放置1min，观察是否出现裂纹。应力消除的方法是放入烘箱中缓慢升温至110～130℃，保温2～6h，再缓慢冷却；溶胀是将工件浸入甲醇、乙醇、苯酚、乙醚等溶剂中，直至表面微微发白；化学蚀刻粗化可采用ABS高硫酸型化学粗化溶液，但温度要高一些，也可在氢氧化钠、硝酸钠、亚硝酸钠等粗化溶液中进行。合金材料的制备、表面前处理工艺的改进是PC电镀研究的热点。 张钊 [22] 发明了一种聚碳酸酯组合物及其制备方法，将 PC、ABS、电镀改进剂及添加剂按配方比组合，并进一步优化了该组合物的注塑工艺，具有优异的涂装和电镀效果；赵文霞等 [23] 采用无铬低污染的 MnO2-H2SO4-H3PO4-H2O 体系对 PC 表面进行微蚀，通过实验获得了最佳微蚀溶液组成、微蚀时间和温度；罗等 [24] 提出了一种 PC 无钯表面活化工艺，采用不含任何钯、锡、银的酸盐活化液进行活化，并利用超声波对表面处理，由此产生的表面缺陷作为直接化学镀铜的活性点，此工艺简单，不涉及贵金属或有毒金属，可有效降低成本、减少环境污染；贾晓玲等 [25] 提出了一种 PC 无钯表面活化工艺，采用不含任何钯、锡、银的酸盐活化液进行活化，并利用超声波对表面进行处理，由此产生的表面缺陷作为直接化学镀铜的活性点。此工艺简单，不涉及贵金属或有毒金属，可有效降低成本、减少环境污染 [25] 利用高效氧化剂二氧化氯自由基在温和条件下通过光辐射对PC进行氧化改性，提高了化学镀铜、镍的金属结合力。
6 其他汽车用及电镀用塑料
除以上四类应用广泛的汽车塑料外，聚乙烯(PE)、PET、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)、PVC等在汽车工业中也有广泛应用[26]。PE具有良好的绝缘性和化学稳定性，易于加工，常用于汽车内饰护板、后备箱、油箱、护套、挡泥板等；PET具有良好的抗蠕变性、抗疲劳性、耐摩擦性和尺寸稳定性，改性PET常用于汽车倒车镜框、音响扬声器、天窗框架、天花板等；POM强度高于ABS塑料，被称为“超级钢”或“运动钢”，具有良好的力学性能、绝缘性、耐溶剂性和加工性，改性POM可用于汽车动力阀、万向节轴承、把手、车窗升降器等；PPO无毒、透明，相对密度低，具有优异的机械强度、抗蠕变性、耐热性和尺寸稳定性。 PPO/聚苯乙烯（PS）、PPO/PA、PPO/PBT等合金常用于汽车轮毂罩、大灯外壳、保险丝盒、大型挡板、缓冲垫等；PVC电气性能好，耐酸碱性好，化学稳定性好，可用于汽车防撞系统、车门内饰板织物、仪表板表面及密封件等。以上几种塑料的电镀工艺主要区别在前处理和粗化步骤上，只要采用相应的粗化工艺，形成最佳的粗化表面，就可以在表面顺利进行敏化、活化、化学镀、电镀等，这里就不再赘述了。
纤维增强塑料是在塑料或树脂中添加纤维材料和织物等制成的复合材料，成为汽车轻量化材料的重要发展方向[27]。玻璃纤维增强塑料（GFRP）又称玻璃纤维，具有比强度高、耐腐蚀、电绝缘性好、易着色等优点，常用于汽车车身结构件、挡泥板、车顶盖、保险杠等；碳纤维增强塑料具有强度高、弹性好、抗疲劳耐磨性能好等特点，多用于高档轿车的车身、底盘、车轮等；天然纤维塑料采用黄麻、剑麻等天然植物纤维作为增强材料，不仅性能优异而且绿色环保，可用于车门内饰板、车顶内衬、座椅靠背和仪表板等。纤维增强塑料是以塑料和树脂为基础的。 他们的电镀工艺研究重点仍放在电镀级材料的制备和电镀工艺的改进上，例如钟国刚等[28]研究了碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的化学镀镍工艺，经过除油、粗化、调整、浸钯、活化脱胶等严谨的工序，镀件获得了理想的镀镍层，为纤维增强塑料表面化学镀镍提供了参考。
7 结论与展望
随着汽车轻量化技术的不断发展，塑料已成为应用最为广泛的轻质非金属材料。电镀技术的广泛应用，不仅赋予塑料件金属的外观和质感，提高了汽车零部件的美观度和舒适度，而且提高了塑料件的力学性能和化学稳定性，丰富了塑料在汽车上的应用。汽车塑料电镀促进了金属材料的替代，加速了汽车轻量化的进程。共混改性塑料、纤维增强塑料等凭借其优异的性能，在汽车上的应用越来越广泛。电镀级材料的制备和电镀工艺的改进将成为塑料表面金属化技术发展的关键。
参考
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