一種在水溶液中用化學還原法製備納米銅粉的方法

2023-06-27 02:54:56 5

專利名稱：一種在水溶液中用化學還原法製備納米銅粉的方法
技術領域：
本發明涉及用電化學方法製備粉體材料，特別是涉及銅粉的製備。
背景技術：
由於銅粉的用途很廣，其製備方法的研究受到國內外的極大關注。化學方法是通過物質的化學反應生成物質的基本粒子——分子、原子和離子等，經過成核生長和凝並而成為超細粉末，它是一種製備銅粉的有效途徑。
根據《材料科學與工程學報》2003，Vol.21，Nol，p57-59中介紹的製備銅粉的方法，採用KBH4作還原劑，製備出了顆粒粒徑在50～500nm的銅粉，但銅粉的大小很不均勻，不能保證其中值粒徑在100nm以下，因此，這種粉體不是確定意義下的納米粉體，其使用效果也會與納米粉體不同。
又據《機械工程材料》1998，Vol.22，No3，p33-37報導的方法，採用CuCl2為主鹽，KBH4為還原劑，製備銅粉，但其製備出的銅粉的顆粒直徑是由銅粉的比表面積推斷的，而且銅粉在透射電鏡下的圖像團聚，無法確定其形狀和直徑。由此可見，文中所述方法不能確定製備的銅粉在納米尺度，即中值粒徑小於100nm。
另據《華東理工大學學報》1997，Vol.23，No3，p372-376報導的方法，採用CuSO4為主鹽，水合肼為還原劑製備出中值粒徑為591nm的銅粉。採用葡萄糖預還原法製備出中值粒徑為891nm的銅粉。由於這些方法製備的銅粉顆粒粒徑大，其應用效果必然受到影響。
總之，化學還原法能採用不同形式的原料及反應條件製得銅粉。但存在的主要問題是所製備的銅粉顆粒尺寸大、形狀不規則、易於團聚等。因此限制了銅粉的使用效果。所以，尋找一個合適的化學反應，選擇相應的反應物料，使製備設備相對簡單、反應條件較溫和。選擇有效的分散劑，以減少銅粉顆粒的團聚，控制銅粉的成核和晶核的生長速度，同時添加合適的催化劑以增大化學反應速度等都是採用化學還原法製備超細銅粉的關鍵。

發明內容
本發明針對化學還原法製備納米銅粉存在的問題，提出在水溶液中，採用化學還原法，將主鹽、還原劑、添加劑進行適當組合，同時外加物理場製備納米銅粉，使製備方法不僅簡便，而且在獲得較高製備速度的同時，避免銅粉的團聚和長大，以保證製備的納米銅粉的顆粒的中值粒徑小於100nm，使納米銅粉在使用過程中發揮理想的效果。
本發明的實施過程如下將下列主鹽、還原劑、添加劑A、添加劑B、添加劑C、添加劑D進行組合，其中主鹽為硫酸銅、氯化銅中的任一種，含量為20～50g/L。還原劑為次亞磷酸鈉、硼氫化鉀、甲醛中的一種，含量為10～300g/L。添加劑從A、B、C、D每一類中任選一種。添加劑A為硝酸銀、氯化鈀，含量為1～10mg/L；添加劑B為明膠、十二烷基苯磺酸鈉，含量為10～50g/L；添加劑C為酒石酸鉀鈉、三乙醇胺，含量為10～50g/L；添加劑D為氫氧化鉀、氫氧化鈉，含量為20～60g/L。反應物料配置後均勻混合，加熱至60～80℃，同時外加超聲場，其功率為600～800W。待物料反應產生銅粉後，用冷凝器將含銅粉的物料冷卻至室溫，用高速離心機分離銅粉和溶液，將銅粉在保護氣氛下乾燥。
本發明所闡述的納米銅粉的製備方法，將超聲場的作用引入化學還原法製備納米粉體的過程是一個顯著特點。與現有技術相比，有以下特點在水溶液中製備銅粉時，銅原子在水溶液中還原需要克服一定的能壘才能形核、長大，超聲場的加入給銅原子的形核和長大提供了能量，如果沒有超聲場的作用，在本發明的溶液體系中銅的還原率很低、速度慢，甚至不能還原。同時，超聲場能控制溶液中的銅原子形核以後的長大過程，減少團聚，使製備出的銅粉的顆粒尺寸能保持在納米數量級。
本發明在溶液條件方面的特點在於添加劑B和添加劑C的同時加入能有效控制納米銅粉的團聚和長大，使得採用本發明的方法能製備出納米級的銅粉。
由於本方法採用化學還原與物理場相結合的方法製備銅粉，因此能夠製備出顆粒中值粒徑小於100m的銅粉，也就是嚴格意義上的納米粉體，為有效利用納米銅粉的性能提供了可能。
此外，由於本發明的納米粉體製備過程可在大氣、常溫下進行，無需真空及高壓設備，因而製備設備投資小、工藝簡單、製備成本低，容易實現大規模工業化生產。
再者，由於本發明的納米粉體製備過程主要應用化學反應過程，所選原料價格低廉、容易獲得，所以粉體製備效率高且製備成本低。


圖1為納米銅粉製備流程2為納米銅粉透射電鏡照片圖3為三種還原劑所製備納米銅粉的顆粒尺寸分布圖具體實施方式
實施例1採用本發明的方法製備納米銅粉製備步驟如下(a)將下列物料按配方混合。
硫酸銅 20g/L甲醛 300g/L硝酸銀 5mg/L明膠 25g/L酒石酸鉀鈉 15g/L氫氧化鈉 45g/L(b)將混合均勻的物料加熱至80℃。
(c)在反應釜中外加超聲場800W進行反應，生成納米銅粉。
(d)將反應完全的物料冷卻至室溫。
(e)將物料中的納米銅粉與溶液分離。
(f)將納米銅粉在惰性氣體保護下乾燥。
實施例2採用本發明的方法製備納米銅粉製備步驟如下(a)將下列物料按配方混合。
氯化銅 45g/L次亞磷酸鈉 20g/L氯化鈀 10mg/L十二烷基苯磺酸鈉 30g/L三乙醇胺 25g/L氫氧化鉀 30g/L(b)將混合均勻的物料加熱至75℃。
(c)在反應釜中外加超聲場700W進行反應，生成納米銅粉。
(d)將反應完全的物料冷卻至室溫。
(e)將物料中的納米銅粉與溶液分離。
(f)將納米銅粉在惰性氣體保護下乾燥。
實施例3採用本發明的方法製備納米銅粉製備步驟如下(a)將下列物料按配方混合。
硫酸銅 30g/L硼氫化鉀 25g/L硝酸銀 2mg/L明膠 30g/L三乙醇胺 28g/L氫氧化鈉 37g/L(b)將混合均勻的物料加熱至70℃。
(c)在反應釜中外加超聲場750W進行反應，生成納米銅粉。
(d)將反應完全的物料冷卻至室溫。
(e)將物料中的納米銅粉與溶液分離。
(f)將納米銅粉在惰性氣體保護下乾燥。
採用上述實施例，設備投資小、工藝簡單、製備成本低，工藝過程見圖1。採用本方法所獲得的納米銅粉呈球形、且顆粒大小均勻，如圖2所示。將三種還原劑(對應三個實施例)製備的銅粉，用雷射粒度分析儀測試其顆粒粒徑，結果表明，納米銅粉的顆粒分布窄，其中值粒徑約為60nm，如圖3所示。由此可見，由於本發明在溶液中同時添加了B、C兩種添加劑，它們在銅粉的製備過程中發揮了兩方面作用，一方面銅離子還原速度得到了控制，另一方面還原的銅原子的長大過程受到抑制。此外超聲場的加入，使其在給化學還原過程提供能量的同時，又限制了已生成銅原子的長大。溶液條件和物理場兩方面綜合作用的結果使整個銅粉還原過程處於高形核率、低長大速率的狀態，保證了採用本發明方法製備的銅粉的中值粒徑在納米數量級。
權利要求
1.一種在水溶液中用化學還原法製備納米銅粉的方法，將主鹽、還原劑、添加劑進行組合，待物料反應產生銅粉後，用冷凝器將含銅粉的物料冷卻至室溫，用高速離心機分離銅粉，再在保護氣氛下乾燥，其特徵在於，主鹽為硫酸銅、氯化銅中的任一種，含量為20～50g/L，還原劑為次亞磷酸鈉、硼氫化鈉、甲醛中的一種，含量為10～300g/L，添加劑從A、B、C、D每一類中任選一種，添加劑A為硝酸銀、氯化鈀，含量為1～10mg/L；添加劑B為明膠、十二烷基苯磺酸鈉，含量為10～50g/L；添加劑C為酒石酸鉀鈉、三乙醇胺，含量為10～50g/L；添加劑D為氫氧化鉀、氫氧化鈉，含量為20～60g/L，反應物料配置後均勻混合，加熱至60～80℃，同時外加超聲場，其功率為600～800W。
全文摘要
一種在水溶液中用化學還原法製備納米銅粉的方法，涉及用電化學方法製備粉體材料。本發明提出在水溶液中，採用化學還原法，將主鹽、還原劑、添加劑進行適當組合，其中主鹽為硫酸銅、氯化銅中的任一種，還原劑為次亞磷酸鈉、硼氫化鈉、甲醛中的一種，添加劑從A、B、C、D每一類中任選一種，添加劑A為硝酸銀、氯化鈀；添加劑B為明膠、十二烷基苯磺酸鈉；添加劑C為酒石酸鉀鈉、三乙醇胺；添加劑D為氫氧化鉀、氫氧化鈉，同時外加超聲場，使製備方法不僅簡便，而且在獲得較高製備速度的同時，避免銅粉的團聚和長大，以保證製備的納米銅粉的顆粒的中值粒徑小於100nm，使納米銅粉在使用過程中發揮理想的效果。
文檔編號B22F9/16GK1605419SQ20041000984
公開日2005年4月13日 申請日期2004年11月23日 優先權日2004年11月23日
發明者孫冬柏, 俞宏英, 孟惠民, 李輝勤, 樊自拴 申請人:北京科技大學