金屬納米材料合成物的電、鍍敷和催化使用的製作方法

2023-06-10 06:29:41

專利名稱：金屬納米材料合成物的電、鍍敷和催化使用的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及新型納米材料合成物和其中使用它們的系統的使用，更具體而言涉及通常包括碳和金屬的納米材料合成物，可以將所述合成物暴露到脈衝輻射以反應、激活、結合或燒結所述納米材料合成物。可選地可以在環境溫度或基於其它方法利用所述納米材料合成物以引起這樣的反應、激活、結合或燒結髮生。
背景技術：
在材料加工領域中，通常加熱材料以弓I起材料形態的特定的變化、發生特定的反應或引起相變。例如，在導電構圖領域中，在基底上覆蓋含有銀片或粉末的製劑或墨，然後加熱以使顆粒熔化並形成導電線路。在這種情況下，要求製劑是流體並且通常是絕緣的以便印刷圖形，而在加工結束時其必須是固體並且是高導電的。熱改變銀的形態以給出希望的結果。對於銀墨，墨和基底必須被加熱到達的以固化墨的溫度是銀的燒結溫度的函數。對於銀，熔化溫度約為960°C並且燒結溫度約為800°C。該高溫將基底限制為不受高溫影響的材料。許多低成本或撓性基底例如纖維素(紙)、聚對苯ニ甲酸こニ醇酯(PET)、聚酯以及許多其它塑料不能經受住這些溫度。相似地，在基底上的其它元件例如有機半導體在升高的溫度下同樣會分解。克服該限制的ー種方法為使用耐較高溫度的基底例如聚醯亞胺膜。雖然該方法提供耐中度高溫的撓性基底，但不足夠高以形成高導電膜。此外，該方法昂貴，不適合低成本應用。解決該問題的另一方法為在在固化期間收縮的樹脂或聚合物中使用銀片的高填充。該方法迫使銀片在一起，使其形成電接觸。Dow Corning的商品名為PI-2000Highly Conductive Silver Ink已經證明了該方法。雖然該產品看來似乎在一些應用中起作用，但是因為不能被噴墨，所以該方法具有一些局限。解決該溫度限制的另一方法為使用由於其小的尺寸而呈現降低的燒結溫度的納米金屬。通過將加工溫度降低為約300°C-約700°C，該方法已經顯示出改善。通常，為了利用降低的燒結溫度，顆粒必須是分散的。多數納米金屬合成方法例如溶膠-凝膠法需要顆粒的化學表面功能化以保持顆粒分散並防止它們自發地熔化。通常需要在比銀的燒結溫度高的升高的溫度下揮發該化學表面功能化。即使表面功能化被設計為在燒結溫度以下蒸發，燒結溫度仍太高，以致不能使用一些耐較低溫度的基底。當エ業界嘗試降低加工溫度時，其常常以圖形的導電性為代價而實現。雖然可以使用較低的加工溫度，但結果通常為具有不充足的導電性的圖形。雖然已關於導電墨描述了上述實例，但存在其中存在相同問題的相似的應用。例如，在催化應用中，通常將催化劑接合到耐高溫基底。為了以可接受的速率發生反應，催化劑必須處於升高的溫度下。這些耐高溫基底通常是昂貴的並且希望用耐較低溫的基底取代它們。因為納米材料的高反應性和較低的反應溫度，所以納米材料已開始用於這些應用中。 然而，它們仍然必須工作在典型地在較低成本的基底的工作溫度之上的溫度下。因此，在本領域中存在在較低溫度下加工材料以允許使用更經濟的基底的需要。 更具體而言，在導電構圖市場中存在在耐低溫基底上製造高導電性圖形的需要。

發明內容
本發明通常涉及新穎的納米材料合成物的使用，所述納米材料合成物由相對非聚集的金屬顆粒組成。PCT 05/027711申請中描述的方法製造這樣的新型材料，所述新材料中的ー些合成物由碳和金屬組成而其它的由氧化物和金屬組成。在這些材料自身是獨特和新穎的同時，這些材料可以用於獨特和新穎的應用中。此外，ー些用途已顯示出與其它納米材料一起起作用。通過開發納米材料中存在的獨特的材料特性，實現新的用途。具體而言，已觀察到納米材料具有允許它們用於電和催化應用的屬性和特性的獨特的組合。本發明可以開發這些特性並掲示在導電構圖領域中的新穎的用途。例如，本發明可以涉及在室溫或相對低的溫度下使用納米金屬產生導電圖形、結合納米金屬使用光子固化方法以產生高導電圖形，以及結合靜電複印印刷技術使用納米金屬。本發明的一個實施例使用碳/金屬合成物以在室溫下產生導電圖形。這通過材料
6在水中的任ー簡單分散體然後在紙基底上印刷分散體來實現。使用其它分散體技術也可實現在室溫下在其它基底上形成導電圖形。本發明的另ー實施例通常涉及用於反應、激活或燒結納米材料及其組合的新穎的方法。例如，本發明可以涉及納米金屬粉末例如納米金屬的加工。可以使用的材料的實例為金屬例如但不限於銀、銅、金、鉬、鈀、錫、銻、銦以及鉛。在本發明中納米(nano)是指具有小於約I微米的尺寸的材料的至少ー個方面。通常，該尺寸小於約500nm,甚至小於約lOOnm。申請人:已經觀察到，ー些納米顆粒，包括多數金屬納米顆粒，通常非常能吸收光子輻射。即，顆粒表現為優良的黑體並具有對電磁輻射的高吸收率。此外，與體材料相比，納米顆粒傾向於具有較低的反射率和較差的導熱性。與微米或更大尺寸的顆粒相比，納米顆粒還分別地具有大得多的表面積與質量比和低的熱質量。這些性質表明用脈衝光子源更具體而言廣播(broadcast)光子源對納米顆粒的輻照可以瞬時地將顆粒加熱至非常高的溫度。(「光子源」為處於這樣的電磁譜的輻射源，該電磁譜包括但不限於Y射線、X射線，紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波或其組合。)該效應是非常有利的，如下面列出的幾個實例所述。本發明通過提供用於加工納米材料的新穎的方法和系統，克服了現有技術中描述的限制。本發明使用高功率脈衝光子源加工納米顆粒，同時最低限度地影響基底。通過這樣的方法，克服了現有技術的限制。在本發明中，在表面上製造包含納米材料的膜或圖形。 可以使用這樣的技術例如噴墨、絲網印刷、凹版印刷、靜電複印、壓印(stamp)、苯胺印刷、膠版印刷、塗抹(painting)、噴槍噴塗(airbrushing)等等,製造這樣的膜或圖形。所述膜或圖形一旦在基底上已乾燥，使所述圖形經受高功率脈衝光子發射源。納米材料的高吸收率和顆粒的低熱質量使它們被快速地加熱，而差的導熱性和短脈衝長度抑制納米顆粒向它們的周圍傳遞熱的能力。結果是，顆粒溫度快速地提高到使顆粒熔化的溫度。基底的差的傳導性、低吸收率以及高的熱質量確保來自光子脈衝的大量的能量用於加熱顆粒，而最少的能量被傳遞到基底或周圍元件。通過使用在膜或圖形上聚焦能量的方法和系統，本發明克服了現有技術的局限。在又一實施例中，結合光子源將納米金屬用於催化應用。具體而言，這可以在比現有技術低得多的溫度下實現。


圖I反映了使用本發明加工的在PET上的一部分導電膜；圖2示出了具有固化的中心區域的另ー膜；圖3示出了僅僅光子地固化膜的右半邊的實例；圖4示出了通過優化顆粒氧化物層和光子條件以便接近體銅的導電性而獲得的本發明的樣品；圖5示出了本發明的實施例的方法圖；以及圖6示出了製造系統的示意圖。
具體實施例方式環境固化導電墨
特別地通過碳/金屬納米合成物材料實現的一種新穎的用途為無電澱積/鍍敷/ 印刷。在本發明的一個實施例中，用將固化並具有金屬導電性而不需要熱固化(即環境室溫)的銀/碳納米合成物材料製成導電墨。這樣的墨可用於製造金屬圖形。在一個實施例中，使銀/碳合成物與去離子水結合，然後在迴轉混合器中使用氧化鋯珠混合。然後在紙基底上印刷分散體或墨。當分散體乾燥時，材料將從黑色變為銀色。 此外，電阻率將從無限降至約為體銀的5倍。一旦乾燥，圖形具有良好的粘附性和長期的導電性。假定碳、銀以及紙的獨特的組合能夠使高導電圖形得以製造。相信水進入紙中的毛細作用可以產生迫使顆粒親密接觸的流體靜壓カ梯度。此外，使銀顆粒保持分離的碳在水中看來似乎更加可分散並傾向於被水毛細吸出，使得裸銀顆粒與紙纖維接觸。當彼此接觸時，裸銀顆粒將通過熔化減小它們的表面能，由此形成接合到紙纖維的高導電圖形。下列實例示例了本發明的實施例。實例I環境溫度固化銀墨。墨由下列成分組成用於環境固化的納米Ag顆粒分散體
權利要求
1.ー種使材料反應、激活、結合或燒結的方法，包括以下步驟a.選擇包括納米材料的材料，其中所述納米材料具有小於約I微米的至少ー個尺寸；b.將所述材料暴露到脈衝發射，其中所述暴露的步驟使所述材料反應、激活、結合或燒結。
2.根據權利要求I的方法，其中所述脈衝發射包括脈衝的廣播光子發射。
3.根據權利要求I的方法，其中所述納米材料包括納米粉末。
4.根據權利要求I的方法，其中在所述暴露的步驟之前在基底上澱積所述材料。
5.根據權利要求4的方法，其中所述材料為製劑，以及其中所述澱積的步驟包括在所述基底上由所述製劑製造膜或圖形。
6.根據權利要求5的方法，其中所述製劑包括作為納米金屬的至少ー種成分。
7.根據權利要求4的方法，其中所述基底是撓性的。
8.根據權利要求4的方法，其中所述基底包括選自PET、聚酯、塑料、聚合物、樹脂、織物、非織造織物、紙產品、有機化合物、陶瓷、合成物、層壓板、玻璃、矽以及其組合的物質。
9.根據權利要求I的方法，其中所述脈衝發射包括選自Y射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波以及其組合的發射。
10.根據權利要求I的方法，其中所述脈衝發射從包括閃光燈的源輻照。
11.根據權利要求I的方法，其中重複地脈衝所述脈衝發射的源。
12.根據權利要求I的方法，其中所述脈衝發射的時間長度在約20微秒至約10毫秒之間。
13.根據權利要求I的方法，還包括在所述暴露的步驟之前的印刷工藝。
14.根據權利要求13的方法，其中所述印刷工藝選自絲網印刷、噴墨印刷、凹版印刷、 雷射印刷、靜電複印印刷、移印、塗抹、蘸水筆、注射、噴槍噴塗、平版印刷以及其組合。
15.根據權利要求I的方法，其中通過所述脈衝發射激活所述納米材料。
16.根據權利要求15的方法，其中在所述暴露的步驟之後所述納米材料的導電性提聞。
17.根據權利要求I的方法，其中所述脈衝發射比所述納米材料的氧化快地熔化所述納米材料。
18.根據權利要求I的方法，其中所述納米材料包括至少兩種金屬。
19.根據權利要求I的方法，其中所述納米材料還包括不具有小於約I微米的尺寸的附加材料。
20.根據權利要求I方法，其中所述納米材料懸浮在流體中，其中所述暴露步驟在所述流體內產生反應。
21.根據權利要求4的方法，其中使用移動裝置移動所述基底。
22.—種執行權利要求I的所述方法的用於使材料反應、激活、結合或燒結的系統。
23.根據權利要求22的系統，其中所述系統包括a.用於在基底上由製劑製造膜和圖形的設備，其中所述製劑包括至少在ー個尺寸上為納米的至少ー種成分；b.用於使所述膜或圖形經受所述發射的脈衝光子發射源，其中相對於經受所述發射源之前的特性改善了所述膜或圖形的特性；以及c.用於從所述製造設備移動所述膜和圖形並將所述膜和圖形定位在可以經受所述脈衝光子發射源的位置的設備。
24.—種方法，包括以下步驟a.選擇包括納米粉末的合成物，其中所述納米粉末包括金屬並具有小於約I微米的至少ー個尺寸；b.利用所述合成物作為雷射印刷或靜電複印印刷工藝的調色劑；以及c.進行所述雷射印刷或靜電複印印刷工藝，以在基底上澱積所述合成物。
25.根據權利要求24的方法，其中所述基底是撓性的。
26.根據權利要求24的方法，其中所述基底包括選自PET、聚酯、塑料、聚合物、樹脂、織物、非織造織物、紙產品、有機化合物、陶瓷、合成物、層壓板、玻璃、矽以及其組合的物質。
27.ー種在基底上形成導電圖形的方法，包括以下步驟選擇包括納米材料的材料，其中所述納米材料包括金屬並具有小於約ー微米的至少ー 個尺寸；在耐低溫撓性基底上澱積所述材料以形成圖形；以及將所述材料暴露到電磁輻射的脈衝、廣播、寬帶光子發射，其中所述暴露的步驟燒結所述材料以增加在所述基底上的所述圖形的導電性。
28.根據權利要求27的方法，其中所述撓性基底具有小於200微米的厚度。
29.根據權利要求28的方法，其中所述撓性基底可以被彎曲約小於一英寸的半徑而不會永久變形。
30.根據權利要求27的方法，其中所述基底包括選自聚醯亞胺、PET、PEN、聚酯、塑料、聚合物、樹脂、織造織物、非織造織物、纖維素、有機化合物、合成物、層壓板以及其組合的物質。
31.根據權利要求27的方法，其中所述耐低溫基底所述耐低溫基底還具有低於450攝氏度的分解溫度。
32.根據權利要求31的方法，其中所述基底包括選自聚醯亞胺、PET、PEN、聚酯、塑料、聚合物、樹脂、織造織物、非織造織物、纖維素、有機化合物、合成物、層壓板以及其組合的物質。
33.根據權利要求27的方法，其中所述暴露的步驟包括調整所述脈衝發射以改變脈衝持續時間、面能量密度、以及重複速率，其中所述脈衝的所述持續時間在I微秒至100毫秒範圍內是可調整的，所述面能量密度在0. 01焦耳/Cm2至 30焦耳/cm2的範圍內是可調整的，並且所述脈衝重複速率在0. OlHz與40Hz之間是可調整的。
34.根據權利要求27的方法，其中所述材料是具有納米粉末作為ー種成分的可印刷製劑；以及所述澱積的步驟包括將所述製劑印刷到所述基底上，其中所述印刷工藝選自絲網印刷、噴墨印刷、凹版印刷、苯胺印刷、靜電複印印刷、移印、膠版印刷、平版印刷以及其變化。
35.根據權利要求27的方法，其中所述金屬選自銅、銀、錫、鋁、金、鋅、鐵、鎳、銦、銻、 鉛、鉬、鎢、其合金以及其組合。
36.根據權利要求27的方法，其中在空氣中進行所述暴露所述材料以燒結的步驟。
37.根據權利要求27的方法，還包括以下步驟相對於發射源傳送所述基底；以及同步電磁輻射的所述脈衝發射的速率與傳送所述基底的速率以便將所述基底上的所述材料暴露到可控的面能量密度。
38.根據權利要求27的方法，其中脈衝發射源是密封的閃光燈。
39.根據權利要求38的方法，其中所述脈衝發射源包括濾光器以及所述方法還包括以下步驟過濾來自所述閃光燈的脈衝光子發射以選擇在最低限度地影響所述基底的同時改善所述材料的所述燒結的發射帯。
40.根據權利要求27的方法，其中所述材料還包括金屬氧化物；以及當被暴露到所述脈衝、廣播、寬帶光子發射時所述金屬和金屬氧化物鋁熱地反應，由此燒結所述材料。
41.一種用於在基底上形成可印刷製劑的導電圖形的系統，包括包括納米材料的可印刷製劑，其中所述納米材料還包括金屬並具有小於約ー微米的至少ー個尺寸；印刷機，用於將所述可印刷製劑的圖形印刷到耐低溫撓性基底上以形成圖形；電磁輻射發射源，用於將所述材料暴露到至少ー個脈衝、廣播、寬帶光子發射；電路，用於將發射源發射的面能量密度控制在0. 01焦耳/cm2至30焦耳/cm2的範圍內；電路，用於將所述發射源的發射脈衝持續時間設定在I微秒至100毫秒範圍內；機制，用於將具有所述可印刷製劑的基底傳送經過所述發射源；以及機制，用於同步脈衝發射速率與基底傳送的速率以便空間地控制在所述基底上的所述材料的面能量密度曝光，其中所述脈衝發射燒結所述材料以增加在所述基底上的所述可印刷製劑的所述圖形的導電性。
42.根據權利要求41的系統，其中所述發射源包括密封的閃光燈。
43.根據權利要求42的方法，其中所述發射源還包括透射或反射濾光器，以修改所述發射源的譜並選擇在最低限度地影響所述基底的同時改善所述材料的所述燒結的發射帯。
44.根據權利要求41的方法，其中用於傳送所述基底的所述機制在5至100ft/min的速度處操作。
全文摘要
本發明通常涉及新穎納米材料合成物的使用和使用它們的系統，更具體而言涉及通常包括碳和金屬的納米材料合成物，所述合成物可以被暴露到脈衝發射以使所述納米材料合成物反應、激活、結合或燒結。可以可選地在環境溫度或基於其它方法利用所述納米材料合成物以引起這樣的反應、激活、結合或燒結髮生。
文檔編號B22F3/105GK102601363SQ20121008230
公開日2012年7月25日 申請日期2005年11月23日 優先權日2004年11月24日
發明者D·E·威爾遜, D·L·威勞爾, D·W·哈米爾, K·A·施洛德, K·C·沃爾特, K·M·馬丁, S·麥庫爾, W·富爾蘭 申請人:諾瓦森特裡克斯公司