CN100534671C - 纳米核壳式铜-镍双金属粉体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜和镍的双金属粉体及其制备方法。解决了单质纳米铜粉容易氧化的缺陷并且改善或提高了普通铜镍复合粉的使用效果。本发明首先参照现有技术制备一种纳米球形铜粉，然后将此铜粉在水中搅拌分散均匀制成铜粉的悬浊液，并将铜粉的悬浊液与有高分子保护剂和特种铜配位剂硫脲存在的硫酸镍溶液混合，使镍离子与铜发生置换反应，并在铜超微粒子的表面部分或全部包覆镍，形成一种核壳式铜—镍双金属纳米粉体。该双金属粉体可以作为润滑油及润滑脂极压抗磨添加剂，在粉末冶金中作添加剂，或作为多孔材料、抗菌材料、防污涂料、导电材料、磁性材料、自润滑材料、减摩材料、金刚石工具、以及电碳制品的原料或添加剂。
Description
技术领域
本发明属于双金属粉体及其制备和应用的技术领域，尤其涉及一种铜和镍的双金属粉体及其制备方法和应用。
技术背景
纳米粉体由于具有许多传统材料所没有的独特的物理和化学性质，因而得到了广泛的重视，成为当今国内外研究的热门课题之一。把纳米材料应用于润滑油中更是一个非常有应用前景的多学科交叉的研究领域。据文献[Trenie Iznos，20(3)，333-338(Russian)1999]报道俄罗斯的科学家将纳米铜粉加入润滑油中进行实验发现，润滑性能显著提高，机械磨损降低了3-3.5倍并且摩擦负荷提高了一倍，润滑油的摩擦学性能良好。然而，单质纳米铜在空气中很容易被氧化。文献《化学通报》1996年第10期55～58页，刘志杰、赵斌等人报道了纳米铜粉在常温干燥的情况下就会被氧化成土黄色的氧化亚铜。这限制了纳米铜粉在润滑油及润滑脂等各领域中的应用。一般铜镍复合粉目前应用也较广，可用作防污、金刚石、电碳制品的原料或添加剂以及粉末冶金添加剂等产品，但是如果采用纳米铜-镍粉效果将会显著提高。
发明内容
本发明所需要解决的技术问题之一在于解决单质纳米铜粉在空气中容易被氧化，提供一种不易被氧化的纳米核壳式铜-镍双金属粉体。
本发明所需要解决的技术问题之二在于公开一种制备成本较低的、易于实现工业化的纳米核壳式铜-镍双金属粉体的制备方法。
本发明所需要解决的技术问题之三在于公开所说的纳米核壳式铜-镍双金属粉体在润滑油、导电材料等领域的应用。
本发明的构思是这样的：
首先参照现有技术制备一种纳米球形铜粉，然后将此铜粉在水中搅拌分散均匀制成铜粉悬浊液，并将铜粉的悬浊液与有高分子保护剂和特种铜配位剂硫脲存在的硫酸镍溶液混合，使镍离子与铜发生置换反应，并在铜超微粒子的表面部分或全部包覆镍，形成一种核壳式铜-镍双金属纳米粉体。
本发明的技术方案为：纳米核壳式铜-镍双金属粉体，其组成组分和重量百分含量为：铜：60％～90％，镍：10％～40％；
在所说的双金属粉体中，铜粒子的表面部分或全部被镍所包覆，形成一种铜-镍双金属粉体，该双金属粉体粒子的形态为球形或近球形，单个粒子大小大约为10～100nm。
最优选的组成组分和重量百分含量为：铜：70％～80％，镍：20％～30％
上述纳米核壳式铜-镍双金属粉体的制备包括以下步骤：
a、将铜粉与水混合，获得铜粉的悬浊液；
所说的铜粉可以采用市售的产品，优选采用文献《化学通报》1996年第10期55～58页，刘志杰、赵斌等人报道的技术制备，为一种纳米球形铜粉，粒径为30～80纳米；
铜粉悬浊液中，铜粉的含量为2～5g/100ml；
b、然后与含有镍的包覆水溶液混合，在75～90℃的条件下，搅拌5～30分钟，即可获得纳米核壳式铜-镍双金属粉。
所说的含有镍的包覆液中，高分子保护剂的含量为5g/L～60g/L，六水合硫酸镍的含量为13g/L～54g/L，铜配位剂硫脲的含量为45g/L～90g/L；
具体可根据铜镍粉中的铜镍含量决定溶液的配比，b中溶液配比根据铜粉的取量(比如4克)和反应产物中铜镍的含量配比(比如90∶10，81∶19等)来计算溶液中硫酸镍的用量。
所说的高分子保护剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、明胶、可溶性淀粉、甲基纤维素、阿拉伯胶等可溶性高分子中的一种。优选的高分子保护剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、明胶。所用的溶剂为去离子水或蒸馏水。
上述纳米核壳式铜-镍双金属粉体可以作为润滑油及润滑脂极压抗磨添加剂、粉末冶金中的添加剂，可作为抗菌剂、防污剂、导电粉等直接应用，也可以作为原料或添加剂制成抗菌材料、防污涂料、导电材料、磁性材料、自润滑复合材料、减摩材料、金刚石工具、以及电碳制品等应用。
本发明的有益效果是：本发明的铜-镍双金属粉既克服了铜粉很容易氧化的缺点，同时镍作为一种金属也具有极压抗磨性能，铜镍形成双金属粉后，把它添加到润滑油中，其极压抗磨性能会进一步提高。比纳米铜润滑油添加剂提高了极压抗磨性、稳定性和减少了用量。同时还能满足润滑油的外观透明的要求、不出现油的混浊现象。此外该粉体是无机添加剂，对发动机、齿轮、一些金属零件等无腐蚀性且对环境友好。它是一种新型的润滑油添加剂，具有优良的抗磨、减摩和节能、环保功效，并有可观的经济效益。另外，该粉体做抗菌粉、防污剂等的应用，其社会效益显著。在粉末冶金等的应用中比普通铜镍复合粉的性能优异，对现有使用铜镍复合粉的产品性能有显著提高和改进的功效。本专利制备的纳米核壳式铜-镍双金属粉，采用的置换法制备技术以及在润滑油中做极压抗磨添加剂、导电材料方面等的应用，国内外均未见文献公开报道。本发明是用化学方法制备出一种颗粒不大于100纳米，粒径分布窄，形貌为球形或近球形且不易氧化的纳米核壳式铜-镍双金属粉体，并将其应用于润滑油以及其它较多领域(在粉末冶金中作添加剂、抗菌剂、防污剂、导电粉或作为多孔材料、抗菌材料、防污涂料、导电材料、磁性材料、自润滑材料、减摩材料、金刚石工具、以及电碳制品的原料或添加剂)。
附图说明
图1为实施例1的纳米核壳式铜-镍双金属粉体的粒度分布。
图2为实施例1的纳米核壳式铜-镍双金属粉体的电镜照片。
具体实施方式
以下将通过实施例对本发明具体的实施方法作说明：
实施例1
首先采用文献《化学通报》1996年第10期55～58页，刘志杰、赵斌等人报道的技术制备好4克纳米球形铜粉，并将铜粉加100ml水搅拌分散均匀；
高分子保护剂PVP含量为16g/L、六水合硫酸镍含量为13.3g/L(镍在粉体中理论含量为10％)、铜配位剂硫脲含量为67g/L的混合液120ml，在80度、搅拌的条件下将其与铜粉悬浊液混合。反应时间为15分钟，将反应产物过滤、洗涤、干燥。即可得到所说的核壳式铜-镍双金属纳米粉体。
由图1、2对比可知以纳米球形铜粉为原料可制备出球形或近纳米球形铜-镍双金属粉，后者的颗粒稍大于前者，为包覆结构。
实施例2
参照实施例1制备纳米球形铜粉4g，并将铜粉加100ml水搅拌分散均匀；另制高分子保护剂PVP含量为16g/L、铜配位剂硫脲含量为67g/L，六水合硫酸镍含量为20g/L(镍在粉体中理论含量为15％)的混合液120ml，在80℃搅拌的条件下将其与铜粉悬浊液混合。反应时间为15分钟，将反应产物过滤、洗涤、干燥。即可得到所说的核壳式铜-镍双金属纳米粉体。
激光粒度仪测试所制备粉体的粒径，粒子的平均粒径为70nm。粒子为包覆结构。
实施例3
参照实施例1制备纳米球形铜粉4g，并将铜粉加100ml水搅拌分散均匀；另制高分子保护剂PVP含量为16g/L、铜配位剂硫脲含量为67g/L、六水合硫酸镍含量为26.6g/L(镍在粉体中理论含量为20％)的混合液120ml，在80℃、搅拌的条件下将其与铜粉悬浊液混合。反应时间为20分钟，将反应产物过滤、洗涤、干燥。即可得到所说的纳米核壳式铜-镍双金属粉体。
激光粒度仪测试所制备粉体的粒径，粒子的平均粒径为60nm。粒子为包覆结构。
同样的方法可制粉体中镍含量30％、40％等的纳米铜-镍粉
实施例4
按实施例2的方法制备核壳式铜-镍双金属纳米粉体，仅反应温度改为90度。所得到的纳米核壳式铜-镍双金属粉体经激光粒度仪测试粉体的粒径，粒子的平均粒径为65nm。粒子为包覆结构。
实施例5
按实施例2的方法制备好核壳式铜-镍双金属纳米粉体0.015g，添加到99.99g SN500基础油中，粉体添加量为0.015％，加热搅拌1小时使其分散均匀。由四球机实验可知，该粉体具有优良的极压抗磨性能，最大无咔咬PB值为980N/GB3142(不含添加剂的基础油为647N/GB3142)。
实施例6
参照实施例3制备纳米球形铜-镍粉0.015g，添加到99.99g 15W40发动机油中，粉体添加量为0.015％，加热搅拌1小时使其分散均匀。由四球机实验可知，该润滑油最大无咔咬PB值为1254N/GB3142(不含添加剂的油为745N/GB3142)。
实施例7
参照实施例1制备纳米球形铜粉0.1g，添加到99.9g SN150基础油中，粉体添加量为0.1％，加热搅拌1小时使其分散均匀。由四球机实验可知，最大无咔咬PB值为921N/GB3142(不含添加剂的基础油为598N/GB3142)。作为润滑油的极压抗磨添加剂，纳米铜-镍粉比纳米铜粉的用量减少且稳定性有所提高。
注：纳米核壳式铜-镍双金属粉体的应用与普通的铜-镍复合粉粉体应用相同。如在粉末冶金中作添加剂、抗菌剂、防污剂、导电粉或作为多孔材料、抗菌材料、防污涂料、导电材料、磁性材料、自润滑材料、减摩材料、金刚石工具、以及电碳制品的原料或作添加剂。这里不一一举例说明了。
Claims (7)
1、纳米核壳式铜-镍双金属粉体，其特征在于，其组成组分的重量百分含量为：
铜：60％～90％，镍：10％～40％；
所述的双金属粉体单个粒子大小为10～100nm；
所述的双金属粉体粒子的形态为球形或近球形。
2、根据权利要求1所述的纳米核壳式铜-镍双金属粉体，其特征是：在所说的双金属粉体中，铜粒子的表面部分或全部被镍所包覆，为一种铜-镍双金属粉体。
3、权利要求1所述的纳米核壳式铜-镍双金属粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、将铜粉与水混合，获得铜粉的悬浊液；
b、然后与含有镍的包覆水溶液混合，在75～90℃的条件下，搅拌，即可获得纳米核壳式铜-镍双金属粉；
所说的含有镍的包覆液中，高分子保护剂的含量为5g/L～60g/L，六水合硫酸镍的含量为13g/L～54g/L，铜配位剂硫脲的含量为45g/L～90g/L。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所说的铜粉为一种纳米球形铜粉，粒径为40～80纳米。
5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，铜粉悬浊液中，铜粉的含量为2～5g/100ml。
6、根据权利要求3所述的纳米核壳式铜-镍双金属粉体的制备方法，其特征是：所说的高分子保护剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、明胶、可溶性淀粉、甲基纤维素、阿拉伯胶中的一种。
7、权利要求1所述的纳米核壳式铜-镍双金属粉体作为润滑油及润滑脂极压抗磨添加剂的应用。
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