CN102211186B - 一种树枝状铜粉表面镀银的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种树枝状铜粉表面镀银的方法，属于粉体表面处理技术领域。用稀酸酸洗树枝状铜粉，配置主盐溶液和还原剂溶液；当铜粉量小于100g时，将铜粉置入还原剂溶液中，添加主盐按“先快速后缓慢”分段添加工艺；当铜粉量不小于100g时，将还原剂溶液分段添加到铜粉中，主盐按“先较快后慢速”分段添加工艺滴加主盐溶液，每8-18min分步平均添加剩下的还原剂溶液和按“先较快后慢速”分段添加工艺滴加主盐溶液，完成铜粉表面的镀银；粉体在镀液中沉降，倾倒出镀液，用去离子水和乙醇清洗粉体后，真空干燥得到银包铜粉。本发明制备的银包铜粉镀层完全、连续、致密，具有较好的抗氧化性能，银含量在17％-30％之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种树枝状铜粉表面镀银的方法，制得银包铜粉，属于粉体表面处理技术领域，制备的银包铜粉具有良好的抗氧化性、导电性，可作为导电填料广泛地应用在电子行业中的导电复合材料中，如电磁屏蔽用导电橡胶。
背景技术
现代高新技术的不断发展，电子设备在社会各个行业中有着极其广泛地应用，由此引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题日益严重。针对这种现象，导电橡胶作为高效的电磁屏蔽材料，有着重要的科研价值。作为导电填料，银粉具有较高的导电性、抗氧化性，但在湿热条件和直流电压下极易发生电迁移现象导致短路，且价格昂贵，只适合作特殊场合的屏蔽原料，且对低频电磁屏蔽效果较差，难以满足宽频电磁屏蔽的需要；铜的导电能力仅次于银，抗迁移能力大大优于银，价格低廉，但铜粉的表面极易被氧化，氧化后的导电性能显著下降，且铜粉不易在聚合物基体中分散，从而失去在复合材料中的应用。若在铜粉表面包覆一层银制得银包铜粉，保持铜粉优良的导电性，还会提高其抗氧化稳定性。因此银包铜粉具有广阔的应用范围和研究价值。
目前，银包铜粉常通过化学镀法制备，包括置换法、化学还原法和置换与化学沉积复合法。置换法是将电位性较大的铜粉直接置入银溶液，将镀液中的Ag+或是Ag(NH3)2 +在铜粉表面还原，形成镀层。但是置换法镀银时，铜粉会部分溶解，与银氨离子反应生成铜氨离子，吸附在具有很高表面吉布斯自由能的铜粉表面，阻碍银氨离子与铜粉的接触，导致形成点缀结构的银铜粉或镀层包覆不完全；置换与化学沉积复合法是先以铜粉置换镀银，在铜粉表面形成部分银颗粒镀层，使铜粉表面增加活性点，相当于敏化过程，再利用还原法对粉体表面进行镀银，置换与化学沉积复合法集合了置换法和还原法的特点，但工艺步骤较多，操作复杂；还原法镀银是利用还原剂将银溶液中的银离子还原为银单质，并不断沉积在铜粉的表面，形成镀层，还原法镀银工艺简单，易于操作。
为获得质量较好的镀层，专利CN101664803(申请日2009年10月14日，公开日2010年3月10日)是进行包覆型银铜双金属粉的制备，先向铜粉溶胶中滴加稀硝酸调节pH值至3.0-5.0，加入离子掩蔽剂，搅拌均匀，在通入氮气或氩气的条件下缓慢滴加硝酸银溶液，充分反应后再添加氨水使pH值达7.0-11.0，充分反应后取粉清洗、烘干后得包覆型银包铜粉。其中，离子掩蔽剂是为了和溶液中二价铜离子生产较银氨离子更稳定的离子络合物，从而增大银离子和铜粉的接触面积，但此专利中离子掩蔽剂配方复杂，且制备工艺繁琐，对操作设备及环境较高，难以工业化生产；专利CN101244459(申请日2008年3月25日，公开日2008年8月20日)是进行铜粉表面的银-稀土复合镀，首先对铜粉进行除油、酸洗后，加入钯盐的酸性或碱性溶液中处理，在铜粉表面预植离散的钯质点，即对铜粉进行活化；将活化后的铜粉加入由甲醛乙醇配置的溶液中，缓慢加入硝酸银溶液，滴加氨水至溶液pH值为11.5-12.5时，再向镀液中加入稀土硝酸盐溶液，使镀层中含有0.5-1.2wt％的稀土元素，改善了镀层的包覆质量。此法对铜粉前处理工艺复杂，且钯盐价格较高，制备成本较高，而且制得的粉体镀层包覆率不到100％；专利CN101088670(申请日2007年12月19日，公开日2007年12月19日)是Cu-Ag核壳复合金属粉末的制备工艺，先用丙酮和稀酸对铜粉除油和酸洗后，添加银氨溶液，采用置换法进行对铜粉预镀，将预镀后的铜粉置入由葡萄糖配置的还原剂溶液中，以先快后慢的速度滴加银氨溶液，采用还原法化学镀银，分离干燥，在氢气保护下，200℃-500℃保温1-2h，对镀层进行致密化处理后，再置入葡萄糖浴，还原镀银三次后得到包覆完整且致密的银包铜粉。此法配方简单，通过预镀、致密化处理、重复镀工艺可得到镀层致密、无孔隙的银包铜粉，但其四次镀，工艺步骤较多；专利CN1876282(申请日2006年7月7日，公开日2006年12月13日)是一种铜粉表面化学镀银的工艺，将铜粉用稀酸酸洗后置入还原液中进行搅拌，配制银氨溶液添加至还原液中，进行化学镀银，过滤分离后，真空干燥得银含量为10％-20％银包铜粉。其操作工艺简单，但还原液的配制需要使用葡萄糖、聚乙二醇、乙醇等原料，配方较为复杂；专利CN1403233(申请日2002年10月10日，公开日2003年3月19日)是一种镀银铜粉的制备工艺，将酸洗后的铜粉后分散在分散剂溶液中，控制温度在20-60℃范围内，在搅拌条件下加入有机胺类络合的硝酸银溶液进行置换镀银，置换效率可达90％以上。此法工艺安全、简单，但制备的银包铜粉包覆不完全。专利CN1362307(申请日2001年12月20日，公开日2002年8月7日)是一种超细树枝粉的化学镀工艺，在0-80℃下向铜粉的悬浊液中加入有高分子保护剂存在的银离子，使银离子和铜发生置换反应，并在铜粒子的表面部分或全部被银粒子所包裹，制得的粉体平均团聚体粒径为4-20μm，单个树枝的粒径为50-400nm，含银量为27-94％。此法工艺简单，但化学镀过程中需使用高分子做分散剂，制备的银铜粉粒径较小，主要作为抗菌剂用，且银量过高，若作电磁屏蔽导电填料用则成本过高。
综上所述，目前银包铜粉制备工艺专利所存在的问题包括：(1)对铜粉的前处理工艺复杂；(2)制备过程中，镀液不稳定，制备的银包铜粉包覆不完全、镀层不致密；(3)镀银配方中所需化学原料较多，不利于降低成本，也对环境有一定影响；(4)镀银工艺繁琐，对制备设备和环境要求较高，不利于批量生产。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种配方简单、操作方便、对环境安全、稳定的树枝状铜粉表面镀银的方法。本发明所制备的银包铜粉可作为导电填料，用于电子行业中的电磁屏蔽材料。
本发明所提供的一种树枝状银包铜粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预处理：将粒径为20-100μm的树枝状铜粉加入2-8％重量百分比的稀酸中，搅拌25-60min，除去铜粉表面的氧化物，并用去离子水清洗过滤，得到干净的铜粉；
(2)主盐溶液配置：按照Cu和AgNO3摩尔比为1∶0.13-1∶0.37，称取硝酸银溶于去离子水中，滴加氨水直至溶液中的沉淀溶解，溶液澄清透明；然后添加NaOH溶液，NaOH重量为AgNO3重量的8％-15％，溶液产生沉淀，再添加氨水直至溶液透明，主盐银氨溶液配制完成；
(3)还原剂溶液配制：按照AgNO3与葡萄糖摩尔比为1∶0.63-1∶1.04、酒石酸与AgNO3质量比7％-15％，称取葡萄糖和酒石酸加入去离子水中，搅拌溶解，加热煮沸10min后冷却，还原剂溶液配制完成；
(4)铜粉的化学镀：
当被镀铜粉加载量小于100g时，将经步骤1清洗后的铜粉置入步骤3的还原剂溶液中，18-30℃、搅拌条件下，按主盐“先快速后缓慢”分段添加工艺滴加步骤2配置的主盐溶液，搅拌25-60min，完成铜粉表面的镀银。
当被镀铜粉加载量不小于100g时，将配置的还原剂溶液分段添加到经步骤1清洗后的铜粉中，即先向反应容器内加入部分还原剂溶液和去离子水，控制还原剂溶液中葡萄糖的初始浓度为6-12g/L，然后主盐按“先较快后慢速”分段添加工艺滴加主盐溶液，随着主盐的添加，每8-18min平均分步添加剩下的还原剂溶液和按“先较快后慢速”分段添加工艺滴加主盐溶液，搅拌60-100min，完成铜粉表面的镀银。
(5)后处理：待步骤(4)粉体在镀液中沉降，倾倒出镀液，按顺序分别用去离子水和乙醇清洗粉体后，在30-80℃真空干燥得到银包铜粉。
步骤(1)所述的稀酸为硫酸。
步骤(4)被镀铜粉加载量小于100g时所述的主盐“先快速后缓慢”分段添加工艺是先以25-30ml/min的速度添加主盐，当镀液pH值至10-11时，再以3-5ml/min的速度完成主盐溶液的添加。
步骤(4)被镀铜粉加载量不小于100g时，所述的主盐“先较快后慢速”分段添加工艺是先以16-20ml/min的速度添加主盐，当镀液pH值至9-10时，再以10-12ml/min的速度添加。
发明原理：
本发明对粒径为20-100μm树枝状铜粉进行化学镀银，由于铜粉表面有枝状凹凸结构，活性点较多，有利于施镀过程中还原出的银颗粒在铜粉表面的沉积，所以对铜粉的前处理只需进行酸洗，无需活化；
镀银过程中，控制还原剂的浓度及用量，与AgNO3形成合适的配比，使反应过程中银颗粒稳定析出，并均匀的沉积在铜粉表面，形成致密、无孔隙的镀层，无需其他致密化处理，工艺安全、简单。
为了保证镀层质量，主盐的添加速度和溶液pH值与被镀铜粉的加载量直接相关。在加载量较小时(小于100g)，主盐溶液快速添加阶段速度为先以25-30ml/min的速度添加主盐，当镀液pH值至10-11时，再以3-5ml/min的速度完成主盐溶液的添加；当加载量较大时(大于等于100g)，主盐溶液快速添加阶段速度为先以16-20ml/min的速度添加主盐，当镀液pH值至9-10时，再以10-12ml/min的速度完成主盐溶液的添加。铜粉加载量较小情况下，反应初始时，快速添加主盐溶液可较快提高镀液的pH值，为提高葡萄糖的还原能力提供良好的碱性环境，同时，也使得实验中初始阶段析出足量的银颗粒在铜粉表面沉积，形成初始的银镀层；后续过程中，缓慢滴加主盐溶液，有利于银颗粒的较缓析出，均匀地沉积在铜粉表面。树枝状铜粉表面活性结构对银的还原析出起催化作用，实验中，随着铜粉加载量的增大，铜粉对银的还原催化能力加强，且镀液体积也逐渐增大，所以主盐起始添加速度较小加载量条件下的速度慢一些；而为保证镀液的pH值，主盐溶液后续缓速添加阶段大加载量条件下较小加载量时快一些。
当对较大加载量铜粉进行化学镀时，由于体系中铜粉表面活性点较多会促使银的还原析出，也较易出现浑浊现象。浑浊现象是由于镀液中由于化学反应过快产生大量的银颗粒不能完全沉积在铜粉表面，而造成银颗粒在镀液中的聚集和悬浮，此现象会造成镀层表面颗粒状明显、不均匀。为了避免出现浑浊现象，经过试验验证，可通过降低还原剂的用量和浓度来保证化学镀层的均匀沉积，提高镀层的质量，而大加载量条件下，降低还原剂的用量会造成Ag的不完全还原。本申请采用还原剂分段添加工艺：即用较大用量的葡萄糖制备还原剂溶液，配置完成后向反应容器内先加入部分还原剂溶液，再向反应容器内适量添加去离子水，控制还原剂的起始浓度和整体体积，这样即有利于粉体的分散，又同时有利于避免镀液中出现浑浊现象，提高镀层的质量。然后在化学镀过程中随着主盐的添加，间断地添加还原剂溶液，使AgNO3充分还原，提高AgNO3的使用率，从而可以降低制备银包铜粉的成本，用本发明制备的银包铜粉镀层完全、连续、致密，具有较好的抗氧化性能，银含量在17％-30％之间。
附图说明
图1为本发明制备的银包铜粉形貌的SEM分析。
其中(a)为原铜粉SEM分析，(b)-(f)分别是实施例1到实施例5的样品SEM分析。
具体实施方式
下面结合若干实例对本发明所述的制备工艺进一步详细说明。
实施例1：
取5g铜粉，加入重量比为5％的200ml稀硫酸中，搅拌条件下酸洗25min，除去铜粉表面的氧化物，去离子水清洗三次后，滤除水后待用。取2.25g硝酸银(此时Cu、AgNO3之摩尔比为1∶0.37)溶入50ml去离子水中，加入适量氨水直至溶液变为透明；再称取0.25gNaOH溶于10ml去离子水中，再将NaOH溶液添加至硝酸银溶液中，溶液产生浑浊，变黑，滴加氨水直至溶液澄清。在100ml去离子水中加入2.25g葡萄糖(此时AgNO3、葡萄糖摩尔比为1∶0.94)和0.3g酒石酸，搅拌均匀后加热煮沸10min，冷却后得到还原溶液。将酸洗后的铜粉加入还原剂溶液，搅拌条件下，按主盐“先快速后缓慢”分段添加工艺添加主盐：先以25ml/min的速度快速添加主盐，使镀液pH值至11时，再以4ml/min的速度缓慢添加主盐溶液，主盐添加完成后，化学镀30min后，滤除镀液，去离子水清洗三次后，用乙醇清洗一次，60℃真空干燥得到银包铜粉，经滴定法测得粉体含银量为22.82％，所得银包铜粉SEM图见图1(b)。
实施例2：
取10g铜粉，加入重量比为5％的400ml稀硫酸中，搅拌条件下酸洗30min，除去铜粉表面的氧化物，去离子水清洗三次后，滤除水后待用。取5g硝酸银(此时Cu、AgNO3之摩尔比为1∶0.19)溶入50ml去离子水中，加入适量氨水直至溶液变为透明；再称取0.6gNaOH溶于10ml去离子水中，再将NaOH溶液添加至硝酸银溶液中，溶液产生浑浊，变黑，滴加氨水直至溶液澄清。在200ml去离子水中加入5.5g葡萄糖(此时AgNO3、葡萄糖摩尔比为1∶1.04)和0.5g酒石酸，搅拌均匀后加热煮沸10min，冷却后得到还原溶液。将酸洗后的铜粉加入还原剂溶液，搅拌条件下，按主盐“先快速后缓慢”分段添加工艺添加主盐：先以28ml/min的速度快速添加主盐，使镀液pH值至11时，再以5ml/min的速度缓慢添加主盐溶液，主盐添加完成后，化学镀45min后，滤除镀液，去离子水清洗三次后，用乙醇清洗一次，60℃真空干燥得到银包铜粉，经滴定法测得粉体含银量为22.19％，所得银包铜粉SEM图见图1(c)。
实施例3：
取50g铜粉，加入重量比为6％的2L稀硫酸中，搅拌条件下酸洗30min，除去铜粉表面的氧化物，去离子水清洗三次后，滤除水后待用。取30g硝酸银(此时Cu、AgNO3之摩尔比为1∶0.22)溶入200ml去离子水中，加入适量氨水直至溶液变为透明；再称取2.5gNaOH溶于50ml去离子水中，再将NaOH溶液添加至硝酸银溶液中，溶液产生浑浊，变黑，滴加氨水直至溶液澄清。在3L去离子水中加入20g葡萄糖(此时AgNO3、葡萄糖摩尔比为1∶0.63)和4g酒石酸，搅拌均匀后加热煮沸10min，冷却后得到还原溶液。将酸洗后的铜粉加入还原剂溶液，搅拌条件下，按主盐“先快速后缓慢”分段添加工艺添加主盐：先以25ml/min的速度快速添加主盐，使镀液pH值至10时，再以5ml/min的速度缓慢添加主盐溶液，主盐添加完成后，化学镀60min后，滤除镀液，去离子水清洗三次后，用乙醇清洗一次，60℃真空干燥得到银包铜粉，经滴定法测得粉体含银量为28.63％，所得银包铜粉SEM图见图1(d)。
实施例4：
取200g铜粉，加入重量比为6％的稀硫酸4L中，电动搅拌条件下酸洗50min，除去铜粉表面的氧化物，去离子水清洗三次后，滤除水后待用。取90g硝酸银(此时Cu、AgNO3之摩尔比为1∶0.17)溶入200ml去离子水中，加入适量氨水直至溶液变为透明；再称取8gNaOH溶于50ml去离子水中，再将NaOH溶液添加至硝酸银溶液中，溶液产生浑浊，变黑，滴加氨水直至溶液澄清。在2.5L去离子水中加入75g葡萄糖(此时AgNO3、葡萄糖摩尔比为1∶0.79)和8g酒石酸，搅拌均匀后加热30min，冷却后得到还原溶液。将酸洗后的铜粉加入4L去离子水中，添加1.5L还原剂溶液，搅拌条件下，按主盐“先较快后慢速”分段添加工艺添加主盐：先以20ml/min的速度快速添加主盐，使镀液pH值至9时，再以12ml/min的速度缓慢添加主盐溶液，并随着主盐的添加，每添加100mL主盐溶液，即每隔10min，再向镀液中添加200ml还原剂溶液，依次进行直至还原剂溶液和主盐溶液添加完成后，化学镀75min后，滤除镀液，去离子水清洗三次后，用乙醇清洗一次，60℃真空干燥得到银包铜粉，经滴定法测得粉体含银量为21.98％，所得银包铜粉SEM图见图1(e)。
实施例5：
取500g铜粉，加入重量比为8％的6L稀硫酸中，电动搅拌条件下酸洗60min，除去铜粉表面的氧化物，去离子水清洗三次后，滤除水后待用。取180g硝酸银(此时Cu、AgNO3之摩尔比为1∶0.13)溶入400ml去离子水中，加入适量氨水直至溶液变为透明；再称取15gNaOH溶于50ml去离子水中，再将NaOH溶液添加至硝酸银溶液中，溶液产生浑浊，变黑，滴加氨水直至溶液澄清。在2.5L去离子水中加入180g葡萄糖(此时AgNO3、葡萄糖摩尔比为1∶1.04)和18g酒石酸，搅拌均匀后加热30min，冷却后得到还原溶液。将酸洗后的铜粉加入4.5L去离子水中，添加1.3L还原剂溶液，搅拌条件下，按主盐“先较快后慢速”分段添加工艺添加主盐：先以18ml/min的速度快速添加主盐，使镀液pH值至9时，再以10ml/min的速度缓慢添加主盐溶液，每添加200mL主盐溶液，即每隔16min，再向镀液中添加300ml还原剂溶液，依次进行，直至还原剂溶液和主盐溶液添加完。主盐添加完成后，化学镀95min后，滤除镀液，去离子水清洗三次后，用乙醇清洗一次，60℃真空干燥得到银包铜粉，经滴定法测得粉体含银量为18.56％，所得银包铜粉SEM图见图1(f)。
Claims (2)
1.一种树枝状银包铜粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预处理：将粒径为20-100μm的树枝状铜粉加入2-8%重量百分比的稀酸中，搅拌25-60min，除去铜粉表面的氧化物，并用去离子水清洗过滤，得到干净的铜粉；
(2)主盐溶液配置：按照Cu和AgNO3摩尔比为1:0.13-1:0.37，称取硝酸银溶于去离子水中，滴加氨水直至溶液中的沉淀溶解，溶液澄清透明；然后添加NaOH溶液，NaOH重量为AgNO3重量的8%-15%，溶液产生沉淀，再添加氨水直至溶液透明，主盐银氨溶液配制完成；
(3)还原剂溶液配制：按照AgNO3与葡萄糖摩尔比为1:0.63-1:1.04、酒石酸与AgNO3质量比7%-15%，称取葡萄糖和酒石酸加入去离子水中，搅拌溶解，加热煮沸10min后冷却，还原剂溶液配制完成；
(4)铜粉的化学镀：
当被镀铜粉加载量小于100g时，将经步骤1清洗后的铜粉置入步骤3的还原剂溶液中，18-30℃、搅拌条件下，按主盐“先快速后缓慢”分段添加工艺滴加步骤2配置的主盐溶液，搅拌25-60min，完成铜粉表面的镀银；
当被镀铜粉加载量不小于100g时，将配置的还原剂溶液分段添加到经步骤1清洗后的铜粉中，即先向反应容器内加入部分还原剂溶液和去离子水，控制还原剂溶液中葡萄糖的初始浓度为6-12g/L，然后主盐按“先较快后慢速”分段添加工艺滴加主盐溶液，随着主盐的添加，每8-18min平均分步添加剩下的还原剂溶液和按“先较快后慢速”分段添加工艺滴加主盐溶液，搅拌60-100min，完成铜粉表面的镀银；
(5)后处理：待步骤（4）粉体在镀液中沉降，倾倒出镀液，按顺序分别用去离子水和乙醇清洗粉体后，在30-80℃真空干燥得到银包铜粉；
步骤（4）被镀铜粉加载量小于100g时所述的主盐“先快速后缓慢”分段添加工艺是先以25-30ml/min的速度添加主盐，当镀液pH值至10-11时，再以3-5ml/min的速度完成主盐溶液的添加；
步骤（4）被镀铜粉加载量不小于100g时，所述的主盐“先较快后慢速”分段添加工艺是先以16-20ml/min的速度添加主盐，当镀液pH值至9-10时，再以10-12ml/min的速度添加；
步骤（2）中NaOH溶液，为每0.25gNaOH对应10ml去离子水、每0.6gNaOH对应10ml去离子水、每2.5gNaOH对应50ml去离子水、每8gNaOH对应50ml去离子水或每15gNaOH对应50ml去离子水所得的NaOH溶液。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤（1）所述的稀酸为硫酸。
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