CN104014808B

CN104014808B - 引晶生长法制备单分散超细镍粉的方法及其微反应系统

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Publication number: CN104014808B
Application number: CN201410233286.8A
Authority: CN
Inventors: 李芳�; 曹海琳; 王安祺
Original assignee: Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Current assignee: Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: CN104014808A

Abstract

本发明涉及一种引晶生长制备单分散超细球形镍粉的方法及其微反应系统，属于粉体材料的制造技术领域。本发明的微反应系统包括：供料装置、强化微反应器装置和储料槽，其中强化微反应装置包括微混合器，管式微反应器及超声强化和恒温装置。供料装置的液槽与强化微反应器装置的一端相连，储料槽与强化微反应器装置的另一端相连。所得的纳米镍粉振实密度较大（2.5~4.9g/cm³），平均粒径为0.2~1.0μm，且分散性好、尺寸分布窄、形貌均匀。本发明的系统协同运用微反应器和超声波的双重优势，有利于对粉体材料成核生长过程的控制，制得单分散的纳米颗粒。本发明的方法工艺简单，投资少、成本低、适宜大规模工业化生产。

Description

引晶生长法制备单分散超细镍粉的方法及其微反应系统

技术领域

本发明涉及一种引晶生长制备单分散超细球形镍粉的方法及其微反应系统，属于粉体材料的制造技术领域。

背景技术

近年来，随着电子工业领域竞争的日益激烈，继续降低材料的成本。因此，传统的贵金属材料如金、银、铂等逐渐被价格较为低廉且性能较好的铜、镍等金属元素代替。另外，为了实现电子产品的小型化，需要这些金属粉体具有小的粒径和粒径分布，因此合成单分散的超细金属粉体成为目前制造领域关注的一个重大问题。

纳米金属粉体的合成方法大致可以分为两类：即物理方法和化学方法。物理法大多利用外部物理的作用力将金属镍粉粉碎成超细颗粒，其过程没有发生任何化学变化。典型的有蒸发-冷凝法、气雾法、激光烧蚀法和机械破碎法等。化学法是利用化学反应实现原子之间的重新组装从而制备超细颗粒的方法，典型的有电解法、乳液法、化学气相沉积法和液相还原法等。这些传统的方案制备出的镍粉具有颗粒不均匀、尺寸分布宽，振实密度不高且成本较高等特点。引晶生长法是在1950年由Lamer（J.Am.Chem.Soc.,1950,72,4847）提出的均相溶液中单分散溶胶的合成机制的基础上发展起来的，目前已经广泛的应用于金、银及各种半导体和磁性氧化物的合成中（J.Phys.Chem.B,2001,105,11630;J.Am.Chem.Soc.,2002,124,8204;Nat.Mater.,2004,3,891.）。该方法的实施思路是通过对反应过程的控制将纳米颗粒的成核和生长过程分离，从而有效的控制晶核的长大过程，制得单分散的纳米粒子。

新近发展起来的微反应器制备纳米粒子的方法具有极强的传质能力，不存在“放大效应”，可以使原料得到高效的混合，反应过程简单可控，产物稳定性高；另外该方法易于实现对粉体制备过程中的形核与生长阶段的分离、生长过程的严格控制，非常有利于合成单分散的超细纳米颗粒。且传统液相法一般通过添加表面活性剂和反应过程施加超声实现对纳米粒子分散的控制，这样会导致产物中表面活性剂难以洗净，而超声效果也会受到超声功率和有效距离的限制。通过微反应器装置可以有效的解决这些问题。目前，用于气相合成的微反应器在工业上的应用已成为现实。但与气相微反应的研究和应用相比，液相微反应的研究显然少得多。

发明内容

本发明主要目的是提供一种制备单分散超细球形镍粉的微反应装置，另一目的是提供一种采用所述微反应系统制备超细镍粉的方法。采用本方法可以制备出单分散的球形金属镍粉，粒径可以控制在100~1000nm之间，振实密度约在2.5~4.9g/cm³。

为了实现上述目的，本发明实施方案具体介绍如下：

1.晶种溶液A的配制：

将晶种颗粒用搅拌法均匀分散到含有一定量还原剂的水溶液中，得到晶种颗粒的悬浮液。晶种颗粒可以为银、金、钴、镍、铜等金属纳米颗粒，浓度约为1*10^-5~5g/L，优选为1*10^-4~1g/L，晶种颗粒大小5~100nm，优选为10~50nm；所述还原剂可为水合肼、硼氢化钠等，浓度约为10~80%。

2.氢氧化物前驱体溶液B的制备：

用二价镍盐溶液与氢氧化钠和碳酸钠的混合溶液反应，生成Ni(OH)₂和NiCO₃·Ni(OH)₂沉淀。所述镍源可为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、醋酸镍等，浓度约0.1~2.5mol/L；氢氧化钠和碳酸钠混合液中的氢氧化钠与碳酸钠的重量比可以为(0.2~10):1；溶液的pH值为8.5~13.5。

3.超细镍粉的制备：

将分散剂与溶液A或溶液B混合，然后将所得的A溶液、B溶液分别通过计量泵按一定比例同时注入微反应器内，在微反应器中停留反应一定时间；所得产物经过滤，洗涤、干燥后可得单分散的球形超细金属镍粉。所述分散剂可为聚乙烯吡咯烷酮（PVP），聚丙烯酰胺（PAAm），明胶，十二烷基苯磺酸钠，十二烷基三甲基溴化铵，月桂酸钠等，浓度为0.01~5wt%，用量0.1~10L；微反应器温度可控制在40~95℃；A溶液和B溶液按还原剂和镍的摩尔比2~10：1。

本发明的微反应装置示意图见图1，所述微反应系统包括多个循环单元，每个循环单元包括包括：供料装置、强化微反应器装置和储料槽；其中，强化微反应器装置包括微混合器，管式微反应器及超声强化和恒温装置。超声波槽（见图2）包括连接在一起的内槽和外槽，超声波发生器安装于外槽中，整个管式微反应器贯穿内槽并与内槽密封连接在一起，内槽通过进水口和出水口实现循环流体的流通。所述超声波槽围绕于微反应器外部，所述超声波发生器安装于超声波槽内。至少有两套供料装置通过连接管道与强化微反应器装置相连，且所述微混合器设置于管式微反应器通道内。优选微混合器通道的直径为为2~20mm，物料在微混合器中停留10~100ms，管式微反应器通道长度约为200~800mm，物料在管式微反应器内的循环反应时间为5~60min。

本发明的特点在于利用微反应器通过引晶生长法得了分散性较好且振实密度较高的球形超细金属镍粉。将引晶生长法和微反应器结合，有利于将产品的成核和生长过程分开，制得单分散的超细镍粉。本发明操作简便、设备投资少、成本低、不存在“放大效应”，适宜大规模工业化生产。

附图说明

图1为本发明一实施例给出的一种引晶生长法制备单分散超细镍粉的微反应系统结构示意图。

图2为本发明一实施例给出的一种引晶生长法制备单分散超细镍粉的微反应系统中强化微反应装置横截面结构示意图。

图3为采用本发明系统得到的超细镍粉的XRD图谱。

图4为采用本发明系统得到的超细镍粉的SEM图谱。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种引晶生长法制备单分散超细镍粉的微反应系统，包括多个循环单元，每个循环单元包括包括：供料装置、强化微反应器装置和储料槽4；其中，所示供料装置包括第一供料槽7和第二供料槽7以及输料泵1；强化微反应器装置包括微混合器2，管式微反应器3及超声强化和恒温装置6。

如图2所示，所述超声强化和恒温装置6包括超声波槽和超声波发生器10，所述超声波槽围绕于管式微反应器3外部，包括连接在一起的内槽8和外槽9，超声波发生器10安装于外槽9中，管式微反应器3贯穿内槽8，并与内槽8密封连接在一起，内槽8通过进水口11和出水口12实现循环流体的流通。

每个循环单元至少有两套供料装置通过连接管道与强化微反应器装置相连，且所述微混合器2设置在所述管式微反应器3的通道内。

所述微混合器2的通道的直径为2~20mm，物料在微混合器2中停留10~100ms，所述管式微反应器3的通道长度约为200~800mm，物料在管式微反应器3内的循环反应时间为5~60min。

所述微反应系统的第一循环单元5的出料进入下一循环单元继续进行处理，直至最后一个循环单元，得到最终的产物。

实施例1：

先配制1L质量百分比为0.5%的金纳米颗粒悬浮液，加入质量百分比为10wt%的硼氢化钠溶液500L充分溶解配制溶液A；将38KgNaOH和3.8KgNa₂CO₃溶于150L水中，充分搅拌溶解，然后边搅拌边加入0.7mol/L硫酸镍溶液390L左右至pH12，再加入1L质量百分比为0.5%的聚丙烯酰胺溶液，60℃下继续搅拌30min后得溶液B；将A液和B液通过泵注入温度为70℃，内径为2mm的微反应器中循环反应10min，收集产物，所得产物经过滤、洗涤、干燥制得金属镍粉。通过上述方法制得的镍粉平均粒径为0.9μm，振实密度3.0g/cm³.

实施例2：

配制1L质量百分比为1%的铜纳米颗粒悬浮液，晶种大小约为10nm加入45L60wt%的水合肼配制溶液A；将19.6KgNaOH和20.8KgNa₂CO₃溶于150L水中，充分搅拌溶解，然后边搅拌边加入1.2mol/L氯化镍溶液35L左右至pH11.5，再加入10L质量百分比为0.01%的聚丙烯酰胺溶液，50℃下继续搅拌20min后得溶液B；将A液和B液通过泵注入温度为80℃，内径为10mm的微反应器中循环反应20min后，结束反应，产物经过滤、洗涤、干燥制得金属镍粉。通过上述方法制得的镍粉平均粒径为0.6μm，振实密度3.3g/cm³.

实施例3：

配制1L质量百分比为0.02%的银纳米颗粒悬浮液，晶种大小约为5nm，再加入50wt%的硼氢化钠187L和质量百分比为5%的聚乙烯吡咯烷酮的溶液0.02L，充分溶解得溶液A；将42KgNaOH和32KgNa₂CO₃溶于150L水中，充分搅拌溶解，然后边搅拌边加入2mol/L硫酸镍溶液206L左右至pH为11.6，60℃下继续搅拌20min后得溶液B；将A液和B液通过泵注入温度为80℃，内径为15mm的微反应器中，循环反应5min后，结束反应，产物经过滤、洗涤、干燥制得金属镍粉。通过上述方法制得的镍粉平均粒径为0.4μm，振实密度3.6g/cm³.

实施例4：

配制1L质量百分比为0.02%的镍纳米颗粒悬浮液，晶种大小约为50nm，加入35L80wt%的水合肼和和质量百分比为1%的聚丙烯酰胺的溶液1.5L，充分溶解得溶液A；将33KgNaOH和28KgNa₂CO₃溶于150L水中，充分搅拌溶解，然后边搅拌边加入2.3mol/L氯化镍溶液170L左右至pH12.5，50℃下继续搅拌20min后得溶液B；将A液和B液通过泵注入温度为90℃，内径为20mm的微反应器中，循环反应进行5min后，结束反应，产物经过滤、洗涤、干燥制得金属镍粉。通过上述方法制得的镍粉平均粒径为0.5μm，振实密度3.9g/cm³.

实施例5：

配制1L质量百分比为0.001%的银纳米颗粒悬浮液，晶种大小约为10nm，再加入245L80wt%的水合肼和质量百分比为2%的明胶的溶液2L，充分溶解得溶液A；将33KgNaOH和84KgNa₂CO₃溶于150L水中，充分搅拌溶解，然后边搅拌边加入2mol/L硫酸镍溶液150L左右至pH11.7，70℃下继续搅拌30min后得溶液B；将A液和B液通过泵注入温度为80℃，内径为15mm的微反应器中，循环反应进行20min后，结束反应，产物经过滤、洗涤、干燥制得金属镍粉。通过上述方法制得的镍粉平均粒径为1.0μm，振实密度4.9g/cm³.

实施例6：

配制1L质量百分比为0.005%的铜纳米颗粒悬浮液，晶种大小约为20nm，加入110L80wt%的水合肼和质量百分数为0.1%的聚丙烯酰胺的溶液1L，充分溶解得溶液A；将24KgNaOH和25KgNa₂CO₃溶于150L水中，充分搅拌溶解，然后边搅拌边加入1.5mol/L氯化镍溶液180L左右至pH11.7，60℃下继续搅拌30min后得溶液B；将A液和B液通过泵注入温度为80℃，内径为10mm的微反应器中，循环反应10min后，结束反应，产物经过滤、洗涤、干燥制得金属镍粉。通过上述方法制得的镍粉平均粒径为0.6μm，振实密度4.0g/cm³.

实施例7：

先配制1L质量百分比为0.02%的钴纳米颗粒悬浮液，晶种大小约为100nm，加入35L80wt%的水合肼充分溶解配制溶液A；将24KgNaOH和120KgNa₂CO₃溶于150L水中，充分搅拌溶解，然后边搅拌边加入含有0.5L明胶（质量分数为5%）的硫酸镍溶液（1.2mol/L）206L调节溶液pH至11.8，70℃下继续搅拌30min后得溶液B；将A液和B液通过泵注入温度为80℃，内径为20mm的微反应器中，循环反应60min后，结束反应，产物经过滤、洗涤、干燥制得金属镍粉。通过上述方法制得的镍粉平均粒径为0.7μm，振实密度2.5g/cm³.

图3为所得镍粉的XRD图片，可见样品呈现镍特有的面心立方结构（111）、（200）、（220）晶面衍射峰，且衍射峰高而尖锐，结晶性非常好。

图4为所得镍粉的SEM图片，可见样品具有较好的球形度，平均粒径约为500nm左右，粒径分布均一，呈单分散。

Claims

1.一种引晶生长制备单分散超细镍粉的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、晶种溶液A的配制：

将晶种颗粒用搅拌法均匀分散到含有一定量还原剂的水溶液中，得到晶种颗粒的悬浮液；

步骤2、氢氧化物前驱体溶液B的制备：

用二价镍盐溶液与氢氧化钠和碳酸钠的混合溶液进行反应，生成Ni(OH)₂和NiCO₃·Ni(OH)₂沉淀；

步骤3、超细镍粉的制备：

将分散剂与溶液A或溶液B混合，然后将配制好的溶液A、溶液B分别通过计量泵按一定比例同时注入微反应器，进行反应，得到最终产物；所述最终产物经过滤、洗涤、干燥后即得到单分散的球形超细金属镍粉。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中所用的晶种颗粒是浓度为1×10^-5～5g/L的金属纳米颗粒，晶种颗粒大小5～100nm；所述还原剂是浓度为10～80％的水合肼、硼氢化钠。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1中所用的晶种颗粒是浓度为1×10^-4～1g/L，颗粒大小为10～50nm的金属纳米颗粒。

4.根据权利要求2-3之一所述的方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒是银、金、钴、镍、铜中的一种。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，所述二价镍盐溶液的镍源是浓度为0.1～2.5mol/L的氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、醋酸镍中的一种；所述氢氧化钠和碳酸钠混合液中的氢氧化钠与碳酸钠的重量比为(0.2～10):1；溶液的pH值为8.5～13.5。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述分散剂是浓度为0.01～5wt％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，聚丙烯酰胺(PAAm)，明胶，十二烷基苯磺酸钠，十二烷基三甲基溴化铵，月桂酸钠中的一种，其用量为0.1～10L；微反应器温度控制在40～95℃；A溶液和B溶液比例按还原剂和镍的摩尔比2～10：1进行混合。

7.一种引晶生长法制备单分散超细镍粉的微反应系统，其特征在于，所述微反应系统包括多个循环单元，每个循环单元包括：供料装置、强化微反应器装置和储料槽(4)；其中，供料装置包括第一供料槽和第二供料槽以及输料泵(1)；强化微反应器装置包括微混合器(2)，管式微反应器(3)及超声强化和恒温装置(6)。

8.根据权利要求7所述的微反应系统，其特征在于，所述超声强化和恒温装置包括超声波槽和超声波发生器(10)，所述超声波槽围绕于管式微反应器(3)外部，所述超声波槽内安装有超声波发生器(10)；所述超声波槽包括连接在一起的内槽(8)和外槽(9)，超声波发生器(10)安装于外槽中，管式微反应器(3)贯穿内槽(8)并与内槽(8)密封连接在一起，内槽(8)通过进水口(11)和出水口(12)实现循环流体的流通。

9.根据权利要求8所述的微反应系统，其特征在于，每个循环单元至少有两套供料装置通过连接管道与强化微反应器装置相连，且所述微混合器(2)设置在所述管式微反应器(3)的通道内。

10.如权利要求9所述的微反应系统，其特征在于，所述微混合器(2)的通道的直径为2～20mm，物料在微混合器(2)中停留10～100ms，所述管式微反应器(3)的通道长度约为200～800mm，物料在管式微反应器(3)内的循环反应时间为5～60min。