CN108436104B - —种用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了—种用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，包括如下步骤：1）将酸性刻蚀液过滤，去除刻蚀液中的悬浮物和沉淀杂质，得滤液；2）将滤液倒入反应釜中，然后依次向反应釜中倒入纳米铜分散剂、具有还原性的转移剂和pH值调节剂；3）将反应釜密闭，然后放入恒温反应器中，对反应釜进行加热，加热过程中对反应釜内的溶液进行搅拌，反应结束后将反应釜内的溶液倒入分离器中，收集含有纳米铜的有机层；4）将收集到的含有纳米铜的有机层真空干燥，得铜纳米线粉体。本发明具有铜回收率高、纯度高，工艺稳定，工艺简单，能耗小，成本低的特点；此外，还具有铜纳米线形状均匀，分散性好，抗氧化性强的特点。

Description

—种用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺
技术领域
本发明涉及—种制备铜纳米线的工艺，特别是—种用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺。
背景技术
在制造高多层的电路板过程中，酸性蚀刻是一个必不可少的工序。所谓酸性蚀刻就是按照工程设计利用具有酸性和氧化性的药水将不需要的单质铜从电路板中蚀刻到药水中来，但是，随着蚀刻不断的进行，蚀刻液中的铜离子浓度必定会不断的增大，当铜离子浓度达到一定浓度时如果不进行处理的话，将会影响蚀刻的效果。目前很多电路板公司尤其是小型的公司对于酸性蚀刻废液都是进行简单的处理后卖出去或者是排放。
酸性蚀刻废液的主要成分是氯化铜、盐酸、水，铜的质量浓度可达120克/升～150克/升。目前对于酸性蚀刻液中铜的处理大致可以分三大类方法：（1）、金属置换法。利用金属活泼性的差异，向酸性蚀刻废液中加入铁粉或者铝粉将铜离子还原成海绵状的单质铜；（2）、萃取电解法。先向酸性蚀刻废液中加入铜的一些萃取剂，再经过反萃取得到高浓度的铜离子溶液，然后利用电解的方法得到单质铜的；（3）、电解还原法。这种方法是基于电化学原理，将酸性蚀刻液中铜离子在阴极得到电子而还原成单质铜；（4）、利用焙烧法回收氧化铜法。将酸性蚀刻废液经过高压从喷嘴喷出，以雾滴状态分散在550℃的焙烧炉中，分解成氧化铜。然而，上述这些方法存在一些不足之处：①置换法回收率低，铜纯度低，而且在置换过程中伴析氢的副反应从而造成了工艺的不稳定；②萃取电解法工艺较复杂，耗电能较大；③焙烧法，回收率不高，工序复杂，成本大。
因此，基于上述的分析，发明人以酸性蚀刻废液为铜资源，采用一种新颖的回收方法，将酸性蚀刻废液中的铜制备成高附加值的铜纳米线，达到的资源循环再利用、绿色生产的目的。
发明内容
本发明的目的在于，提供—种用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺。本发明具有铜回收率高、纯度高，工艺稳定，工艺简单，能耗小，成本低的特点；此外，还具有铜纳米线形状均匀，分散性好，抗氧化性强的特点。
本发明的技术方案：—种用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，包括如下步骤：
1）将酸性刻蚀液过滤，去除刻蚀液中的悬浮物和沉淀杂质，得滤液；
2）将滤液倒入反应釜中，然后依次向反应釜中倒入纳米铜分散剂、具有还原性的转移剂和pH值调节剂；
3）将反应釜密闭，然后放入恒温反应器中，对反应釜进行加热，加热过程中对反应釜内的溶液进行搅拌，反应结束后将反应釜内的溶液倒入分离器中，收集含有纳米铜的有机层；
4）将收集到的含有纳米铜的有机层真空干燥，得铜纳米线粉体。
前述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，步骤1）中，所述过滤为离心过滤。
前述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，步骤2）中，所述纳米铜分散剂为月桂酸酯或十八油胺或两者的任意比例混合。此纳米铜分散剂同时具有亲水基团和亲油基团，通过它们分子结构中的氧（O）或氮（N）元素与蚀刻废液中铜离子产生配位反应，形成氧或氮与铜之间配位键，这种配位键为铜纳米的生长提供了有限的空间了，防止了铜纳米线之间的团聚现象。在搅拌的状态下，溶解在蚀刻废液中的分散剂通过亲油基团可以转移到有机层中。因此，在后续的还原过程中可以有效地解决铜纳米线之间的团聚现象，同时通过吸附在铜纳米的表面以达到防止铜纳米二次被氧化的目的。
前述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，步骤2）中，所述转移剂为单宁酸或椰子油或两者的任一比例混合。蚀刻液中铜离子通过与分散剂之间配位键，被转移到有机层中，在单宁酸或椰子油的还原作用下，将铜离子还原成为铜单质。由于所选的转移剂还原性较为温和，还原速率较慢，减少了铜纳米之间的团聚。此外，在后续产物干燥过程中，单宁酸或椰子油能够吸附在铜表面，将铜包裹起来，减少铜被二次氧化的机会。
前述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，步骤2）中，所述pH调节剂为四甲基氢氧化铵或氨水或两者的任一比例混合。四甲基氢氧化铵或氨水既能为反应体系提供一个弱碱性的环境，增强还原剂的还原性，保证还原剂进一步还原体系中铜离子；又能在加热的时释放出氨气，为反应体系提供了一个高压隔空的环境，防止了制备的铜纳米线被空气中还原性气体再次氧化。
前述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，步骤2）中，所述纳米铜分散剂占滤液总质量的0.1-2%，转移剂占滤液总质量的5-50%；所述pH值调节剂加入后反应釜内反应液的pH值为8-14。
前述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，所述纳米铜分散剂占滤液总质量的1%，转移剂占滤液总质量的25%；所述pH值调节剂加入后反应釜内反应液的pH值为10。
前述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，步骤3）中，对所述反应釜进行加热时，采用分段加热，第一段为40-60℃，反应时间2-6h，此段温度的设置能够控制铜纳米晶体缓慢、有序地产生，防止高温反应下纳米核之间的剧烈生长、团聚；第二段为60-180℃，反应时间为2-8小时，此段温度的能够有效地调控铜纳米晶体按照一维有序的方向生长，形成铜纳米线。
前述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，所述第一段反应温度为50℃，反应时间4h，第二段反应温度为120℃，反应时间为5小时。
前述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，步骤3）中，所述搅拌的转速为100-1000r/min。
本发明的有益效果
本发明通过上述工艺，提高了铜的回收率，并且回收得到的铜具有较高的纯度；并且具有制备工艺简单、稳定，耗能小，成本低的优点。此外，本发明的工艺制备得到的铜纳米线形状均匀，分散性好，具有较强的抗氧化性能，实现了刻蚀液的变废为宝。
实验证明： 本发明铜的回收率可以高达95%，纯度达100%，而传统方法的铜回收率在60-95%之间，如采用金属置换法铜的回收率一般在80-85%之间，纯度一般为90%；萃取电解法在70-80%之间，纯度一般在80%；电解还原法在70-80%之间，纯度一般为85%；焙烧法在60-65%之间，纯度一般为80%。
本发明制备的铜纳米具有纯度高，稳定性优异的特点，纯度高主要的原因是：一个是酸性蚀刻废液的前处理，将一些杂质除了，另一个主要原因是弱性的还原剂选择性的只还原了溶液中铜离子。优异的稳定性可以通过铜纳米性暴露在空气中30天后对比前后的XRD图可以看出，无氧化铜粉的存在，而普通的单质铜非常容易被空气中的氧气氧化。
实验例1
取东莞某PCB制造厂生产线的酸性蚀刻废液，从中取100毫升（质量约120克）倒入2支50毫升离心管中，利用离心机进行离心过滤以除去废液中的悬浮物和沉淀杂质，设置离心速率为8000转/分钟，离心时间10分钟，离心结束后将滤液倒入150毫升的耐高温高压反应釜中；向体系中加入氨水，使溶液的pH约等于10，再依次加入1.2克十八油胺、12克椰子油和10克单宁酸，开启磁力搅拌，设置搅拌速率为100转/分钟，搅拌30分钟后将反应釜密封好，并放入温度可控的加热器中。首先设置反应温度为60℃，反应时间为2小时，同时设置搅拌速率为100转/分钟，待此段反应结束后，将体系的反应温度设置为80℃，反应时间为2小时；待整个反应结束后，将反应釜从加热器中取出，让其自然冷却至室温，接着将反应釜中的溶液倒入200毫升的梨形分离器中，收集上层的有机层，并用无水乙醇对有机层洗涤5次，结束后将其放入真空干燥箱进行干燥，设置干燥温度为45℃，干燥时间为12小时，干燥结束后收集到暗红色的粉体。取微量的粉体，利用电子扫描显微镜（SEM）对其形貌进行观察，所获得的形貌如图1和图2所示。发现其形貌为线性状，长度可达2个微米。同时将暴露在空气中15天后的铜纳米线粉末利用X-射线粉末衍射仪（XRD）进行表征检测，通过如图3所展示的XRD图谱可知，存放在空气15天后的纳米铜粉未被氧化，体现出良好的抗氧化性。
实验例2
取东莞某PCB制造厂生产线的酸性蚀刻废液，从中取100毫升（质量约120克）倒入2支50毫升离心管中，利用离心机进行离心过滤以除去废液中的悬浮物和沉淀杂质，设置离心速率为10000转/分钟，离心时间8分钟，离心结束后将滤液倒入150毫升的耐高温高压反应釜中；向体系中加入四甲基氢氧化铵，使溶液的pH约等于10，再依次加入0.6克十八油胺和0.6克月桂酸酯、15克椰子油，开启磁力搅拌，设置搅拌速率为100转/分钟，搅拌30分钟后将反应釜密封好，并放入温度可控的加热器中。首先设置反应温度为60℃，反应时间为2小时，同时设置搅拌速率为100转/分钟，待此段反应结束后，将体系的反应温度设置为80℃，反应时间为2小时；待整个反应结束后，将反应釜从加热器中取出，让其自然冷却至室温，接着将反应釜中的溶液倒入200毫升的梨形分离器中，收集上层的有机层，并用无水乙醇对有机层洗涤5次，结束后将其放入真空干燥箱进行干燥，设置干燥温度为45℃，干燥时间为12小时，干燥结束后收集到暗红色的粉体。取微量的粉体，利用电子扫描显微镜（SEM）对其形貌进行观察，所获得的形貌如图4所示。发现其形貌为线性状。同时将暴露在空气中30天后的纳米铜粉末利用X-射线粉末衍射仪（XRD）进行表征检测，通过如图5所展示的XRD图谱可知，存放在空气中30天后的纳米铜粉未被氧化，体现出良好的抗氧化性。
附图说明
图1为实验例1所制备的铜纳米线在放大倍数较小时的SEM图；
图2为实验例1所制备的铜纳米线在放大倍数较大时的SEM图；
图3为实验例1所制备的铜纳米粉末在存放空气之前和存放在空气中15天后的XRD图谱；
图4为实验例2所制备的铜纳米线SEM图；
图5为实验例2所制备的铜纳米粉末在存放空气之前和存放在空气中30天后的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例
实施例1、—种用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，步骤如下：
1）将酸性刻蚀液过滤，去除刻蚀液中的悬浮物和沉淀杂质，得滤液；
2）将滤液倒入耐高温高压的反应釜中，然后依次向反应釜中倒入滤液总质量的0.1%的月桂酸酯和占滤液总质量的5%的单宁酸，然后加入四甲基氢氧化铵调节反应液的pH值为8；
3）将反应釜密闭，然后放入恒温反应器中，对反应釜采用分段加热，第一段为40℃，反应时间6h，第二段为60℃，反应时间为8小时，加热过程中对反应釜内的溶液进行转速为100r/min搅拌，反应结束后将反应釜内的溶液倒入分离器中，收集含有纳米铜的有机层；
4）将收集到的含有纳米铜的有机层真空干燥，得铜纳米线粉体。
实施例2、—种用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，步骤如下：
1）将酸性刻蚀液过滤，去除刻蚀液中的悬浮物和沉淀杂质，得滤液；
2）将滤液倒入耐高温高压的反应釜中，然后依次向反应釜中倒入滤液总质量的1%的十八油胺和占滤液总质量的25%的椰子油，然后加入氨水调节反应液的pH值为10；
3）将反应釜密闭，然后放入恒温反应器中，对反应釜采用分段加热，第一段为50℃，反应时间4h，第二段为120℃，反应时间为5小时，加热过程中对反应釜内的溶液进行转速为500r/min搅拌，反应结束后将反应釜内的溶液倒入分离器中，收集含有纳米铜的有机层；
4）将收集到的含有纳米铜的有机层真空干燥，得铜纳米线粉体。
实施例3、—种用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，步骤如下：
1）将酸性刻蚀液过滤，去除刻蚀液中的悬浮物和沉淀杂质，得滤液；
2）将滤液倒入耐高温高压的反应釜中，然后依次向反应釜中倒入滤液总质量的1%的月桂酸酯和滤液总质量的1%的十八油胺以及占滤液总质量的30%的单宁酸和占滤液总质量的20%的椰子油，然后加入四甲基氢氧化铵和氨水的质量比为1:1的混合液调节反应液的pH值为14；
3）将反应釜密闭，然后放入恒温反应器中，对反应釜采用分段加热，第一段为60℃，反应时间2h，第二段为180℃，反应时间为2小时，加热过程中对反应釜内的溶液进行转速为1000r/min搅拌，反应结束后将反应釜内的溶液倒入分离器中，收集含有纳米铜的有机层；
4）将收集到的含有纳米铜的有机层真空干燥，得铜纳米线粉体。

Claims (5)

1.一种用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)将酸性刻蚀液过滤，去除刻蚀液中的悬浮物和沉淀杂质，得滤液；
2)将滤液倒入反应釜中，然后依次向反应釜中倒入纳米铜分散剂、具有还原性的转移剂和pH值调节剂；所述转移剂为单宁酸或椰子油或两者的任一比例混合；所述pH值调节剂为四甲基氢氧化铵或氨水或两者的任一比例混合；所述纳米铜分散剂占滤液总质量的0.1-2％，转移剂占滤液总质量的5-50％；所述pH值调节剂加入后反应釜内反应液的pH值为8-14；
3)将反应釜密闭，然后放入恒温反应器中，对反应釜进行加热，加热过程中对反应釜内的溶液进行搅拌，反应结束后将反应釜内的溶液倒入分离器中，收集含有纳米铜的有机层；对所述反应釜进行加热时，采用分段加热，第一段为40-60℃，反应时间2-6h，第二段为60-180℃，反应时间为2-8小时；所述搅拌的转速为100-1000r/min；
4)将收集到的含有纳米铜的有机层真空干燥，得铜纳米线粉体。
2.根据权利要求1所述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，其特征在于：步骤1)中，所述过滤为离心过滤。
3.根据权利要求1所述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，其特征在于：步骤2)中，所述纳米铜分散剂为月桂酸酯或十八油胺或两者的任意比例混合。
4.根据权利要求1所述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，其特征在于：所述纳米铜分散剂占滤液总质量的1％，转移剂占滤液总质量的25％；所述pH值调节剂加入后反应釜内反应液的pH值为10。
5.根据权利要求1所述的用酸性蚀刻废液制备铜纳米线的工艺，其特征在于：所述第一段的反应温度为50℃，反应时间为4h，第二段的反应温度为120℃，反应时间为5小时。
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