CN113976903B - 一种连续化还原制备微米级片状银粉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续化还原制备微米级片状银粉的方法,具体如下:在银盐水溶液中加入稳定剂并调节溶液PH值为1‑3,搅拌均匀得到溶液A;将还原剂溶于与溶液A等体积的去离子水中得到还原溶液,加入分散剂搅拌均匀得到溶液B;溶液A和溶液B分别经平流泵A和平流泵B输送至微射流反应器,分别从两个微通道的出口喷出并汇集后进行充分的接触得到溶液C,落入位于下方的底液中,在搅拌作用下反应得到混合液,混合液经真空抽滤、滤饼洗涤以及低温干燥处理后,即得微米银颗粒。本发明在使用较少稳定剂、分散剂和还原剂的共同作用下,一步还原银盐溶液制得片状微米级银粉,反应快速连续,产品片状化程度高。
Description
技术领域
本发明属于金属粉末材料制备技术领域,具体涉及一种连续化一步还原制备微米级片状银粉的方法。
背景技术
由于银具有良好的导电导热性能,采用各种工艺加工而成的超细银粉,通常用于生产各种电子元器件产品中电子浆料的功能填料,其形态大致有球形(或类球形)、片状、树枝状及微晶状等。球形状粉体由于在导电层中的传导性依靠的是颗粒间的点接触,存在电阻较高和导电性差的缺点。片状银粉在形成导电涂层时,颗粒的比表面积相对较大,比表面能较低、稳定,颗粒之间会形成面接触或线接触,形成致密连接的线路,其制备的导电胶在较低银含量和较薄印刷涂层时,仍具有较高的电导率,广泛应用于触摸屏、碳膜电位器、LED芯片封装等领域。
片状银粉的制备方法主要分为化学合成法和物理球磨法,物理球磨法首先采用化学还原得到的球形或树枝状银粉,经过长时间的机械研磨,使之形成不规则的片状银粉。从公开发表的论文与专利来看,片状银粉制备方法主要以机械球磨法为主。
专利CN201510758839.6中,公开了一种片状化较高且银粉粒径分布窄的片状银粉制备方法,选择球形银粉作为前驱体,然后控制条件进行高速球磨得到片状银粉。
专利CN101279369 A公开了一种将粒径D50为1-3μm的球形原料银粉,采用研磨机研磨成片状银粉,然后采用超声分散、气流分散后处理提高其分散性,制得高分散性片状银粉。
专利CN104959625 A介绍了一种先用抗坏血酸还原硝酸银制得球形银粉,再将银粉和球磨溶剂、表面活性剂、锆球等置于球磨罐中球磨得到高振实密度和比表面积的片状银粉。物理球磨法工艺成熟,但存在工艺时间长、能耗较高,且银粉易受研磨过程中的球磨助剂污染,制备重复性较差和银粉易发生冷焊的缺点。
化学合成法是利用银盐直接化学还原合成片状银颗粒,不需要预先合成前驱体银粉及机械球磨等工序,工艺流程简单,能耗较低。梁焕珍等在乙二醇(或乙醇)介质中以硝酸银为前驱物,过氧化氢为还原剂,PVP为保护分散剂,控制合成分散的球状单颗粒和厚度小于100nm、最大面长度 200-500 nm 的六方片状银粉(六方片状银粉的合成,粉末冶金技术,2003, 21(4): 218-223)。
专利CN103831444 A公开了一种以硝酸银和硝酸钯为添加剂,将二乙二醇为溶剂的银氨前驱体溶液滴加到含过氧化氢还原液中,持续反应得到高结晶片状银粉。
专利CN106583751 A公开了一种扁平化银粉的制备方法,采用高分子定向诱导剂,通过化学还原法控制反应体系温度40-80℃和pH,将硝酸银体系加入到还原体系中,从溶液中还原出粒径1-10微米的扁平化银粉。
专利CN 102756131 A公开了一种微米级片状银粉的制备方法,其分别配置AgNO3溶液、抗坏血酸溶液和含硫酸根诱导剂溶液,在10-60℃条件下,先后将诱导剂溶液和抗坏血酸溶液混入硝酸银溶液中反应得到片状银粉。
专利CN106694904 A公开了一种高分散大径厚比微米级片状银粉的制备方法,分别配置硝酸银溶液A、抗坏血酸还原溶液B和分散剂溶液C,先混合溶液C和溶液A得到溶液D,再将溶液B加入溶液D中反应20min后得到片状银粉。
专利CN110153441 A公开了一种化学还原制备片状银粉的方法,采用蠕动泵将硝酸银溶液缓慢加入含分散剂的双氧水和VC还原溶液中,反应得到片径2-4微米的片状银粉。
以上公开的化学合成法相关文献和专利,采用液相还原法并控制不同的反应条件,可直接还原得到片状银粉,通常采用加入络合剂、诱导剂等控制混合及反应速率,以控制银粉形貌,过多的络合剂、诱导剂将可能增加银粉表面的包覆剂残留,或者为了控制温和的反应条件,大多采用溶液滴加或按一定方式先后混合反应溶液的方式,难以有效混合反应溶液,影响银粉形貌和粒径的均匀性,或者工艺操作时间过长,影响银粉产品的连续化生产。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足,本发明提供一种微射流反应技术一步还原制备片状银粉的方法。
本发明通过以下技术方案实现,一种连续化还原制备微米级片状银粉的方法,由以下步骤来实现:
1)在银盐水溶液中加入稳定剂调节溶液PH值为1-3,搅拌均匀得到溶液A;
2)将还原剂溶于与溶液A等体积的去离子水中得到还原溶液,加入分散剂搅拌均匀得到溶液B;
3)所述溶液A和溶液B分别经平流泵A和平流泵B输送至微射流反应器,分别从两个微通道的出口喷出汇集后进行充分的接触得到溶液C,落入位于下方的底液中,在搅拌作用下反应得到混合液;
4)所述混合液经真空抽滤、滤饼洗涤以及低温干燥处理后,即得微米银颗粒。
本发明结合液相还原合成方法以及微流体技术在控制合成微纳米银颗粒中的应用,采用微射流反应器使反应液体在反应器外部某一点实现均匀混合并进行微还原反应,一方面有效避免了微通道内沉淀物堵塞的问题,另一方面可实现连续快速直接还原制备片状微米银粉,该银粉片状化程度高、分散性好、形貌粒径可控,该方法不需要制备前驱体及机械球磨过程,工艺流程简单,能耗较低,便于扩大工业化应用。
本发明的有益效果是:
(1)本发明在使用较少稳定剂、分散剂和还原剂的共同作用下,一步还原银盐溶液制得片状微米级银粉,反应快速连续,产品片状化程度高,相较目前传统化学还原-机械球磨制备片状银粉的方法,其工艺流程简单,避免了球磨工序带来的助剂残留;
(2)本发明采用的银盐、还原剂、稳定剂和分散剂都是市场上可方便购买的试剂,无需添加复杂的络合剂、诱导剂等,还原产品更为纯净,且反应在常温溶液下即可完成,节约能耗;
(3)本发明采用微射流反应使传统的液相还原法精细化、连续化,和传统反应釜式反应器相比,能更精确的控制反应物配比,更好的控制两相液体均匀混合,得到的微米级片状银颗粒具有形貌可控、粒径分布均匀、颗粒分散性好等特点;
(4)本发明采用的微射流反应器,通过控制反应液体在反应器外部某一点实现均匀混合并进行微还原反应,从而有效避免了微通道内沉淀物堵塞的问题,可实现连续快速直接还原制备片状微米银粉,反应条件温和、工艺流程简单连续、结果重复稳定,有利于实施工业化生产。
附图说明
图1为本发明微射流反应器工作示意图,其中,1—溶液A进口,2—溶液B进口,3—微通道I,4—微通道II,5—溶液A出口,6—溶液B出口,7—微混合点;
图2为实施例1制备的片状微米银粉SEM 图;
图3为对比例1制备的片状微米银粉SEM 图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明作进一步说明。
本发明中各化学试剂均为分析纯试剂。
本发明一种连续化还原制备微米级片状银粉的方法,由以下步骤来实现:
1)在银盐水溶液中加入稳定剂调节溶液PH值为1-3,搅拌均匀得到溶液A;
2)将还原剂溶于与溶液A等体积的去离子水中得到还原溶液,加入分散剂搅拌均匀得到溶液B;
3)所述溶液A和溶液B分别经平流泵A和平流泵B输送至微射流反应器,分别从两个微通道的出口喷出汇集后进行充分的接触得到溶液C,落入位于下方的底液中,在搅拌作用下反应得到混合液;
4)所述混合液经真空抽滤、滤饼洗涤以及低温干燥处理后,即得微米银颗粒。
所述步骤1中,所述银盐为硝酸银。
所述步骤1中,所述银盐溶液的浓度为0.1-1.0mol/L。
作为优选,所述银盐溶液的浓度为0.1-0.5mol/L /L。
所述步骤1中,所述稳定剂为硝酸、硫酸或甲酸中的一种或几种。
所述步骤2中,所述还原剂为抗坏血酸、D-抗坏血酸中的任意一种,所述还原剂与银盐的摩尔比为0.5-1:1。
所述步骤2中,所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、月桂酸或硬脂酸中的任意一种或两种。
所述银盐、还原剂、分散剂的质量比为1:0.001-0.05。
所述步骤3中,所述微射流反应器的微通道Ⅰ3和微通道Ⅱ4尺寸为φ0.1-2mm,微通道Ⅰ3和微通道Ⅱ4出口间的距离为5-50mm,两个微通道出口喷射出流体夹角为10-90°,平流泵泵出溶液流速为50-200ml/min。
所述微射流反应器采用3D打印有机树脂制备,具有耐高温、耐酸碱腐蚀的特点。
所述步骤3中,所述底液液面距离溶液A与溶液B的汇集点至少200mm,底液为温度20-40℃的纯水,体积为200-2000ml,搅拌速度为100-500r/min。
所述步骤4中,采用600目的尼龙滤布进行真空抽滤,滤饼洗涤采用电导率低于2的去离子水清洗4次、乙醇清洗1次,所用乙醇为分析纯,滤饼干燥采用热风循环干燥箱在60℃干燥6-10h。
实施例1:
避光条件下将 17g AgNO3 溶于1000ml去离子水中,配制成摩尔浓度为0.1mol/L的溶液,加入硫酸1g,调节溶液 PH 为2,利用磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液A,保持在温度25℃水浴锅中备用;将8.8g抗坏血酸溶于1000mL去离子水中,配成质量浓度0.05mol/L的溶液,加入0.017g月桂酸作为表面分散剂,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液B,保持在温度25℃水浴锅中备用;在容量为3000ml的干净烧杯中加入200ml去离子水做为底液,保持在温度25℃水浴锅中备用;将溶液A和溶液B以50mL/min的流量分别通过平流泵A、平流泵B注入如图1所示微射流反应器的微通道Ⅰ3和微通道Ⅱ4,微通道内径为0.5mm,溶液A和B从微射流反应器的微通道出口喷出后,以90°夹角汇聚于C点,在C点实现溶液A和溶液B的快速混合。混合后的溶液形成一股合流液体,以距液面200mm高度落入装有去离子水的烧杯内,过程中烧杯内溶液利用磁力搅拌装置以200r/min持续搅拌,平流泵停止泵出A、B溶液后继续搅拌2min反应完成;将烧杯内含银颗粒溶液采用600目的尼龙滤布进行真空抽滤,去离子水洗涤4次,乙醇洗涤1次,采用热风循环干燥箱60℃干燥8h,即得到灰白色片状银粉,粉体的SEM见图2,所制备的片状银粉平均粒径3.5微米,形貌和粒径均匀,且颗粒间分散性较好。
实施例2:
避光条件下将 17g AgNO3 溶于1000ml去离子水中,配制成摩尔浓度为0.1mol/L的溶液,加入硫酸0.5g、甲酸0.5g,调节溶液 PH 为2,利用磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液A,保持在温度25℃水浴锅中备用;将8.8g D-抗坏血酸溶于1000mL去离子水中,配成质量浓度0.05mol/L的溶液,加入0.017g硬脂酸作为表面分散剂,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液B,保持在温度25℃水浴锅中备用;在容量为3000ml的干净烧杯中加入200ml去离子水做为底液,保持在温度25℃水浴锅中备用;将溶液A和溶液B以100mL/min的流量分别通过平流泵A、平流泵B注入如图1所示微射流反应器的微通道Ⅰ3和微通道Ⅱ4,微通道内径为0.5mm,溶液A和B从微射流反应器的微通道出口喷出后,以90°夹角汇聚于C点,在C点实现溶液A和溶液B的快速混合。混合后的溶液形成一股合流液体,以距液面200mm高度落入装有去离子水的烧杯内,过程中烧杯内溶液利用磁力搅拌装置以200r/min持续搅拌,平流泵停止泵出A、B溶液后继续搅拌2min反应完成;将烧杯内含银颗粒溶液采用600目的尼龙滤布进行真空抽滤,去离子水洗涤4次,乙醇洗涤1次,采用热风循环干燥箱60℃干燥8h,即得到灰白色片状银粉,粉体的SEM见图2,所制备的片状银粉平均粒径4.0微米,形貌和粒径均匀,且颗粒间分散性较好。
实施例3:
避光条件下将 88g AgNO3 溶于1000mL去离子水中,配制质量浓度0.5mol/L的溶液,通过加入硫酸1g和硝酸1g,调节溶液 PH 为1,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液A,保持在温度30℃水浴锅中备用;将66g抗坏血酸溶于1000mL去离子水中,配成质量浓度0.375mol/L的溶液,加入0.44g聚乙烯吡咯烷酮和0.44g月桂酸作为表面分散剂,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液B,保持在温度30℃水浴锅中备用;在容量为3000ml的干净烧杯中加入400ml去离子水做为底液,保持在温度30℃水浴锅中备用;将溶液A和溶液B,均以100mL/min的流量通过平流泵注入如图1所示微射流反应器的微通道Ⅰ3和微通道Ⅱ4,微通道内径为1mm,溶液A和B从微射流反应器的微通道出口喷出后,以60°夹角汇聚于C点,在C点实现反应溶液A和溶液B的快速混合。混合后的溶液形成一股合流液体,以300mm高处落入装有去离子水为底液的烧杯内,过程中烧杯内溶液利用磁力搅拌装置以400r/min持续搅拌,平流泵停止泵出A、B溶液后继续搅拌4min反应完成;将烧杯内含银颗粒溶液采用600目的尼龙滤布进行真空抽滤,去离子水洗涤4次,乙醇洗涤1次,采用热风循环干燥箱60℃干燥10h,即得到灰白色片状银粉,银粉平均粒径5.3微米,形貌和粒径均匀,且颗粒间分散性较好。
实施例4:
避光条件下将 88g AgNO3 溶于1000mL去离子水中,配制质量浓度0.5mol/L的溶液,通过加入硫酸0.8g和硝酸0.8g,调节溶液 PH 为1.5,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液A,保持在温度30℃水浴锅中备用;将66g D-抗坏血酸溶于1000mL去离子水中,配成质量浓度0.375mol/L的溶液,加入0.44g硬脂酸和0.44g月桂酸作为表面分散剂,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液B,保持在温度30℃水浴锅中备用;在容量为3000ml的干净烧杯中加入400ml去离子水做为底液,保持在温度30℃水浴锅中备用;将溶液A和溶液B,均以150mL/min的流量通过平流泵注入如图1所示微射流反应器的微通道Ⅰ3和微通道Ⅱ4,微通道内径为1mm,溶液A和B从微射流反应器的微通道出口喷出后,以60°夹角汇聚于C点,在C点实现反应溶液A和溶液B的快速混合。混合后的溶液形成一股合流液体,以300mm高处落入装有去离子水为底液的烧杯内,过程中烧杯内溶液利用磁力搅拌装置以400r/min持续搅拌,平流泵停止泵出A、B溶液后继续搅拌4min反应完成;将烧杯内含银颗粒溶液采用600目的尼龙滤布进行真空抽滤,去离子水洗涤4次,乙醇洗涤1次,采用热风循环干燥箱60℃干燥10h,即得到灰白色片状银粉,银粉平均粒径4.6微米,形貌和粒径均匀,且颗粒间分散性较好。
实施例5:
避光条件下将170g AgNO3 溶于1000mL去离子水中,配制质量浓度1mol/L的溶液,通过加入硫酸0.5g、和甲酸0.5g,调节溶液 PH 为3,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液A,保持在温度40℃水浴锅中备用;将176g抗坏血酸溶于1000mL去离子水中,配成质量浓度1mol/L的溶液,加入4g月桂酸、4.5g硬脂酸作为表面分散剂,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液B,保持在温度40℃水浴锅中备用;在容量为3000ml的干净烧杯中加入2000ml去离子水做为底液,保持在温度40℃水浴锅中备用;将溶液A和溶液B,均以150mL/min的流量通过平流泵注入如图1所示微射流反应器的微通道Ⅰ3和微通道Ⅱ4,微通道内径为1mm,溶液A和B从微射流反应器的微通道出口喷出后,以30°夹角汇聚于C点,在C点实现反应溶液A和溶液B的快速混合。混合后的溶液形成一股合流液体,以250mm高处落入装有去离子水为底液的烧杯内,过程中烧杯内溶液利用磁力搅拌装置以500r/min持续搅拌,平流泵停止泵出A、B溶液后继续搅拌3min反应完成;将烧杯内含银颗粒溶液采用600目的尼龙滤布进行真空抽滤,去离子水洗涤4次,乙醇洗涤1次,采用热风循环干燥箱60℃干燥10h,即得到灰白色片状银粉,银粉平均粒径5.5微米,形貌和粒径均匀,且颗粒间分散性较好。
实施例6:
避光条件下将170g AgNO3 溶于1000mL去离子水中,配制质量浓度1mol/L的溶液,通过加入硫酸0.3g、和甲酸0.3g,调节溶液 PH 为3,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液A,保持在温度40℃水浴锅中备用;将176g D-抗坏血酸溶于1000mL去离子水中,配成质量浓度1mol/L的溶液,加入4g聚乙烯吡咯烷酮、4.5g硬脂酸作为表面分散剂,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液B,保持在温度40℃水浴锅中备用;在容量为3000ml的干净烧杯中加入1000ml去离子水做为底液,保持在温度40℃水浴锅中备用;将溶液A和溶液B,均以200mL/min的流量通过平流泵注入如图1所示微射流反应器的微通道Ⅰ3和微通道Ⅱ4,微通道内径为1mm,溶液A和B从微射流反应器的微通道出口喷出后,以30°夹角汇聚于C点,在C点实现反应溶液A和溶液B的快速混合。混合后的溶液形成一股合流液体,以250mm高处落入装有去离子水为底液的烧杯内,过程中烧杯内溶液利用磁力搅拌装置以500r/min持续搅拌,平流泵停止泵出A、B溶液后继续搅拌3min反应完成;将烧杯内含银颗粒溶液采用600目的尼龙滤布进行真空抽滤,去离子水洗涤4次,乙醇洗涤1次,采用热风循环干燥箱60℃干燥10h,即得到灰白色片状银粉,银粉平均粒径5.8微米,形貌和粒径均匀,且颗粒间分散性较好。
实施例:7
避光条件下将170g AgNO3 溶于1000mL去离子水中,配制质量浓度1mol/L的溶液,通过加入硫酸2g,调节溶液 PH 为2,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液A,保持在温度40℃水浴锅中备用;将176g抗坏血酸溶于1000mL去离子水中,配成质量浓度1mol/L的溶液,加入8.5g月桂酸作为表面分散剂,磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液B,保持在温度40℃水浴锅中备用;在容量为3000ml的干净烧杯中加入2000ml去离子水做为底液,保持在温度40℃水浴锅中备用;将溶液A和溶液B,均以200mL/min的流量通过平流泵注入如图1所示微射流反应器的微通道Ⅰ3和微通道Ⅱ4,微通道内径为1mm,溶液A和B从微射流反应器的微通道出口喷出后,以60°夹角汇聚于C点,在C点实现反应溶液A和溶液B的快速混合。混合后的溶液形成一股合流液体,以300mm高处落入装有去离子水为底液的烧杯内,过程中烧杯内溶液利用磁力搅拌装置以500r/min持续搅拌,平流泵停止泵出A、B溶液后继续搅拌3min反应完成;将烧杯内含银颗粒溶液采用600目的尼龙滤布进行真空抽滤,去离子水洗涤4次,乙醇洗涤1次,采用热风循环干燥箱60℃干燥10h,即得到灰白色片状银粉,银粉平均粒径5.2微米,形貌和粒径均匀,且颗粒间分散性较好。
对比例1 :
避光条件下将 17g 硝酸银溶于1000ml去离子水中,配制质量浓度0.1mol/L的溶液,通过加入硫酸1g,调节溶液 PH 为2,利用磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液A,保持在温度25℃水浴锅中备用;将8.8g抗坏血酸溶于1000mL去离子水中,配成质量浓度0.05mol/L的溶液,加入0.017g月桂酸作为表面分散剂,利用磁力搅拌10分钟,得到充分溶解均匀的溶液B,保持在温度25℃水浴锅中备用;在容量为3000ml的干净烧杯中加入200ml去离子水,保持在温度25℃水浴锅中备用;将步骤2所得溶液B,在1min时间内匀速添加到步骤1所得溶液A中,溶液A和溶液B在装有纯水为底液的烧杯内混合及反应,利用磁力搅拌装置以200r/min持续搅拌反应1min;将烧杯内含银颗粒溶液采用600目的尼龙滤布进行真空抽滤,去离子水洗涤3次,乙醇洗涤1次,采用热风循环干燥箱60℃干燥8h,即得到灰白色片状银粉,粉体的SEM见图3,所制备的银粉形貌为片状,但粒径分布较宽,银粉颗粒间有团聚现象。
对比实施例1和对比例1可知,本发明方法制备的片状银粉显著优于传统方法。
Claims (2)
1.一种连续化还原制备微米级片状银粉的方法,其特征在于,由以下步骤实现:
1)在浓度为0.1-1.0mol/L的银盐水溶液中加入稳定剂调节溶液pH值为1-3,稳定剂为硝酸、硫酸或甲酸中的一种或几种,搅拌均匀得到溶液A;所述银盐水溶液为硝酸银水溶液;
2)将还原剂溶于与溶液A等体积的去离子水中得到还原溶液,加入分散剂搅拌均匀得到溶液B;还原剂为抗坏血酸、D-抗坏血酸的任意一种,分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、月桂酸或硬脂酸中的任意一种或两种,还原剂与银盐的摩尔比为0.5-1:1,银盐、分散剂的质量比为1:0.001-0.05;
3)所述溶液A和溶液B分别经平流泵A和平流泵B输送至微射流反应器,分别从两个微通道的出口喷出并汇集后进行充分的接触得到溶液C,落入位于下方的底液中,底液液面距离溶液A与溶液B的汇集点至少200mm;底液为200-2000mL、20-40℃的纯水,在100-500r/min速度下搅拌反应得到混合液;微射流反应器的微通道尺寸为φ0.1-2mm,两个微通道出口间的距离为5-50mm,两个微通道出口喷射出流体夹角为10-90°,平流泵A与平流泵B的泵出流速为50-200mL/min,溶液A与溶液B的流速相同;
4)所述混合液经真空抽滤、滤饼洗涤以及低温干燥处理后,即得微米银颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤4)中滤饼洗涤采用电导率低于2的去离子水清洗3-4次、乙醇清洗1-2次,滤饼干燥采用热风循环干燥箱在40-60℃干燥6-10h。
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