CN1346722A - 制备金属纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备金属纤维的方法。该方法包括如下步骤:预处理预定大小的金属粉末,以便容易分离最终获得的金属纤维;按预定的拉伸比率利用压缩模塑法拉长预处理的金属粉末;分离金属纤维与拉长的金属材料。金属纤维在导电材料工业领域有许多用途,如用作导电涂料、粘合剂和塑料的填料、金属催化剂、电极材料、吸音板和过滤材料。

Description

制备金属纤维的方法

一般而言，本发明涉及一种制备金属纤维的方法，特别是，涉及一种通过机械变形和塑料变形，将金属粉末变成金属纤维的方法。该金属纤维适合用作导电涂料、粘合剂和塑料的填料，也适合用作金属催化剂和电极，但这两方面用途需要大的接触面积，以及吸音板和过滤材料。

目前广泛用于电磁波保护领域的导电涂料或塑料是由涂料或树脂和导电的填料的混合物组成，具有代表性的金属填料是金属粉末、金属片、金属纤维、和带有金属涂层的玻璃纤维。由于导电塑料或涂料的导电性取决于粘合物内填料本身之间的连接，而纤维型填料因有极好的连接性，所以越来越被普遍使用。

为了增加反应速率，当金属用作催化剂和电极时，必须有大的比表面积。而当金属以纤维相存在时，其比表面积最大。

金属纤维也适合用作特殊条件的纤维，尤其是高温条件下，难以利用合成纤维或天然的木浆纤维。

如金属纤维用作导电填料，直径必须尽可能的小，优选直径是50微米或更小。当金属纤维用作填料时，具有较小直径的金属纤维可在较低的摩擦力下，与树脂或涂料之类的粘合物混合。常用的加工金属线的方法如拔丝方法不能制备如此细的金属纤维。迄今，已开发出许多将金属制成细的、可用于上述目的纤维的方法。

在所有这些方法中，当制备用于导电填料的金属纤维时，拔束法、振动切割法、和内旋转水熔纺丝法是切实有效的。

利用拔束方法，可制备直径小至10微米的金属纤维。拔束方法的另一个优点是：通过以后的切割步骤可任意控制金属纤维的长度。但是，拔束方法的缺点是：金属丝成束、重复拉金属丝和在最终拉金属丝结束后分离金属丝的过程费用极大。

虽然振动切割法简单且可用于制备几乎所有的材料，但此方法不能制备直径小于50微米的金属纤维。使用由拔束法制备的仅占5重量％、直径是10微米的金属纤维，塑料就具有足够的导电性。但用振动切割方法制备的金属纤维，其含量必须至少是35重量％，才可制得导电性的塑料。

内旋转水熔纺丝法与上述两种方法相比其优点是成本低。但此方法的问题是喷出的熔融金属流的表面张力限制制备的金属纤维直径为30微米或更大。

如上所述，现有的制备金属纤维的技术很难解决纤维直径和生产成本的问题。

因此，本发明的一个目的是解决现有技术遇到的上述问题，并提供一种由具有塑性变形的多数金属包括银、铜、铝和铁以及稀有金属如钯和铂制备低生产成本的金属纤维方法。

本发明的另一个目的是提供一种制备金属纤维的方法。其中在塑性变形过程中，该方法可防止金属粒子彼此粘合，因此拉伸时，很容易将单根的金属纤维彼此分离。

根据本发明，由如下步骤组成的制备金属纤维的方法可实现上述目的。包括步骤：预处理预定大小的金属粉末，以便容易分离最终获得的金属纤维；按预定比率拉长预处理的金属粉末；分离金属纤维与被拉长的金属材料。

对导电塑料、催化剂、和电极来说，导电填料的长度是1,000-20,000微米，直径是10-20微米时，效果最佳；对导电涂料来说，导电填料长度是10-20微米，直径为约5微米时，效果最佳。

一般而言，当用喷雾法制备时，金属粉末直径是30-300微米。另一方面，采用化学方法可获得直径为1-10微米的金属粉末。本发明的发明者利用制备的金属粉末法的特性，因此使用金属挤压方法，通过此方法，按最大为几百的挤压率将金属粉末形成金属丝。意思是说，按合适的比率通过拉长方法如挤压方法，将金属粉末拉长到合适的尺寸，可制得适合用作导电塑料、催化剂和电极，直径为1-50微米，长度为10-500微米的金属纤维。

本发明制备的金属纤维不仅仅局限于特定的种类，换句话说，根据本发明，几乎所有的金属材料可用于制备金属纤维。如铂粉末、钯粉末、铝和铝合金粉末、银和银合金粉末、镍和镍合金粉末、铜和铜合金粉末、钛和钛合金粉末、钴和钴合金粉末、铁和铁合金粉末，涂有镍、银、铜、金或铂的金属粉末或它们的混合物都可用作本发明的金属纤维的原材料。不锈钢粉末也可用于制备金属纤维。

根据本发明，预处理步骤用以防止塑性变形中金属粒子彼此粘合，因此在拉长后，很容易将金属纤维彼此分离。关于预处理，有三条途径：(1)预氧化金属粒子的表面，(2)将多相金属涂敷于金属粒子的表面，和(3)将金属粉末与盐、氧化物和碳混合。下述的每一个预处理过程将给出详细的解释。

当采用预氧化法时，据所需要的长度和直径确定的挤压率挤压，在室温下压缩模塑表面被氧化的金属粉末。将被挤出的金属纤维浸在酸性溶液中，该酸性溶液不会蚀刻金属粉末的纤维相，但可选择性地剥离涂敷在金属粉末上的氧化层，因此可溶浸金属纤维间的残余氧化物，所以金属纤维可分离沉降。

如采用涂敷法，除了为利于金属粉末的涂层而选择蚀刻溶液外，采用与预氧化法相同的步骤。

金属粉末被挤出后，用可选择性地溶解于盐或氧化物的溶液处理已由混合步骤制备的金属粉末，从而分离金属纤维。当碳黑与金属粉末混合时，碳黑被氧化成一氧化碳和二氧化碳，因此容易分离金属纤维。本发明可用的盐的例子是氯化物如氯化钠、氯化钡和氯化钾；硫酸盐如硫酸钾和硫酸钠；磷酸盐如磷酸钾；和氟化物如氟化钠。

本发明的方法优于现有技术，因为通过调整挤压率和选择合适直径的金属粉末，可自由控制获得的金属纤维的直径和长度；而且通过简单挤压和分离容易生产制备金属纤维；所以解决了现有技术中形状限制和生产成本高等问题。

此处用的金属粉末这一术语是指集体金属或它的合金粉末，而且应理解为并没有限制金属粉末的制备方法。虽然此处描述的是通过挤压方法，但金属粉末的拉长过程也包括滚压方法。

根据下面的说明实施例可更好地理解本发明，而不是限制本发明。

实施例1

由表面氧化和挤压粉末制备铜纤维

1)用粒度分级器按其大小分离用高压喷雾设备制备的铜粉末。在800℃下氧化尺寸大小为30-300微米的铜粒子30分钟，以形成涂敷在粉末表面上的氧化铜(CuO，Cu₂O)。

2)在内径为50毫米的塑模中，压缩模塑表面被氧化的铜粉末，以形成外径为50毫米，长度为150毫米的棒形胶粒。

3)挤压胶粒，挤压率为200，以形成直径为5毫米的挤压金属材料。

4)将直径为5毫米的挤压金属浸在0.2M的硫酸溶液中，此金属被转换为直径为2-20微米，长度为6-50毫米的铜纤维。

实施例2

用化学淀积和挤压方法制备银纤维

1)用粒度分级器按其大小分离用高压喷雾设备制备的银粉末。用化学淀积方法将镍淀积在尺寸大小为30-300微米的银粒子上。温度为90℃下，在含有0.1M的硫酸镍(NiSO₄)、0.3M的亚磷酸钠(NaH₂PO₂)的淀积溶液及0.2M的乳酸中反应4小时。再重复进行化学淀积法以增加涂敷层的厚度。重复化学淀积法两次后，可获得涂敷层厚度约为8微米的镍。

2)在内径为50毫米的塑模中，压缩模塑表面涂有镍的银粉末，以形成外径为50毫米，长度为150毫米的棒形胶粒。

3)挤压胶粒，挤压率为200，以形成直径为5毫米的挤压金属材料。

4)当用作阳极时，在0.2M的硫酸镍溶液中电解挤压金属以沉积直径为2-30微米，长度为10-30毫米的银纤维。

实施例3

用熔融氯化钠制备银纤维

1)在940℃下，将氯化钠(纯度为88％或更高)熔融在内径为50毫米，高度为450毫米的石墨坩埚内。在5℃时，使坩埚倾斜以利于释放出其中的固化物质。将熔融的氯化钠加到两份重量的、平均直径是100微米的、500℃下预热的高压喷雾法制备的银粉末中，反应30分钟后，熔融体固化，以形成分散有氯化钠的银粉末棒。

2)按挤压率为200挤压银粉末棒，以形成直径为5毫米的挤压金属材料。

3)将挤压金属材料放于水中，以溶解氯化钠，分离直径为2-20微米、长度为6-50毫米的银纤维。

实施例4

由氯化钠和银粉末混合物制备银纤维

1)在球磨机中磨碎氯化钠(纯度为88％或更高)，以形成平均直径为30微米的粉末。

2)按氯化钠与银的重量比率为1∶2，将氯化钠粉末与由高压气体喷雾器制备的、平均直径为100微米的银粉末混合，然后在V-锥形的捏合机中捏合混合物。

3)在内径为50毫米的塑模中，压缩模塑氯化钠和银粉末的混合物，以形成外径为50毫米，长度为150毫米的棒形胶粒。

4)按挤压率为200挤压胶粒，以形成直径为5毫米的挤压金属材料。

5)将金属材料放于水中以溶解氯化钠，分离直径为15-20微米、长度为10-30毫米的银纤维。

实施例5

由碳黑与银粉末的混合物制备银纤维

1)按碳与银的重量比率为1∶4将碳黑与由高压气体喷雾器制备的平均直径为100微米的银粉末混合，然后在V-锥形的捏合机中捏合混合物，其中乙醇作为捏合增强剂，其含量为碳黑重量的一半。

2)在内径为50毫米的塑模中，压缩模塑碳黑和银粉末的混合物，以形成外径为50毫米，长度为150毫米的棒形胶粒。

3)按挤压率为200挤压胶粒，以形成直径为5毫米的挤压金属材料。

4)在550℃时，加热金属材料，以把碳氧化成可蒸发的一氧化碳或二氧化碳，留下直径为15-20微米、长度为10-30毫米的银纤维。

如上所述，与现有的制备金属纤维的方法相比，本发明的方法利用了金属粉末的塑性变形的优点，因而极大降低了生产成本。此外，通过本发明的方法，以前不能用作纤维材料的具有塑性形变能力的多数金属和贵金属如铂和钯以及银、铝、铜和铁可用于制备金属纤维。

本发明的方法的另一个优点是可自由控制金属纤维的长度和直径的比率。因此，根据本发明，在很多领域包括导电涂料，金属纤维取代了金属粉末，极大地改善了最终产品的导电性。

已用说明性的方式描述了本发明，但应理解的是所用的术语是用来描述本发明实质而不是限制本发明，因此根据上述的描述，可对本发明做许多修改和改变。所以，应理解的是在附属的权利要求范围内，除描述的特定范围外，在其它范围也可实施本发明。

Claims (9)

1.制备金属纤维的方法，包括以下步骤：

预处理预定大小的金属粉末，以便容易分离最终获得的金属纤维；

按预定的比率拉长预处理的金属粉末；和

分离金属纤维与被拉长的金属材料。

2.按照权利要求1的制备方法，其中拉长步骤是挤压或滚压过程。

3.按照权利要求1的制备方法，其中金属粉末选自铂粉末、钯粉末、铝和铝合金粉末、银和银合金粉末、镍和镍合金粉末、铜和铜合金粉末、钛和钛合金粉末、钴和钴合金粉末、铁和铁合金粉末，涂有镍、银、铜、金、或铂的金属粉末，上述粉末的混合物和不锈钢粉末。

4.按照权利要求1的制备方法，其中预处理步骤是氧化金属粉末的表面，以便在该表面上形成金属氧化物，分离步骤是用可选择性地溶浸金属氧化物的溶液处理拉伸的金属材料。

5.按照权利要求1的制备方法，其中预处理步骤是在金属粉末的表面涂有多相金属，分离步骤是用可选择性地溶浸金属涂层的溶液处理拉伸的金属材料。

6.按照权利要求1的制备方法，其中预处理步骤是混合金属粉末与盐、氧化物或碳黑。

7.按照权利要求6的制备方法，其中预处理步骤是按预定的重量比率将金属粉末加到熔融盐中，保持一段时间，固化熔融盐，以形成金属粉末分散在其内的固态盐。

8.按照权利要求6的制备方法，其中盐、氧化物或碳黑是粉末形式。

9.按照权利要求6的制备方法，盐选自包括氯化钠、氯化钡、氯化钾的氯化物，包括硫酸钾和硫酸钠的硫酸盐，碳酸盐为碳酸钾，磷酸盐为磷酸钾和氟化物为氟化钠。