JP2013543061A - 銀粉末製造用反応器および連続製造法 - Google Patents

銀粉末製造用反応器および連続製造法 Download PDF

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Abstract

銀粒子を含む銀粉末を製造する連続法をここに開示する。各粉末は、プロセス条件と、プロセスにおける1種以上の粒子改質剤の使用によって決定される特定のモルフォロジーを有する銀粒子を含む。本方法を実施するための反応器もまた開示する。製造される銀粉末は電子技術分野の用途に特に有用である。

Description

本発明は、特定のモルフォロジーの銀粒子を含む銀粉末の連続製造法、およびそのような方法を実施するための反応器に関する。製造された銀粉末は電子技術分野の用途に特に有用である。
銀粉末は、電子工業で導電体厚膜ペーストの製造に使用する。厚膜ペーストは、導電性回路パターンを形成する基板上にスクリーン印刷される。その後、これらの回路は乾燥され、液体有機ビヒクルの揮発および銀粒子の焼結を行うために焼成する。
プリント回路技術においては、より高密度でより精密な電子回路が要求されている。この要求に応えるため、導電線の幅はより狭くなり、線間距離はより短くなってきている。高密度のびっしり詰まった細線を形成するために必要な銀粉末粒子は、単一粒径の、密に充填できる球体に可能な限り近いものでなければならない。
金属粉末を製造するために現在使用されている多くの方法は、銀粉末の製造に適用することができる。例えば、熱分解法、電気化学的方法、微粒化または粉砕などの物理的方法、および化学的還元方法を使用することができる。熱分解法では、スポンジ様の、凝集した、非常に多孔質の粉末が製造される傾向にあり、他方、電気化学的方法では、結晶様の形態の非常に大きい粉末が製造される。物理的方法は、一般にフレーク状の材料または非常に大きい球状粒子を作るのに使用される。化学沈殿法では、大きさおよび形状に幅がある銀粉末が製造される。
電子技術分野の用途に使用する銀粉末は、一般に、化学沈殿法により製造される。銀粉末は、可溶性銀塩の水溶液と適切な還元剤とを、銀粉末が沈殿し得るような条件下で反応させる化学的還元により製造される。
銀粒子を効率的に製造する連続法と、その方法を実施する反応器に対するニーズが存在する。
本発明は、銀粒子を含む銀粉末の連続調製法であって、銀粒子が、プロセス条件と、プロセスにおける1種以上の粒子改質剤の使用によって決定される特定のモルフォロジーを有する連続法を提供する。
一実施形態では、銀粉末の連続調製法は、
(a)脱イオン水に溶解した水溶性銀塩を含む酸性銀塩水溶液を調製する工程と、
(b)i.脱イオン水に溶解した、アスコルビン酸、アスコルビン酸塩およびこれらの混合物からなる群から選択される還元剤;
ii.硝酸;および
iii.1種以上の粒子改質剤;
を含む酸性還元溶液を調製する工程と、
(c)酸性銀塩水溶液と酸性還元溶液を同一温度Tに維持する工程であって、Tが10℃から90℃の範囲にある工程と、
(d)i.直径がdで、温度コントロール手段を有し、かつ2つの入口を含む混合室;および
ii.直径がDで、温度コントロール手段を有する反応室
を含むフロー反応器であって、D>dであり、前記フロー反応器は前記フロー反応器の長さ方向に沿う軸を有し、その軸は鉛直で、流れ方向が軸に沿うフロー反応器を提供する工程と、
(e)酸性銀塩水溶液を混合室の一方の入口へ連続的に供給し、酸性還元溶液を混合室の他方の入口へ連続的に供給して、混合室内で反応混合物を生成させ、混合室内の反応混合物を(c)の温度Tに維持する工程であって、混合室内の反応混合物の滞留時間は5分以下であり、滞留時間が経過すると反応混合物が混合室から流出して反応室に流入する工程と、
(f)反応室内の反応混合物を温度Tに維持する工程であって、Tが10℃〜90℃の範囲にあり、反応室内の反応混合物の滞留時間が1〜20分であって、最終水溶液中に銀粉末粒子を生成させる工程と、
(g)反応室滞留時間が経過して最終水溶液が反応室から流出するとき、最終水溶液中の銀粉末粒子を回収する工程と
を含む。
他の一実施形態では、連続法は、
(h)銀粉末粒子を最終水溶液から分離する工程と、
(i)脱イオン水またはアルコールで銀粉末粒子を洗浄する工程と、
(j)銀粉末粒子を乾燥させる工程と
をさらに含む。
本発明はまた、連続法を実施するためのフロー反応器を提供する。フロー反応器は、反応器の長さ方向に沿う軸を有し、この軸は鉛直であり、流れ方向は軸に沿うものであって、反応器は、
(a)長さがl、内径がdで、上端と下端を有する、円筒形シェル形状の第1ゾーンであって、dは0.25〜6インチ(0.6〜15cm)の範囲にあり、第1ゾーンが反応器の上端に位置し、反応器の軸に沿って第1の反応溶液を第1ゾーンへ注入することが可能になるように、第1ゾーンの上端に直径dの第1の入口を提供し、そして軸に対して30°〜90°の角度で第2の反応溶液を第1ゾーンへ注入することが可能になるように、軸に対してその角度に配置された内径aの第2の入口を提供する混合ティーを含み、第1ゾーンが温度コントロールの手段を有し、かつa/d比が0.1〜1の範囲にある、第1ゾーンと;
(b)先端を切り取った円錐シェル形状で、上端と下端を有する第2ゾーンであって、前記第2ゾーンが移行ゾーンとして機能し、第1ゾーン下端に接続している、上端の内径がdで、前記第2ゾーンの下端の内径がDである第2ゾーンと;
(c)長さL、内径Dで、上端および下端と、温度コントロール手段を有する円筒形シェル形状の第3ゾーンであって、前記第3ゾーンの上端は第2ゾーンの下端に接続され、D/d比は1.2〜6の範囲にあり、l/L比は0.05〜0.5の範囲にあり、Lは2〜30フィート(0.6〜9m)の範囲にある第3ゾーンと;
(d)先端を切り取った円錐シェル形状で、上端の内径がD、下端の内径がD未満である上端と下端を有し、かつ流量をコントロールし、反応器を加圧状態に維持するバルブを有する第4ゾーンであって、前記第4ゾーンの上端が第3ゾーンの下端に接続されている第4ゾーンと
を順に含む。
さらに他の一実施形態では、銀粉末の連続調製法は、
(a)脱イオン水に溶解した水溶性銀塩を含む酸性銀塩水溶液を調製する工程と、
(b)i.脱イオン水に溶解した、アスコルビン酸、アスコルビン酸塩およびこれらの混合物からなる群から選択される還元剤;
ii.硝酸;および
iii.1種以上の粒子改質剤;
を含む酸性還元溶液を調製する工程と、
(c)酸性銀塩水溶液と酸性還元溶液とを同一温度Tに維持する工程であって、Tが10℃から90℃の範囲にある工程と、
(d)フロー反応器を提供する工程であって、反応器は反応器の長さ方向に沿う軸を有し、その軸は鉛直であり、前記反応器は、
i.長さがl、内径がdで上端と下端を有する、円筒形シェル形状の第1ゾーンであって、dは0.25〜6インチ(0.6〜15cm)の範囲にあり、第1ゾーンが反応器の上端に位置し、反応器の軸に沿って第1の反応溶液を第1ゾーンへ注入することが可能になるように、第1ゾーンの上端に直径dの第1の入口を提供し、そして軸に対して30°〜90°の角度で第2の反応溶液を第1ゾーンへ注入することが可能になるように、軸に対してその角度に配置された内径aの第2の入口を提供する混合ティーを含み、第1ゾーンが温度コントロールの手段を有し、かつa/d比が0.1〜1の範囲にある第1ゾーンと;
ii.先端を切り取った円錐シェル形状で、上端と下端を有する第2ゾーンであって、第2ゾーンが移行ゾーンとして機能し、第1ゾーン下端に接続しているその上端の内径がdで、その下端の内径がDである第2ゾーンと;
iii.長さL、内径Dで、上端および下端と、温度コントロール手段を有する円筒形シェル形状の第3ゾーンであって、第3ゾーンの上端は第2ゾーンの下端に接続され、D/d比は1.2〜6の範囲にあり、l/L比は0.05〜0.5の範囲にあり、Lは2〜30フィート(0.6〜9m)の範囲にある第3ゾーンと;
iv.先端を切り取った円錐シェル形状で、上端の内径がD、下端の内径がD未満である上端と下端を有し、かつ流量をコントロールし、反応器を加圧状態に維持するバルブを有する第4ゾーンであって、前記第4ゾーンの前記上端が前記第3ゾーンの前記下端に接続されている第4ゾーンと
を順に含む工程と、
(e)酸性銀塩水溶液をフロー反応器の第1ゾーンの一方の入口へ連続的に供給し、酸性還元溶液をフロー反応器の第1ゾーンの他方の入口へ連続的に供給して、第1ゾーンで反応混合物を生成させ、第1ゾーンの反応混合物を(c)の温度Tに維持する工程であって、反応混合物は、フロー反応器の第1ゾーンを通って第2ゾーンへ流入し、第1ゾーンおよび第2ゾーン内の反応混合物の滞留時間は5分以下であり、滞留時間が経過すると反応混合物が第2ゾーンから流出してフロー反応器の第3ゾーンに流入する工程と、
(f)反応混合物が第3ゾーンを通って流れるとき、第3ゾーン内の反応混合物を温度Tに維持する工程であって、Tが10℃〜90℃の範囲にあり、フロー反応器の第3ゾーン内の反応混合物の滞留時間が1〜20分であって、第3ゾーン滞留時間が経過すると、フロー反応器の第4ゾーンに流入する最終水溶液中に銀粉末粒子を生成させる工程と、
(g)最終水溶液がフロー反応器の第4ゾーンから流出するとき、最終水溶液中の銀粉末粒子を回収する工程と
を含む。
上記連続法の他の一実施形態では、方法は、
(h)銀粉末粒子を最終水溶液から分離する工程と、
(i)脱イオン水またはアルコールで銀粉末粒子を洗浄する工程と、
(j)銀粉末粒子を乾燥させる工程と
をさらに含む。
図1は、銀粉末の連続調製法の一実施形態の工程を示すフローチャートである。 図2は、銀粉末に連続調製法の実施に使用される反応器の一実施形態を示す図である。 図3は、実施例1で作られた、大略球状で滑らかな表面を有する銀粒子を含む銀粉末の、3,000倍の走査型電子顕微鏡像である。 図4は、実施例3で作られた、開放構造の球状銀粒子を含む銀粉末の、5,000倍の走査型電子顕微鏡像である。 図5は、実施例4で作られた、開放構造の球状銀粒子であって、表面がオレンジの皮に似ている銀粒子を含む銀粉末の、10,000倍の走査型電子顕微鏡像である。 図6は、実施例5で作られた、開放構造の球状銀粒子を含む銀粉末の10,000倍の走査型電子顕微鏡像である。
本発明は、銀粉末を効率的に製造する連続法、およびその方法を実施するための反応器を提供する。本方法を実施するために、本反応器を使用すれることにより、プロセス条件と、プロセスにおける1種以上の粒子改質剤の使用により決定される、特定のモルフォロジーを有する銀粒子を含む粉末が得られる。これらの銀粒子は均一性が高く、分散性も高い。
この粉末を生成する連続法を、図1のフローチャートに示す。この連続法は、水溶性銀塩の酸性水溶液と、還元剤、硝酸および1種以上の粒子改質剤を含む酸性還元水溶液とを一緒に加えることによって、制御された構造を有する銀粒子を沈殿させる還元法である。
水溶性銀塩を脱イオン水に加えることにより、酸性銀塩水溶液を調製する40。任意の水溶性銀塩、例えば、硝酸銀、リン酸銀および硫酸銀を使用することができる。硝酸銀が好ましい。還元と製造される粒子のタイプに影響する副反応を引き起こす可能性がある錯化剤は使用しない。酸度を高めるために硝酸を加えることができる。
このプロセスは、最終銀塩水溶液1リットル当たり銀1.4モル以下の濃度で実施することができる。このプロセスは、最終銀塩水溶液1リットル当たり銀0.47モル以下の濃度で実施することが好ましい。これらの比較的高濃度の銀によって、製造プロセスの費用効果が高くなる。
酸性還元溶液も水溶液であり、まず、還元剤を脱イオン水に溶解することにより調製する41。このプロセスに適した還元剤は、L−アスコルビン酸およびD−アスコルビン酸などのアスコルビン酸、ならびにアスコルビン酸ナトリウムなどの関連するアスコルビン酸塩である。アスコルビン酸が好ましい。その後、硝酸および粒子改質剤を混合物に加える。粒子改質剤は、銀粒子の構造および/または粒径を制御する機能を有する。粒子改質剤は、銀粒子のモルフォロジーを制御する表面モルフォロジー調節剤か、もしくは粒径調節剤か、またはその両方である。粒子改質剤は、特定のモルフォロジーおよび粒径を得るために選択されるが、これについては本プロセスで製造される各種モルフォロジーと関連して詳細に述べることとする。いくつかの実施形態では、粒子改質剤は酸性銀塩水溶液に加えられる。
典型的には、本プロセスは、還元が完了した後の溶液のpH、すなわち最終水溶液のpHが6以下、最も好ましくは2以下となるように実施される。このpHは、十分な硝酸を還元溶液、および任意選択により酸性銀水溶液に、これら2つの溶液が混合され、そして銀粒子が生成される前に添加することにより調節される。酸性還元溶液のpHは1〜5、好ましくは2〜4の範囲である。酸性還元溶液のこのpHは、水酸化ナトリウムを加えることによって調節することができる。
さらに、ステアリン酸アンモニウム、ステアリン酸塩、分子量が200〜8000の範囲のポリエチレングリコール、およびこれらの混合物からなる群から選択される分散剤を酸性還元溶液に加えることができる。
酸性銀塩水溶液と酸性還元溶液を調製する順序は重要でない。酸性銀塩水溶液を酸性溶液の前、後、または同時に調製することができる。酸性銀塩水溶液と酸性還元溶液は共に同じ温度Tに維持する42、43。Tは10℃〜90℃の範囲である。
(1)2つの入口を有する直径dの混合室、および(2)直径がD(但し、D>dである)で、温度コントロール手段を有する反応室を含むフロー反応器が提供される。この反応器は鉛直に設置され、流れ方向は軸に沿う、すなわち反応器を通る流れは鉛直方向である。これにより沈殿物の蓄積が排除され、反応室内の層流が増進される。混合室は反応器の頂部にあり、流れは下向きであることが好ましい。
酸性銀塩水溶液を混合室の入口の1つに連続的に供給し、酸性還元溶液を混合室の他方の入口に連続的に供給する44。2つの溶液が急速に混合されて反応混合物が生成されるため、混合室には乱流が生じる。反応混合物は温度Tに維持する。反応が始まり、銀粒子の核が形成される。混合室では滞留時間が短い、すなわち5分以下、好ましくは20秒以下であることが重要である。
反応混合物は混合室から流出し、直径がより大きく、温度がTに維持されている反応室24に流入する。ここで、Tは10℃〜90℃の範囲である。TとTは、同じ温度、または異なる温度とすることができる。反応室内の流れは、混合室よりも遅い。これにより、所望のモルフォロジーおよびサイズを有する銀粒子の成長が促進され、また乱流により生ずる凝集が軽減される。反応室内の滞留時間は、凝集せずに粒子の生成が十分に行われる時間であり、1〜20分、好ましくは1〜5分である。銀粒子を含む最終水溶液が得られる。
銀粒子を含む最終水溶液が反応室から流出し、回収される46。その後、濾過、または他の適切な固液分離操作によって、最終水溶液から銀粒子を分離する47。脱イオン水またはアルコールで銀粒子を洗浄し、その後乾燥させる48。
本方法より、銀粒子を含む銀粉末を非常に大量に、かつ低コストで連続的に製造することができる。
本連続法を実施するためのフロー反応器の実施形態もまた提供される。この実施形態の図を、図2に示す。フロー反応器10は反応器の長さ方向に沿って軸11を有し、この軸は鉛直である。流れの方向は、軸11に沿う方向、すなわち鉛直方向であり、下向きであることが好ましい。図2に示すように、4つのゾーンを順に含むフロー反応器10は、流れが下向きとなる場所で、その頂部に、第1ゾーン12、すなわち混合室を有する。次に第2ゾーン13、すなわち移行ゾーンがあり、反応室として機能する第3ゾー14が続く。反応器底部の第4ゾーン15は、出口および回収ゾーンとして機能する。
第1ゾーン12は、長さl、内径dの円筒形のシェルであり、dは0.25〜6インチ(0.6〜15cm)の範囲にある。第1ゾーン12は、上端16および下端17を有する。第1ゾーン12は、混合室として機能する。第1ゾーン12は、反応器10の軸11に沿って第1の反応溶液19を第1ゾーンへ注入することができるよう、第1ゾーンの上端16に直径dの第1の入口18を含む混合ティーと、軸に対して30°〜90°の角度21で配置された内径「a」の第2の入口20を提供する、混合ティーの他方のアーム30を有する。第2の入口20により、反応器の軸11に対し、その角度21で、第2の反応溶液22を第1ゾーンへ注入することが可能になる。a/d比は、0.1〜1の範囲である。第1ゾーンは、そのゾーン中の溶液温度をコントロールする手段を有する。
第2ゾーン13は先端を切り取った円錐状のシェルである。第2ゾーン13は上端23および下端24を有する。第2ゾーン13は、第1ゾーン12の下端17に接続されている上端23で内径dを、下端24で内径Dを有する。第2ゾーン13は、第1ゾーン12、すなわち乱流状態の混合室と、第3ゾーン14、すなわちより層流状態の反応室との移行ゾーンとして機能する。
第3ゾーン14は長さがLで内径がDの円筒形シェルである。第3ゾーン14は、上端25と下端26を有する。第3ゾーン14は反応室として機能する。第3ゾーン14の上端25は第2ゾーン13の下端24に接続されている。D/d比は1.2〜6の範囲に、l/L比は0.05〜0.5の範囲に、そしてLは2〜30フィート(0.9〜9m)の範囲にある。第3ゾーンは、そのゾーン中の反応混合物の温度をコントロールする手段を有する。
第4ゾーン15は、先端を切り取った円錐シェルの形状である。第4ゾーン15は上端27と下端28を有する。第4ゾーン15は、その上端27で内径Dを、下端28でD未満の内径を有する。第4ゾーン14の上端27は、第3ゾーン13の下端26に接続されている。第4ゾーンは、その下端27に流量をコントロールし、反応器を加圧状態に維持するバルブ29を有する。
他の実施形態では、dは1〜3インチ(2.5〜7.6cm)の範囲にあり、a/d比は0.2〜0.6の範囲にあり、D/d比は1.3〜3の範囲にあり、l/L比は0.2〜0.4の範囲にあり、そしてLは4〜10フィート(1.2〜3m)の範囲にある。さらに他の実施形態では、dは1.5インチ(3.8cm)であり、a/d比は0.5であり、D/d比は1.33であり、l/L比は0.33であり、Lは6フィート(1.8m)であり、そして軸11に対する角度21は45°である。
反応器の混合室と反応室の温度をコントロールするには、任意の適当な手段を使用することができる。最も簡単な手段は、室を取り囲むジャケット形態の電気ヒーターである。あるいは、室を取り囲む一連のコイルであって、温度調節媒体がその中を通る一連のコイルも使用することができる。熱交換器を有するか、もしくは有しない蒸気ジャケットおよび熱水ジャケットが、そのような手段の例である。イオン化した水を使用する水蒸気の直接注入はさらに他の手段である。
上記反応器を使用する本方法の実施形態では、フロー反応器の第1および第2ゾーンの反応混合物の滞留時間が短い、すなわち、5分以下、好ましくは20秒以下であることが重要である。フロー反応器の第3ゾーンの反応混合物の滞留時間は、1〜20分、好ましくは1〜5分である。
本連続法を使用して製造される粉末は、プロセス条件と、プロセスにおける1種以上の粒子改質剤の使用により決定される、特定のモルフォロジーを有する銀粒子を含む。本連続法の一群の実施形態では、得られる粒子は球状であり、閉鎖構造および滑らかな表面を有する。すなわち、粒子表面を形成する銀要素の一部のみが観察できるように、粒子を形成する銀要素が溶融している。本連続法の他の一群の実施形態では、得られる粒子は球状で、開放構造を有する。すなわち、粒子を形成する銀要素が集合して、粒子を形成する銀要素を隔てる開いた空間を有する粒子を形成している。銀要素は互いに部分的にのみ結合しており、それにより全体として球状のネットワークを形成している。銀要素の3次元構造は明らかに識別することができる。
本明細書において、閉鎖構造および開放構造の両実施形態で、粒子が球状であると記載しているときは、その粒子の形状は概ね球であって、完全な球ではないという理解のもとになされている。
本連続法におけるさらに他の実施形態では、得られる粒子は無定形の凝集粒子である。
閉鎖構造球状粒子
一群の実施形態では、本連続法は閉鎖構造および滑らかな表面を有する球状銀粒子を提供する。酸性銀塩水溶液および酸性還元溶液を上記のように調製し、両者を温度Tに維持する。混合室で2つの溶液を混合して反応混合物を生成させるとき、2つの溶液と生成された反応混合物を、それと同じ温度Tに維持する。反応室では、反応混合物を温度Tに維持する。これらの実施形態では、温度TおよびTは、それぞれ10〜90℃の範囲である。
個々の粒子のモルフォロジーをコントロールするために、また微粒子を製造するために、表面モルフォロジー調節剤を加える。閉鎖構造を有する球状粒子を含む粉末を製造する本方法の実施形態に共通する1つの粒子改質剤は、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤である。硫酸カリウムおよび硫酸ナトリウムは、モルフォロジーをコントロールするための好ましい調節剤である。球状モルフォロジーに必要なこの調節剤の量は、銀1グラム当たり10−5モル〜銀1グラム当たり10−2モルの範囲であり、好ましい範囲は、銀1グラム当たり6×10−5モル〜銀1グラム当たり9×10−3モルである。粒子のモルフォロジーをコントロールする表面調節剤の量が不十分であると、小面モルフォロジーを持った多面体である銀粒子が形成される。粒子のモルフォロジーをコントロールする表面調節剤を過剰に使用すると、凝集率が高くなり、まとまって焼結した銀粒子が形成される。
閉鎖構造を有する球状粒子を含む粉末を製造する本方法の実施形態に共通する第2の粒子改質剤は、アラビアゴム、ゼラチン、ステアリン酸、オレイン酸、ステアリン酸アンモニウムおよび他のステアリン酸塩、ベンゾトリアゾール、Daxad(商標)19(Hampshire、Dow Chemical Co.の一部門の製造)などのポリナフタレンスルホナートホルムアルデヒド凝縮物の塩、Pluronic(商標)(BASF Corp.の製造)などのポロキサマーブロック共重合体、Gafac(商標)(Rhone Poulenc Surfactants and Specialtiesの製造)などのリン酸エステル、分子量範囲が200〜8000のポリエチレングリコール、ならびにこれらの界面活性剤の混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤である。いくつかの実施形態では、これらの調節剤は、酸性還元溶液に添加する代わりに、または酸性還元溶液に添加するのに加えて、酸性硝酸銀溶液に添加される。この表面調節剤の量は、銀1グラム当たり0.001g〜銀1グラム当たり0.2グラム超の範囲である。微粒子を製造するために好ましい範囲は、銀1グラム当たり0.04〜0.20グラムである。分散をコントロールするために表面調節剤を過小使用すると、凝集率の高い銀粒子が形成される。
これらの実施形態のいくつかでは、粒径調節剤が使用される。
閉鎖構造粒子の粒径d50は0.3〜5μmである。粒子のSEM粒径もまた、走査型電子顕微鏡(SEM)像から直接測定することができる。SEM径に対するd50の比は1〜2の範囲である。
閉鎖構造を有する大略球状の銀粒子を製造するための、そのような方法の一実施形態では、表面モルフォロジー調節剤および粒径調節剤が共に使用される。使用される2種類のモルフォロジー調節剤は、上記のものである。
この実施形態に適した粒径調節剤は、金コロイドまたは銀コロイドなどの金属コロイドである。さらに他の適切な粒径調節剤は、水素化ホウ素ナトリウムなどの他の還元剤を少量加えることによって、その場で生成させることができる。本方法にコロイドが添加されなければ、非常に大きい粒子が形成される。本方法に追加のコロイドが加えられるにつれて、粒径は小さくなる。酸性還元溶液にコロイドを加えられると、酸性還元溶液は、目標粒径が変化するのを避けるために、5時間以内に使用する必要がある。
この実施形態に好適な粒子改質剤の組み合わせは、第1の表面モルフォロジー調節剤として硫酸カリウム、第2の表面モルフォロジー調節剤としてアラビアゴム、そして粒径調節剤として金コロイドである。
得られた粒子の構造を、図3の走査型電子顕微鏡(SEM)像に示す。このSEM像から、粒子が滑らかな表面を有し、概して球状であるが、完全な球ではないことがわかる。
閉鎖構造を有し、滑らかな表面を有する大略球状の銀粒子を製造するための、この実施形態の変形は、粒子改質剤として、ゼラチンと、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロピルアルコールおよびこれらの混合物からなる群から選択されるアルコールをさらに含む酸性銀塩水溶液を含む。もう一方の粒子改質剤は、上記の表面モルフォロジー調節剤であり、酸性還元溶液中に存在する。この表面モルフォロジー調節剤は、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよびこれらの混合物からなる群から選択される。硫酸カリウムおよび硫酸ナトリウムが好ましい。得られた粒子は図3に示したものに類似している。
開放構造球状粒子
他の一群の実施形態では、本連続法は、銀要素が集合して粒子を形成している(SEM像に明確に表れる)開放構造を有する球状銀粒子を提供する。酸性銀塩水溶液および酸性還元溶液を上記のように調製し、両者を温度Tに維持する。混合室で2つの溶液を混合して反応混合物を生成させるとき、2つの溶液および生成された反応混合物を、それと同じ温度Tに維持する。反応室では、反応混合物を温度Tに維持する。これらの実施例では、温度TおよびTは、それぞれ10〜90℃の範囲に入る。
個々の粒子のモルフォロジーをコントロールするために、表面モルフォロジー調節剤を添加する。開放構造を有する球状粒子を含む粉末を製造する本方法の実施形態に共通する1つの粒子改質剤は、クエン酸ナトリウム、クエン酸塩、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される。クエン酸ナトリウムが好ましい。使用する表面調節剤の量は、銀1グラム当たり表面調節剤0.001グラム〜銀1グラム当たり表面調節剤0.5グラム超の範囲である。好ましい範囲は、銀1グラム当たり表面調節剤が約0.02〜約0.3グラムである。
閉鎖構造粒子の粒径d50は0.3〜5μmである。SEM粒径もまた、走査型電子顕微鏡(SEM)像から直接測定することができる。SEM径に対するd50の比は1〜2の範囲である。
開放構造粒子を製造する実施形態の1つのタイプでは、粒子改質剤は、上記のようにクエン酸ナトリウム、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤である。このタイプの実施形態では、温度TおよびTはそれぞれ10℃〜90℃の範囲である。
得られた粒子の構造を図4および図5の走査型電子顕微鏡像に示す。このSEM像から、粒子は概して球状であるが、完全な球ではないことがわかる。粒子を構成する銀要素が、それらが形成している不定形表面および開放構造と同様に、明瞭にわかる。
開放構造粒子を製造する、さらなるタイプの実施形態では、2種類の粒子改質剤を使用する。1つは、上記のように、クエン酸ナトリウム、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤である。第2のものは、水に溶解するとCu2+イオン源となる水溶性銅化合物からなる群から選択される表面調節剤である。そのような化合物の例としては、硝酸銅(II)、酢酸銅(II)、硫酸銅(II)およびこれらの混合物が挙げられる。硝酸銅が好ましい。使用する第2の表面調節剤の量は、銀1グラム当たり第2表面調節剤0.00001グラム〜銀1グラム当たり第2表面調節剤0.0050グラムの範囲である。好ましい範囲は、銀1グラム当たり第2表面調節剤が約0.0006〜約0.0024グラムである。
酸性銀塩水溶液および酸性還元溶液を上記のように調製し、両者を温度Tに維持する。混合室で2つの溶液を混合して反応混合物を生成させるとき、2つの溶液および生成された反応混合物を、それと同じ温度Tに維持する。反応室では、反応混合物を温度Tに維持する。これらの実施例では、温度TおよびTは、それぞれ10〜65℃の範囲である。
得られた粒子の構造を図6の走査型電子顕微鏡像に示す。このSEM像から、粒子は概して球状であるが、完全な球ではないことがわかる。粒子を構成する銀要素は、それらが形成する不定形な開放構造と同様に、明瞭にわかる。
本方法の各種実施形態により製造される銀粒子は、太陽電池前面の金属化用厚膜などの厚膜ペーストの用途に使用することができる。
以下の実施例と考察は、本発明の方法をより詳しく説明するために示すものであって、本発明の方法を限定するものではない。粒度分布の数値(d10、d50、d90)は、Leeds and NorthrupのMicrotrac(登録商標)Particle Size Analyzerを使用して測定したことに留意されたい。d10、d50、d90は、体積で測定した粒度分布の、それぞれ10パーセンタイル、メジアンすなわち50パーセンタイル、および90パーセンタイルを示す。すなわち、d50(d10、d90)は、粒子の50%(10%、90%)がこの値以下の体積を有する、分布上の値である。
実施例1
この実施例では、大略球形で滑らかな表面を有する銀粒子を製造した。
硝酸銀を脱イオン水に溶解して酸性銀塩水溶液を調製した。硝酸銀の濃度は、酸性銀塩水溶液の全重量を基準として23重量%であった。酸性銀塩水溶液を連続的に撹拌しながら、約22℃の室温に維持した。
脱イオン水にアラビアゴムを加えて溶解し、約22℃の室温で撹拌しながら15〜60分間エージングすることによって酸性還元溶液を調製した。その後、アルコルビン酸をこの溶液に加えた。この溶液を連続的に撹拌し、温度を室温に維持した。その後、硝酸(70%)を溶液に加え、続いて硫酸カリウムを加えた。最終工程として、金コロイド溶液を加えた。酸性還元溶液の全重量を基準として、重量%で表した酸性還元溶液の濃度は、硝酸溶液(70%)2.96%、硫酸カリウム0.44%、アラビアゴム1.48%、金コロイド0.15%、そしてアスコルビン酸5.93%であった。
これらの2つの溶液を、図2に示した形状の、寸法がl=2フィート(0.6m)、L=6フィート(1.8m)、d=1.5インチ(3.8cm)、D=2インチ(5.1cm)、a=3/4インチ(1.9cm)で、角度21が45°のフロー反応器10に供給した。酸性還元溶液は、フロー反応器10の第1ゾーン12の上端16の第1の入口18へ、0.86KPM(1分当たりのキログラム)の質量流量で供給した。酸性銀塩水溶液は、0.28KPMの質量流量で、軸11に対して45°にある第2の入口20に供給した。第1ゾーンでは、生成された反応混合物を約22℃の温度に維持した。反応室、すなわち第3ゾーン14の反応混合物もまた、約22℃の室温に維持した。
最終水溶液がフロー反応器の下端27から流出するときに、これを回収した。最終水溶液を濾過し、銀粉末を回収した。洗浄水の導電率が100マイクロジーメンス以下になるまで、銀粉末を脱イオン水で洗浄した。30℃で30時間、銀粉末を乾燥させた。
銀粉末は銀粒子を含み、この銀粒子は、図3(3,000倍)の走査型電子顕微鏡(SEM)像に示すように、大略球状で滑らかな表面を有していた。d10、d50およびd90は、それぞれ、0.81μm、1.20μmおよび1.88μmであった。
実施例2
この実施例では、大略球状で滑らかな表面の銀粒子を製造した。
次のようにして、酸性銀塩溶液を調製した。硝酸銀を脱イオン水に溶解させた。硝酸銀の濃度は、硝酸銀と脱イオン水との全重量を基準として、20重量%であった。この溶液を連続的に撹拌しながら約22℃の室温に維持した。ゼラチンとエタノールを徐々に加え、この溶液を15〜60分間エージングして、酸性銀塩水溶液を得た。酸性銀塩水溶液の全重量を基準として、重量%で表した酸性銀塩水溶液の濃度は、硝酸銀7.3%、ゼラチン0.5%、エタノール0.5%、そして脱イオン水91.7%であった。酸性銀塩水溶液を室温に維持した。
硫酸ナトリウムおよび硝酸とともにアスコルビン酸を脱イオン水に溶解させることにより、酸性還元溶液を調製した。その溶液を、約22℃の室温で撹拌しながら、15〜60分間エージングした。酸性還元溶液の全重量を基準として、重量%で表した酸性還元溶液の濃度は、アスコルビン酸3.8%、硝酸3.7%、硫酸ナトリウム0.1%、そして脱イオン水92.4%であった。
これらの2つの溶液を、図2に示した形状および実施例1で記載した寸法を有するフロー反応器に供給した。酸性還元溶液は、フロー反応器10の第1ゾーン12の上端16の第1の入口18へ、0.58KPM(1分当たりのキログラム)の質量流量で供給した。酸性銀塩水溶液は、0.58KPMの質量流量で、軸11に対して45°の角度にある第2の入口20に供給した。第1ゾーンでは、生成された反応混合物を約22℃の温度に維持した。反応室、すなわち第3ゾーン14の反応混合物もまた約22℃の室温に維持した。
最終水溶液がフロー反応器の下端27から流出するときに、これを回収した。最終水溶液を濾過し、銀粉末を回収した。洗浄水の導電率が100マイクロジーメンス以下になるまで、銀粉末を脱イオン水で洗浄した。30℃で30時間、銀粉末を乾燥させた。
銀粉末は銀粒子を含み、この銀粒子は、図3(3,000倍)の走査型電子顕微鏡(SEM)像に示したものに類似して、大略球状で滑らかな表面を有していた。
実施例3
この実施例では、集合して球状の開放構造の粒子を形成する銀要素を含む銀粒子を製造した。
硝酸銀を脱イオン水に溶解して酸性銀塩水溶液を調製した。硝酸銀の濃度は、硝酸銀と脱イオン水との全重量を基準として、24.2重量%であった。この溶液を連続的に撹拌しながら、50℃に維持した。
クエン酸ナトリウムおよび硝酸とともにアスコルビン酸を脱イオン水に溶解させることにより、酸性還元溶液を調製した。酸性還元溶液の全重量を基準として、重量%で表した酸性還元溶液の濃度は、アスコルビン酸5.45%、硝酸溶液(70%)2.42%、クエン酸ナトリウム1.21%、そして脱イオン水90.92%であった。この溶液を連続的に撹拌しながら50℃に維持した。
これらの2つの溶液を、図2に形状を示した形状の、寸法がl=3インチ(7.6cm)、L=6フィート(0.9m)、d=3/8インチ(0.96cm)、D=0.5インチ(1.3cm)、a=1/4インチ(0.64cm)で、角度21が45°のフロー反応器に供給した。酸性還元溶液は、フロー反応器10の第1ゾーン12の上端16の第1の入口18へ、167GPM(1分当たりのグラム)の質量流量で供給した。酸性銀塩水溶液は、66GPMの質量流量で、軸11に対して45°の角度にある第2の入口20に供給した。第1ゾーンでは、生成された反応混合物を50℃の温度に維持した。反応室、すなわち第3ゾーン14の反応混合物もまた50℃の室温に維持した。
最終水溶液がフロー反応器の下端27から流出するときに、これを回収した。最終水溶液を濾過し、銀粉末を回収した。洗浄水の導電率が100マイクロジーメンス以下になるまで、銀粉末を脱イオン水で洗浄した。30℃で30時間、銀粉末を乾燥させた。
銀粉末は銀粒子を含み、この銀粒子は、図4(5,000倍)の走査型電子顕微鏡(SEM)像に示すように、球状の開放構造の粒子である。d10、d50およびd90は、それぞれ、2.5μm、5.6μmおよび15.36μmであった。
実施例4
この実施例では、集合して球形開放構造の粒子を形成する、長さ100〜500nm、幅80〜100nm、そして厚さ80〜100nmの銀要素を含む銀粒子であって、その表面がオレンジの皮の表面に類似している銀粒子を製造した。
硝酸銀を脱イオン水に溶解して酸性銀塩水溶液を調製した。硝酸銀の濃度は、硝酸銀と脱イオン水との全重量を基準として24.2重量%であった。この溶液を連続的に撹拌しながら、約22℃の室温に維持した。
クエン酸ナトリウムおよび硝酸とともにアスコルビン酸を脱イオン水に溶解させることにより、酸性還元溶液を調製した。酸性還元溶液の全重量を基準として、重量%で表した酸性還元溶液の濃度は、アスコルビン酸5.45%、硝酸溶液(70%)2.42%、クエン酸ナトリウム1.21%、そして脱イオン水90.92%であった。この溶液を連続的に撹拌しながら50℃に維持した。
これらの2つの溶液を、図2に示した形状および実施例3で記載した寸法を有するフロー反応器に供給した。酸性還元溶液は、フロー反応器10の第1ゾーン12の上端16の第1の入口18へ、167GPM(1分当たりのグラム)の質量流量で供給した。酸性銀塩水溶液は、66GPMの質量流量で、軸11に対して45°の角度にある第2の入口20に供給した。第1ゾーンでは、生成された反応混合物を約22℃の温度に維持した。反応室、すなわち第3ゾーン14の反応混合物もまた約22℃の室温に維持した。
最終水溶液がフロー反応器の下端27から流出するときに、これを回収した。最終水溶液を濾過し、銀粉末を回収した。洗浄水の導電率が100マイクロジーメンス以下になるまで、銀粉末を脱イオン水で洗浄した。30℃で30時間、銀粉末を乾燥させた。
銀粉末は銀粒子を含み、この粒子は、図5(10,000倍)の走査型電子顕微鏡(SEM)像に示すように、球状の開放構造の粒子であり、その表面はオレンジの皮の表面に類似している。d10、d50およびd90は、それぞれ、2.5μm、5.6μmおよび15.36μmであった。
実施例5
この実施例では、集合して開放構造の表面を形成する、サイズが20〜200nmの非球状銀要素を含む球状粒子を含む銀粒子を製造した。
硝酸銀を脱イオン水に溶解して酸性銀塩水溶液を調製した。硝酸銀の濃度は、硝酸銀と脱イオン水との全重量を基準として24.2重量%であった。この溶液を連続的に撹拌しながら、約22℃の室温に維持した。
クエン酸ナトリウム、硝酸および硝酸銅とともにアスコルビン酸を脱イオン水に溶解させることにより、酸性還元溶液を調製した。酸性還元溶液の全重量を基準として、重量%で表した酸性還元溶液の濃度は、アスコルビン酸5.45%、硝酸溶液(70%)2.42%、クエン酸ナトリウム1.21%、硝酸銅0.01%、そして脱イオン水90.91%であった。この溶液を連続的に撹拌しながら約22℃の室温に維持した。
これらの2つの溶液を、図2に示した形状および実施例3で記載した寸法のフロー反応器に供給した。酸性還元溶液は、フロー反応器10の第1ゾーン12の上端16の第1の入口18へ、167GPM(1分当たりのグラム)の質量流量で供給した。酸性銀塩水溶液は、66GPMの質量流量で、軸11に対して45°の角度にある第2の入口20に供給した。第1ゾーンでは、生成した反応混合物を約22℃の温度に維持した。反応室、すなわち第3ゾーン14の反応混合物もまた約22℃の室温に維持した。
最終水溶液がフロー反応器の下端27から流出するときに、これを回収した。最終水溶液を濾過し、銀粉末を回収した。洗浄水の導電率が100マイクロジーメンス以下になるまで、銀粉末を脱イオン水で洗浄した。30℃で30時間、銀粉末を乾燥させた。
銀粉末は銀粒子を含み、この粒子は、図6(10,000倍)の走査型電子顕微鏡(SEM)像に示すように、球状の開放構造の粒子である。d10、d50およびd90は、それぞれ、0.8μm、1.77μmおよび3.41μmであった。
銀粉末は銀粒子を含み、この粒子は、図6(10,000倍)の走査型電子顕微鏡(SEM)像に示すように、球状の開放構造の粒子である。d10、d50およびd90は、それぞれ、0.8μm、1.77μmおよび3.41μmであった。
本発明は以下の実施の態様を含むものである。
1.銀粒子を含む銀粉末を調整するための連続法であって、
a.脱イオン水に溶解した水溶性銀塩を含む酸性銀塩水溶液を調製する工程と、
b.酸性還元溶液を調製する工程であって、前記酸性還元溶液が、
i.脱イオン水に溶解した、アスコルビン酸、アスコルビン酸塩およびこれらの混合物からなる群から選択される還元剤;
ii.硝酸;および
iii.1種以上の粒子改質剤;
を含む、工程と、
c.前記酸性銀塩水溶液と前記酸性還元溶液を同一温度T に維持する工程であって、T が10℃から90℃の範囲にある工程と、
d.フロー反応器を提供する工程であって、前記フロー反応器が、
i.直径がdで、温度コントロール手段を有し、かつ2つの入口を含む混合室;および
ii.直径がDで、温度コントロール手段を有し、D>dであり、前記フロー反応器は前記フロー反応器の長さ方向に沿う軸を有し、前記軸は鉛直で、流れ方向が前記軸に沿う、工程と、
e.前記酸性銀塩水溶液を前記混合室の一方の入口へ連続的に供給し、前記酸性還元溶液を前記混合室の他方の入口へ連続的に供給して、前記混合室内で反応混合物を生成させ、前記混合室内の前記反応混合物を前記(c)の温度T に維持する工程であって、前記混合室内の前記反応混合物の滞留時間は5分以下であり、前記滞留時間が経過すると前記反応混合物が前記混合室から流出して前記反応室に流入する工程と、
f.前記反応室内の前記反応混合物を温度T に維持する工程であって、T が10℃〜90℃の範囲にあり、前記反応室内の前記反応混合物の前記滞留時間が1〜20分であって、最終水溶液中に前記銀粉末粒子を生成させる工程と、
g.前記反応室滞留時間が経過して前記最終水溶液が前記反応室から流出するとき、前記最終水溶液中の前記銀粉末粒子を回収する工程と
を含む連続法。
2.h.前記銀粉末粒子を前記最終水溶液から分離する工程と、
i.脱イオン水またはアルコールで前記銀粉末粒子を洗浄する工程と、
j.前記銀粉末粒子を乾燥させる工程と
をさらに含む前記1に記載の連続法。
3.前記混合室内の前記反応混合物の前記滞留時間が20秒以下であり、かつ前記反応室内の前記反応混合物の前記滞留時間が1〜5分である前記1に記載の連続法。
4.前記T および前記T が同じ温度である前記1に記載の連続法。
5.フロー反応器であって、前記フロー反応器が前記フロー反応器の長さ方向に沿う軸を有し、前記軸は鉛直であり、かつ流れ方向が前記軸に沿っており、前記フロー反応器が、
a.長さがl、内径がdで、上端と下端を有する、円筒形シェル形状の第1ゾーンであって、dは0.25〜6インチ(0.6〜15cm)の範囲にあり、前記第1ゾーンが前記反応器の上端に位置し、前記反応器の前記軸に沿って第1の反応溶液を前記第1ゾーンへ注入することが可能になるように、前記第1ゾーンの前記上端に直径dの第1の入口を備え、そして前記軸に対して30°〜90°の角度で第2の反応溶液を前記第1ゾーンへ注入することが可能になるように、前記軸に対して前記角度に配置された内径aの第2の入口を備える混合ティーを含み、前記第1ゾーンが温度コントロールの手段を有し、かつa/d比が0.1〜1の範囲にある、第1ゾーンと;
b.先端を切り取った円錐シェル形状で、上端と下端を有する第2ゾーンであって、前記第2ゾーンが移行ゾーンとして機能し、前記第1ゾーンの前記下端に接続している前記上端の内径がdで、前記第2ゾーンの前記下端の内径がDである、第2ゾーンと;
c.長さL、内径Dで、上端および下端と、温度コントロール手段を有する円筒形シェル形状の第3ゾーンであって、前記第3ゾーンの前記上端は前記第2ゾーンの前記下端に接続され、D/d比は1.2〜6の範囲にあり、l/L比は0.05〜0.5の範囲にあり、Lは2〜30フィート(0.9〜9m)の範囲にある、第3ゾーンと;
d.先端を切り取った円錐シェル形状で、上端の内径がD、下端の内径がD未満である上端と下端を有し、かつ流量をコントロールし、前記反応器を加圧状態に維持するバルブを有する第4ゾーンであって、前記第4ゾーンの前記上端が前記第3ゾーンの前記下端に接続されている第4ゾーンと
を順に含むフロー反応器。
6.前記内径dが1〜3インチ(2.5〜7.5cm)の範囲であり、前記a/d比が0.2〜0.6の範囲であり、前記D/d比が1.3〜3の範囲であり、前記l/L比が0.2〜0.4の範囲であり、かつ前記Lが4〜10フィート(1.2〜3m)の範囲である前記5に記載のフロー反応器。
7.前記内径dが1.5インチ(3.8cm)であり、前記a/d比が0.5であり、前記D/d比が1.33であり、前記l/L比が0.33であり、前記Lが6フィート(1.8m)であり、かつ前記角度が45°である前記6に記載のフロー反応器。
8.銀粒子を含む銀粉末を調整するための連続法であって、
a.脱イオン水に溶解した水溶性銀塩を含む酸性銀塩水溶液を調製する工程と、
b.酸性還元溶液を調製する工程であって、前記酸性還元溶液が、
i.脱イオン水に溶解した、アスコルビン酸、アスコルビン酸塩およびこれらの混合物からなる群から選択される還元剤;
ii.硝酸;および
iii.1種以上の粒子改質剤;
を含む、工程と、
c.前記酸性銀塩水溶液と前記酸性還元溶液とを同一温度T に維持する工程であって、T が10℃から90℃の範囲にある工程と、
d.フロー反応器を提供する工程であって、前記反応器は前記反応器の長さ方向に沿う軸を有し、前記軸は鉛直であり、前記反応器は、
i.長さがl、内径がdで上端と下端を有する、円筒形シェル形状の第1ゾーンであって、dは0.25〜6インチ(0.6〜15cm)の範囲にあり、前記第1ゾーンが前記反応器の上端に位置し、前記反応器の前記軸に沿って第1の反応溶液を前記第1ゾーンへ注入することが可能になるように、前記第1ゾーンの前記上端に直径dの第1の入口を備え、そして前記軸に対して30°〜90°の角度で第2の反応溶液を前記第1ゾーンへ注入することが可能になるように、前記軸に対して前記角度に配置された内径aの第2の入口を備える混合ティーを含み、前記第1ゾーンが温度コントロールの手段を有し、かつa/d比が0.1〜1の範囲にある、第1ゾーンと;
ii.先端を切り取った円錐シェル形状で、上端と下端を有する第2ゾーンであって、前記第2ゾーンが移行ゾーンとして機能し、前記第1ゾーンの前記下端に接続している前記第2ゾーンの前記上端の内径がdで、前記第2ゾーンの前記下端の内径がDである、第2ゾーンと;
iii.長さL、内径Dで、上端および下端と、温度コントロール手段を有する円筒形シェル形状の第3ゾーンであって、前記第3ゾーンの上端は前記第2ゾーンの前記下端に接続され、D/d比は1.2〜6の範囲にあり、l/L比は0.05〜0.5の範囲にあり、Lは2〜30フィート(0.9〜9m)の範囲にある、第3ゾーンと;
iv.先端を切り取った円錐シェル形状で、上端の内径がD、下端の内径がD未満である上端と下端を有し、流量をコントロールし、かつ前記反応器を加圧状態に維持するバルブを有する第4ゾーンであって、前記第4ゾーンの前記上端が前記第3ゾーンの前記下端に接続されている、第4ゾーンと
を順に含む、工程と、
e.前記酸性銀塩水溶液を前記フロー反応器の前記第1ゾーンの一方の入口へ連続的に供給し、前記酸性還元溶液を前記フロー反応器の前記第1ゾーンの他方の入口へ連続的に供給して、前記第1ゾーンで反応混合物を生成させ、前記第1ゾーンの前記反応混合物を(c)の温度T に維持する工程であって、前記反応混合物は、前記フロー反応器の前記第1ゾーンを通って前記第2ゾーンへ流入し、前記第1ゾーンおよび前記第2ゾーン内の前記反応混合物の滞留時間は5分以下であり、前記滞留時間が経過すると前記反応混合物が前記第2ゾーンから流出して前記フロー反応器の前記第3ゾーンに流入する工程と、
f.前記反応混合物が前記第3ゾーンを通って流れるとき、前記第3ゾーン内の前記反応混合物を温度T に維持する工程であって、T が10℃〜90℃の範囲にあり、前記フロー反応器の前記第3ゾーン内の前記反応混合物の前記滞留時間が1〜20分であって、前記第3ゾーン滞留時間が経過すると、前記フロー反応器の前記第4ゾーンに流入する最終水溶液中に前記銀粉末粒子を生成させる工程と、
g.前記最終水溶液が前記フロー反応器の前記第4ゾーンから流出するとき、前記最終水溶液中の前記銀粉末粒子を回収する工程と
を含む方法。
9.h.前記銀粉末粒子を前記最終水溶液から分離する工程と、
i.脱イオン水またはアルコールで前記銀粉末粒子を洗浄する工程と、
j.前記銀粉末粒子を乾燥させる工程と
をさらに含む前記8に記載の連続法。
10.前記第1ゾーンおよび前記第2ゾーン内の前記反応混合物の前記滞留時間が20秒以下であり、かつ前記フロー反応器の前記第3ゾーン内の前記反応混合物の前記滞留時間が1〜5分である前記8に記載の連続法。
11.前記T および前記T が同じ温度である前記8に記載の連続法。
12.前記酸性還元溶液を前記第1ゾーンの前記上端の前記第1の入口へ連続的に供給し、かつ前記酸性銀塩水溶液を前記角度に配置された前記第2の入口へ連続的に供給する前記8に記載の連続法。
13.前記フロー反応器において、前記内径dが1〜3インチ(2.5〜7.5cm)の範囲であり、前記a/d比が0.2〜0.6の範囲であり、前記D/d比が1.3〜3の範囲であり、前記l/L比が0.2〜0.4の範囲であり、かつ前記Lが4〜10フィート(1.2〜3m)の範囲である前記8に記載の連続法。
14.前記フロー反応器において、前記内径dが1.5インチ(3.8cm)であり、前記a/d比が0.5であり、前記D/d比が1.33であり、前記l/L比が0.33であり、前記Lが6フィート(1.8m)であり、かつ前記角度が45°である前記13に記載の連続法。
15.前記1種以上の粒子改質剤が、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよびこれらの混合物からなる群から選択される第1の表面モルフォロジー調節剤と、アラビアゴム、ゼラチン、ステアリン酸、オレイン酸、ステアリン酸アンモニウムおよび他のステアリン酸塩、ベンゾトリアゾール、ポリナフタレンスルホナートホルムアルデヒド凝縮物の塩、ポロキサマーブロック共重合体、リン酸エステル、分子量範囲が200〜8000のポリエチレングリコール、ならびにこれらの混合物からなる群から選択される第2の表面モルフォロジー調節剤とを含む前記1に記載の連続法。
16.前記1種以上の粒子改質剤が、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよびこれらの混合物からなる群から選択される第1の表面モルフォロジー調節剤と、アラビアゴム、ゼラチン、ステアリン酸、オレイン酸、ステアリン酸アンモニウムおよび他のステアリン酸塩、ベンゾトリアゾール、ポリナフタレンスルホナートホルムアルデヒド凝縮物の塩、ポロキサマーブロック共重合体、リン酸エステル、分子量範囲が200〜8000のポリエチレングリコール、ならびにこれらの混合物からなる群から選択される第2の表面モルフォロジー調節剤とを含む前記8に記載の連続法。
17.前記1種以上の粒子改質剤が、金属コロイドからなる群から選択される粒径調節剤をさらに含む前記15に記載の連続法。
18.前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記第1の表面モルフォロジー調節剤が硫酸カリウムであり、前記第2の表面モルフォロジー調節剤がアラビアゴムであり、かつ前記粒径調節剤が金コロイドである前記17に記載の連続法。
19.前記1種以上の粒子改質剤が、金属コロイドからなる群から選択される粒径調節剤をさらに含む前記18に記載の連続法。
20.前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記第1の表面モルフォロジー調節剤が硫酸カリウムであり、前記第2の表面モルフォロジー調節剤がアラビアゴムであり、かつ前記粒径調節剤が金コロイドである前記19に記載の連続法。
21.前記酸性銀塩水溶液が、ゼラチンと、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロピルアルコールおよびこれらの混合物からなる群から選択されるアルコールをさらに含み、前記1種以上の粒子改質剤が、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤を含む前記1に記載の連続法。
22.前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記アルコールがエタノールであり、かつ前記表面モルフォロジー調節剤が硫酸ナトリウムである前記20に記載の連続法。
23.前記酸性銀塩水溶液が、ゼラチンと、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロピルアルコールおよびこれらの混合物からなる群から選択されるアルコールをさらに含み、前記1種以上の粒子改質剤が、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤を含む前記8に記載の連続法。
24.前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記アルコールがエタノールであり、かつ前記表面モルフォロジー調節剤が硫酸ナトリウムである前記23に記載の連続法。
25.前記粒子改質剤が、クエン酸ナトリウム、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤を含む前記1に記載の連続法。
26.前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、かつ前記表面モルフォロジー調節剤がクエン酸ナトリウムである前記25に記載の連続法。
27.前記粒子改質剤が、クエン酸ナトリウム、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤を含む前記8に記載の連続法。
28.前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、かつ前記表面モルフォロジー調節剤がクエン酸ナトリウムである前記27に記載の連続法。
29.前記粒子改質剤が、クエン酸ナトリウム、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される第1の表面モルフォロジー調節剤と、水に溶解するとCu 2+ イオン源となる水溶性銅化合物からなる群から選択される第2の表面モルフォロジー調節剤とを含み、前記温度T と前記温度T がそれぞれ10℃〜65℃の範囲である前記1に記載の連続法。
30.前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記第1の表面モルフォロジー調節剤がクエン酸ナトリウムであり、かつ前記第2の表面モルフォロジー調節剤が硝酸銅である前記29に記載の連続法。
31.前記粒子改質剤が、クエン酸ナトリウム、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される第1の表面モルフォロジー調節剤と、水に溶解するとCu 2+ イオン源となる水溶性銅化合物からなる群から選択される第2の表面モルフォロジー調節剤を含み、前記温度T と前記温度T がそれぞれ10℃〜65℃の範囲である前記8に記載の連続法。
32.前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記第1の表面モルフォロジー調節剤がクエン酸ナトリウムであり、かつ前記第2の表面モルフォロジー調節剤が硝酸銅である前記31に記載の連続法。

Claims (32)

  1. 銀粒子を含む銀粉末を調整するための連続法であって、
    a.脱イオン水に溶解した水溶性銀塩を含む酸性銀塩水溶液を調製する工程と、
    b.酸性還元溶液を調製する工程であって、前記酸性還元溶液が、
    i.脱イオン水に溶解した、アスコルビン酸、アスコルビン酸塩およびこれらの混合物からなる群から選択される還元剤;
    ii.硝酸;および
    iii.1種以上の粒子改質剤;
    を含む、工程と、
    c.前記酸性銀塩水溶液と前記酸性還元溶液を同一温度Tに維持する工程であって、Tが10℃から90℃の範囲にある工程と、
    d.フロー反応器を提供する工程であって、前記フロー反応器が、
    i.直径がdで、温度コントロール手段を有し、かつ2つの入口を含む混合室;および
    ii.直径がDで、温度コントロール手段を有し、D>dであり、前記フロー反応器は前記フロー反応器の長さ方向に沿う軸を有し、前記軸は鉛直で、流れ方向が前記軸に沿う、工程と、
    e.前記酸性銀塩水溶液を前記混合室の一方の入口へ連続的に供給し、前記酸性還元溶液を前記混合室の他方の入口へ連続的に供給して、前記混合室内で反応混合物を生成させ、前記混合室内の前記反応混合物を前記(c)の温度Tに維持する工程であって、前記混合室内の前記反応混合物の滞留時間は5分以下であり、前記滞留時間が経過すると前記反応混合物が前記混合室から流出して前記反応室に流入する工程と、
    f.前記反応室内の前記反応混合物を温度Tに維持する工程であって、Tが10℃〜90℃の範囲にあり、前記反応室内の前記反応混合物の前記滞留時間が1〜20分であって、最終水溶液中に前記銀粉末粒子を生成させる工程と、
    g.前記反応室滞留時間が経過して前記最終水溶液が前記反応室から流出するとき、前記最終水溶液中の前記銀粉末粒子を回収する工程と
    を含む連続法。
  2. h.前記銀粉末粒子を前記最終水溶液から分離する工程と、
    i.脱イオン水またはアルコールで前記銀粉末粒子を洗浄する工程と、
    j.前記銀粉末粒子を乾燥させる工程と
    をさらに含む請求項1に記載の連続法。
  3. 前記混合室内の前記反応混合物の前記滞留時間が20秒以下であり、かつ前記反応室内の前記反応混合物の前記滞留時間が1〜5分である請求項1に記載の連続法。
  4. 前記Tおよび前記Tが同じ温度である請求項1に記載の連続法。
  5. フロー反応器であって、前記フロー反応器が前記フロー反応器の長さ方向に沿う軸を有し、前記軸は鉛直であり、かつ流れ方向が前記軸に沿っており、前記フロー反応器が、
    a.長さがl、内径がdで、上端と下端を有する、円筒形シェル形状の第1ゾーンであって、dは0.25〜6インチ(0.6〜15cm)の範囲にあり、前記第1ゾーンが前記反応器の上端に位置し、前記反応器の前記軸に沿って第1の反応溶液を前記第1ゾーンへ注入することが可能になるように、前記第1ゾーンの前記上端に直径dの第1の入口を備え、そして前記軸に対して30°〜90°の角度で第2の反応溶液を前記第1ゾーンへ注入することが可能になるように、前記軸に対して前記角度に配置された内径aの第2の入口を備える混合ティーを含み、前記第1ゾーンが温度コントロールの手段を有し、かつa/d比が0.1〜1の範囲にある、第1ゾーンと;
    b.先端を切り取った円錐シェル形状で、上端と下端を有する第2ゾーンであって、前記第2ゾーンが移行ゾーンとして機能し、前記第1ゾーンの前記下端に接続している前記上端の内径がdで、前記第2ゾーンの前記下端の内径がDである、第2ゾーンと;
    c.長さL、内径Dで、上端および下端と、温度コントロール手段を有する円筒形シェル形状の第3ゾーンであって、前記第3ゾーンの前記上端は前記第2ゾーンの前記下端に接続され、D/d比は1.2〜6の範囲にあり、l/L比は0.05〜0.5の範囲にあり、Lは2〜30フィート(0.9〜9m)の範囲にある、第3ゾーンと;
    d.先端を切り取った円錐シェル形状で、上端の内径がD、下端の内径がD未満である上端と下端を有し、かつ流量をコントロールし、前記反応器を加圧状態に維持するバルブを有する第4ゾーンであって、前記第4ゾーンの前記上端が前記第3ゾーンの前記下端に接続されている第4ゾーンと
    を順に含むフロー反応器。
  6. 前記内径dが1〜3インチ(2.5〜7.5cm)の範囲であり、前記a/d比が0.2〜0.6の範囲であり、前記D/d比が1.3〜3の範囲であり、前記l/L比が0.2〜0.4の範囲であり、かつ前記Lが4〜10フィート(1.2〜3m)の範囲である請求項5に記載のフロー反応器。
  7. 前記内径dが1.5インチ(3.8cm)であり、前記a/d比が0.5であり、前記D/d比が1.33であり、前記l/L比が0.33であり、前記Lが6フィート(1.8m)であり、かつ前記角度が45°である請求項6に記載のフロー反応器。
  8. 銀粒子を含む銀粉末を調整するための連続法であって、
    a.脱イオン水に溶解した水溶性銀塩を含む酸性銀塩水溶液を調製する工程と、
    b.酸性還元溶液を調製する工程であって、前記酸性還元溶液が、
    i.脱イオン水に溶解した、アスコルビン酸、アスコルビン酸塩およびこれらの混合物からなる群から選択される還元剤;
    ii.硝酸;および
    iii.1種以上の粒子改質剤;
    を含む、工程と、
    c.前記酸性銀塩水溶液と前記酸性還元溶液とを同一温度Tに維持する工程であって、Tが10℃から90℃の範囲にある工程と、
    d.フロー反応器を提供する工程であって、前記反応器は前記反応器の長さ方向に沿う軸を有し、前記軸は鉛直であり、前記反応器は、
    i.長さがl、内径がdで上端と下端を有する、円筒形シェル形状の第1ゾーンであって、dは0.25〜6インチ(0.6〜15cm)の範囲にあり、前記第1ゾーンが前記反応器の上端に位置し、前記反応器の前記軸に沿って第1の反応溶液を前記第1ゾーンへ注入することが可能になるように、前記第1ゾーンの前記上端に直径dの第1の入口を備え、そして前記軸に対して30°〜90°の角度で第2の反応溶液を前記第1ゾーンへ注入することが可能になるように、前記軸に対して前記角度に配置された内径aの第2の入口を備える混合ティーを含み、前記第1ゾーンが温度コントロールの手段を有し、かつa/d比が0.1〜1の範囲にある、第1ゾーンと;
    ii.先端を切り取った円錐シェル形状で、上端と下端を有する第2ゾーンであって、前記第2ゾーンが移行ゾーンとして機能し、前記第1ゾーンの前記下端に接続している前記第2ゾーンの前記上端の内径がdで、前記第2ゾーンの前記下端の内径がDである、第2ゾーンと;
    iii.長さL、内径Dで、上端および下端と、温度コントロール手段を有する円筒形シェル形状の第3ゾーンであって、前記第3ゾーンの上端は前記第2ゾーンの前記下端に接続され、D/d比は1.2〜6の範囲にあり、l/L比は0.05〜0.5の範囲にあり、Lは2〜30フィート(0.9〜9m)の範囲にある、第3ゾーンと;
    iv.先端を切り取った円錐シェル形状で、上端の内径がD、下端の内径がD未満である上端と下端を有し、流量をコントロールし、かつ前記反応器を加圧状態に維持するバルブを有する第4ゾーンであって、前記第4ゾーンの前記上端が前記第3ゾーンの前記下端に接続されている、第4ゾーンと
    を順に含む、工程と、
    e.前記酸性銀塩水溶液を前記フロー反応器の前記第1ゾーンの一方の入口へ連続的に供給し、前記酸性還元溶液を前記フロー反応器の前記第1ゾーンの他方の入口へ連続的に供給して、前記第1ゾーンで反応混合物を生成させ、前記第1ゾーンの前記反応混合物を(c)の温度Tに維持する工程であって、前記反応混合物は、前記フロー反応器の前記第1ゾーンを通って前記第2ゾーンへ流入し、前記第1ゾーンおよび前記第2ゾーン内の前記反応混合物の滞留時間は5分以下であり、前記滞留時間が経過すると前記反応混合物が前記第2ゾーンから流出して前記フロー反応器の前記第3ゾーンに流入する工程と、
    f.前記反応混合物が前記第3ゾーンを通って流れるとき、前記第3ゾーン内の前記反応混合物を温度Tに維持する工程であって、Tが10℃〜90℃の範囲にあり、前記フロー反応器の前記第3ゾーン内の前記反応混合物の前記滞留時間が1〜20分であって、前記第3ゾーン滞留時間が経過すると、前記フロー反応器の前記第4ゾーンに流入する最終水溶液中に前記銀粉末粒子を生成させる工程と、
    g.前記最終水溶液が前記フロー反応器の前記第4ゾーンから流出するとき、前記最終水溶液中の前記銀粉末粒子を回収する工程と
    を含む方法。
  9. h.前記銀粉末粒子を前記最終水溶液から分離する工程と、
    i.脱イオン水またはアルコールで前記銀粉末粒子を洗浄する工程と、
    j.前記銀粉末粒子を乾燥させる工程と
    をさらに含む請求項8に記載の連続法。
  10. 前記第1ゾーンおよび前記第2ゾーン内の前記反応混合物の前記滞留時間が20秒以下であり、かつ前記フロー反応器の前記第3ゾーン内の前記反応混合物の前記滞留時間が1〜5分である請求項8に記載の連続法。
  11. 前記Tおよび前記Tが同じ温度である請求項8に記載の連続法。
  12. 前記酸性還元溶液を前記第1ゾーンの前記上端の前記第1の入口へ連続的に供給し、かつ前記酸性銀塩水溶液を前記角度に配置された前記第2の入口へ連続的に供給する請求項8に記載の連続法。
  13. 前記フロー反応器において、前記内径dが1〜3インチ(2.5〜7.5cm)の範囲であり、前記a/d比が0.2〜0.6の範囲であり、前記D/d比が1.3〜3の範囲であり、前記l/L比が0.2〜0.4の範囲であり、かつ前記Lが4〜10フィート(1.2〜3m)の範囲である請求項8に記載の連続法。
  14. 前記フロー反応器において、前記内径dが1.5インチ(3.8cm)であり、前記a/d比が0.5であり、前記D/d比が1.33であり、前記l/L比が0.33であり、前記Lが6フィート(1.8m)であり、かつ前記角度が45°である請求項13に記載の連続法。
  15. 前記1種以上の粒子改質剤が、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよびこれらの混合物からなる群から選択される第1の表面モルフォロジー調節剤と、アラビアゴム、ゼラチン、ステアリン酸、オレイン酸、ステアリン酸アンモニウムおよび他のステアリン酸塩、ベンゾトリアゾール、ポリナフタレンスルホナートホルムアルデヒド凝縮物の塩、ポロキサマーブロック共重合体、リン酸エステル、分子量範囲が200〜8000のポリエチレングリコール、ならびにこれらの混合物からなる群から選択される第2の表面モルフォロジー調節剤とを含む請求項1に記載の連続法。
  16. 前記1種以上の粒子改質剤が、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよびこれらの混合物からなる群から選択される第1の表面モルフォロジー調節剤と、アラビアゴム、ゼラチン、ステアリン酸、オレイン酸、ステアリン酸アンモニウムおよび他のステアリン酸塩、ベンゾトリアゾール、ポリナフタレンスルホナートホルムアルデヒド凝縮物の塩、ポロキサマーブロック共重合体、リン酸エステル、分子量範囲が200〜8000のポリエチレングリコール、ならびにこれらの混合物からなる群から選択される第2の表面モルフォロジー調節剤とを含む請求項8に記載の連続法。
  17. 前記1種以上の粒子改質剤が、金属コロイドからなる群から選択される粒径調節剤をさらに含む請求項15に記載の連続法。
  18. 前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記第1の表面モルフォロジー調節剤が硫酸カリウムであり、前記第2の表面モルフォロジー調節剤がアラビアゴムであり、かつ前記粒径調節剤が金コロイドである請求項17に記載の連続法。
  19. 前記1種以上の粒子改質剤が、金属コロイドからなる群から選択される粒径調節剤をさらに含む請求項18に記載の連続法。
  20. 前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記第1の表面モルフォロジー調節剤が硫酸カリウムであり、前記第2の表面モルフォロジー調節剤がアラビアゴムであり、かつ前記粒径調節剤が金コロイドである請求項19に記載の連続法。
  21. 前記酸性銀塩水溶液が、ゼラチンと、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロピルアルコールおよびこれらの混合物からなる群から選択されるアルコールをさらに含み、前記1種以上の粒子改質剤が、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤を含む請求項1に記載の連続法。
  22. 前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記アルコールがエタノールであり、かつ前記表面モルフォロジー調節剤が硫酸ナトリウムである請求項20に記載の連続法。
  23. 前記酸性銀塩水溶液が、ゼラチンと、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロピルアルコールおよびこれらの混合物からなる群から選択されるアルコールをさらに含み、前記1種以上の粒子改質剤が、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤を含む請求項8に記載の連続法。
  24. 前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記アルコールがエタノールであり、かつ前記表面モルフォロジー調節剤が硫酸ナトリウムである請求項23に記載の連続法。
  25. 前記粒子改質剤が、クエン酸ナトリウム、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤を含む請求項1に記載の連続法。
  26. 前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、かつ前記表面モルフォロジー調節剤がクエン酸ナトリウムである請求項25に記載の連続法。
  27. 前記粒子改質剤が、クエン酸ナトリウム、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される表面モルフォロジー調節剤を含む請求項8に記載の連続法。
  28. 前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、かつ前記表面モルフォロジー調節剤がクエン酸ナトリウムである請求項27に記載の連続法。
  29. 前記粒子改質剤が、クエン酸ナトリウム、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される第1の表面モルフォロジー調節剤と、水に溶解するとCu2+イオン源となる水溶性銅化合物からなる群から選択される第2の表面モルフォロジー調節剤とを含み、前記温度Tと前記温度Tがそれぞれ10℃〜65℃の範囲である請求項1に記載の連続法。
  30. 前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記第1の表面モルフォロジー調節剤がクエン酸ナトリウムであり、かつ前記第2の表面モルフォロジー調節剤が硝酸銅である請求項29に記載の連続法。
  31. 前記粒子改質剤が、クエン酸ナトリウム、クエン酸およびこれらの混合物からなる群から選択される第1の表面モルフォロジー調節剤と、水に溶解するとCu2+イオン源となる水溶性銅化合物からなる群から選択される第2の表面モルフォロジー調節剤を含み、前記温度Tと前記温度Tがそれぞれ10℃〜65℃の範囲である請求項8に記載の連続法。
  32. 前記水溶性銀塩が硝酸銀であり、前記還元剤がアスコルビン酸であり、前記第1の表面モルフォロジー調節剤がクエン酸ナトリウムであり、かつ前記第2の表面モルフォロジー調節剤が硝酸銅である請求項31に記載の連続法。
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