JP7283703B2 - Method for producing silver nanoparticles with wide particle size distribution and silver nanoparticles - Google Patents
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Description
本発明は、粒度分布が広く、エーテル結合を有する特定のアミノアルコールが保護剤として結合した銀粒子の製造方法及び銀ナノ粒子に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing silver particles having a wide particle size distribution and to which a specific amino alcohol having an ether bond is bound as a protective agent, and silver nanoparticles.
銀ナノ粒子は、金属ナノ粒子の融点降下の性質により、低温でも焼結するため、基板上への電気配線や、パワーデバイス半導体の接合材として利用されている。しかし、銀ナノ粒子は微細であることから凝集しやすく、また融点降下により融着しやすいため、銀ナノ粒子の表面には保護剤と呼ばれる有機物層を存在させている。これらの有機物層は、脂肪酸やアルキルアミン等が用いられることが多いが、特にアルキルアミンまたはアルキルジアミンで被覆された銀ナノ粒子は比較的低温で保護剤が脱離し、低温焼成可能な銀ナノ粒子として知られている(特許文献1~2)。 Silver nanoparticles can be sintered even at low temperatures due to the melting point depression property of metal nanoparticles, so they are used as electrical wiring on substrates and as a bonding material for power device semiconductors. However, since the silver nanoparticles are fine, they tend to agglomerate and to fuse together due to the depression of the melting point. Fatty acids, alkylamines, and the like are often used for these organic layers. Silver nanoparticles coated with alkylamines or alkyldiamines in particular release protective agents at relatively low temperatures and can be baked at low temperatures. (Patent Documents 1 and 2).
このような低温焼成可能な銀ナノ粒子を用いた焼成塗膜を配線などの導電材料としての利用が期待されるが、配線等の導電材料としての信頼性や導電性を担保するために、配線を厚膜にして対応する手法がとられている。そういった厚膜化を目的とするために設計された銀ナノ粒子として、特許文献3では、数nm~数十nm程度の一次粒子径を持った銀ナノ粒子を用いて、5~20μmの導電性銀塗膜が得られる銀塗料組成物(インク)が報告されている。また、特許文献4では、粒径100~200nmの銀粒子を粒子数基準で30%以上含むことにより焼結体とした際に低抵抗化できること、水分を銀化合物100重量部に対して5~100重量部反応系内に含ませることにより、そのような銀粒子を得ることができることが記載されている。
It is expected that the fired coating film using such silver nanoparticles that can be fired at a low temperature can be used as a conductive material such as wiring. is used as a thick film. As silver nanoparticles designed for the purpose of such a thick film, in Patent Document 3, silver nanoparticles having a primary particle diameter of several nanometers to several tens of nanometers are used to achieve a conductivity of 5 to 20 μm. Silver coating compositions (inks) have been reported that provide silver coatings. In addition, in
これらの公知文献では、銀化合物とアミン化合物との錯体形成反応を利用して銀ナノ粒子を作成する。具体的にはシュウ酸銀とアルキルアミンまたはアルキルジアミンを無溶媒下で錯体形成を行う。しかし、無溶媒下で錯体形成すると、流動性がない固体物となり撹拌がしにくく、系の均一性に欠け、局所的に発熱反応を伴ったりするため、品質面・安全面に問題があり、工業的実用化が難しい。そこで、アルコール溶媒中で錯体形成反応を行うことで、錯体反応を促進・補助したり、系内の撹拌性を上げたり、熱分解で急激に発生する炭酸ガスを抑えたり、品質面・安全面を向上された銀ナノ粒子製造方法が報告されている(特許文献5~7)。 In these publications, silver nanoparticles are produced using a complex formation reaction between a silver compound and an amine compound. Specifically, silver oxalate and alkylamine or alkyldiamine are formed into a complex in the absence of a solvent. However, when a complex is formed in the absence of a solvent, it becomes a solid with no fluidity and is difficult to agitate. Industrial practical application is difficult. Therefore, by conducting the complex formation reaction in an alcohol solvent, the complex reaction can be promoted and assisted, the agitation in the system can be improved, the carbon dioxide gas generated rapidly by thermal decomposition can be suppressed, and quality and safety issues can be improved. have been reported (Patent Documents 5 to 7).
また、シュウ酸銀-アルキルアミン錯体を加熱分解する過程で、副生ガス(主に炭酸ガス)が発生して排出される際に、揮発しやすいアルキルアミンも含まれて系外に排出されてしまう問題を回避するため、前記錯体化合物を連続的に反応容器内に導入し、熱分解反応時の副生ガス発生量を制御した製造方法が報告されている(特許文献8)。 In addition, in the process of thermally decomposing the silver oxalate-alkylamine complex, by-product gas (mainly carbon dioxide gas) is generated and discharged. In order to avoid this problem, a production method has been reported in which the complex compound is continuously introduced into a reaction vessel to control the amount of by-product gas generated during the thermal decomposition reaction (Patent Document 8).
しかし、特許文献3には、実施例では8μmに達しない厚さの塗膜しか作成していない。仮に10μm以上の導電性塗膜を作成したたとしても、銀粒子は一次粒子径が数10nmの粒子が主体なので、有機保護剤量も多く、保護剤離脱による体積収縮が生じるため、寸法安定性が低く、クラックによる断線の現象が起こる可能性が高い。 However, in Patent Document 3, only coating films having a thickness of less than 8 μm are formed in Examples. Even if a conductive coating film with a thickness of 10 μm or more is formed, since the primary particle diameter of the silver particles is mainly several tens of nanometers, the amount of the organic protective agent is large, and volumetric shrinkage occurs due to detachment of the protective agent, resulting in dimensional stability. is low, and there is a high possibility that the phenomenon of disconnection due to cracks will occur.
また、特許文献5~8のように副生ガスの量を制御したとしても、最終的に系外へアルキルアミンを含んだ炭酸ガスを排出する事には変わりはない。 Even if the amount of by-product gas is controlled as in Patent Documents 5 to 8, carbon dioxide containing alkylamine is finally discharged out of the system.
本発明は、以上の問題点を解決し、作業性・安全性・環境面等のスケールアップを考慮した銀ナノ粒子の製造方法、及び高分布の粒度分布範囲を持つ銀ナノ粒子の製造方法を提供することを課題とする。 The present invention solves the above problems and provides a method for producing silver nanoparticles in consideration of workability, safety, environmental aspects, etc., and a method for producing silver nanoparticles having a wide particle size distribution range. The task is to provide
これらの課題を解決するため、本発明者は鋭意検討を重ねた。その結果、銀化合物と錯体形成しうるアミン化合物として、エーテル結合を有する特定のアミノアルコールを使用することにより、アルキルアミンの排出が抑えられ、環境にやさしく、しかも同時に、得られる銀粒子は粒径と分布が優れたものであり、得られる焼結塗膜も優れた性能を有することを見出し、本発明に到達した。 In order to solve these problems, the present inventors have made extensive studies. As a result, by using a specific aminoalcohol having an ether bond as the amine compound capable of forming a complex with the silver compound, the emission of alkylamine can be suppressed and the resulting silver particles are environmentally friendly. The present inventors have arrived at the present invention based on the finding that the sintered coating film obtained has an excellent distribution and excellent performance.
すなわち、本発明には、以下の発明が含まれる。
(1) 熱分解性を有する銀化合物(a)と、(a)と錯体形成しうるアミン化合物(b)とを有機溶媒(c)中で反応させて錯体を形成し、得られた錯体を加熱して熱分解させることにより、銀ナノ粒子を形成する銀ナノ粒子の製造方法であって、(b)が、直鎖状のアミノアルコールであり、その直鎖状分子の両末端にアミノ基と水酸基とを1つずつ持ち、直鎖状分子構造内に、エーテル結合を有するアミノアルコールであることを特徴とする銀ナノ粒子の製造方法。
That is, the present invention includes the following inventions.
(1) A thermally decomposable silver compound (a) and an amine compound (b) capable of forming a complex with (a) are reacted in an organic solvent (c) to form a complex, and the resulting complex is A method for producing silver nanoparticles that forms silver nanoparticles by thermal decomposition by heating, wherein (b) is a linear amino alcohol, and amino groups are attached to both ends of the linear molecule. and a hydroxyl group, and an amino alcohol having an ether bond in the linear molecular structure.
(2) (b)が、炭素数4以上であることを特徴とする上記(1)記載の銀ナノ粒子の製造方法。
(3) (b)が、ジグリコールアミンである上記(1)又は(2)記載の銀ナノ粒子の製造方法。
(4) (a)がシュウ酸銀である上記(1)~(3)のいずれかに記載の銀ナノ粒子の製造方法。
(5) (a)と(b)との錯体形成反応時に、銀化合物(a)100重量部に対して5~20重量部の水を存在させることを特徴とする上記(1)~(4)のいずれかに記載の銀ナノ粒子の製造方法。
(6) (b)/[(a)に含まれる銀原子]のモル比が0.7~2.0であることを特徴とする上記(5)記載の銀ナノ粒子の製造方法。
(7) (c)/(a)の重量比が0.8~1.3であることを特徴とする上記(1)~(6)のいずれかに記載の銀ナノ粒子の製造方法。
(2) The method for producing silver nanoparticles according to (1) above, wherein (b) has 4 or more carbon atoms.
(3) The method for producing silver nanoparticles according to (1) or (2) above, wherein (b) is diglycolamine.
(4) The method for producing silver nanoparticles according to any one of (1) to (3) above, wherein (a) is silver oxalate.
(5) The above (1) to (4) characterized in that 5 to 20 parts by weight of water is present with respect to 100 parts by weight of the silver compound (a) during the complex formation reaction between (a) and (b). ) The method for producing silver nanoparticles according to any one of ).
(6) The method for producing silver nanoparticles according to (5) above, wherein the molar ratio of (b)/[silver atoms contained in (a)] is 0.7 to 2.0.
(7) The method for producing silver nanoparticles according to any one of (1) to (6) above, wherein the weight ratio of (c)/(a) is 0.8 to 1.3.
(8) 上記(1)~(7)のいずれかに記載の方法により銀ナノ粒子を作製し、得られた銀ナノ粒子を有機溶媒に分散することを特徴とする、銀ナノ粒子分散体の製造方法。
(9) 上記(1)~(8)のいずれかに記載の方法により銀ナノ粒子を作製し、得られた銀ナノ粒子を有機溶媒に分散し、さらに有機バインダーを添加することを特徴とする、銀塗料組成物の製造方法。
(10) 上記(8)記載の方法により得られた銀ナノ粒子分散体又は上記(9)記載の方法により得られた銀塗料組成物を基板上に塗布し、焼成して銀導電層を形成する工程を含む銀導電材料の製造方法。
(8) A silver nanoparticle dispersion characterized by preparing silver nanoparticles by the method according to any one of (1) to (7) above and dispersing the obtained silver nanoparticles in an organic solvent. Production method.
(9) Silver nanoparticles are prepared by the method described in any one of (1) to (8) above, the obtained silver nanoparticles are dispersed in an organic solvent, and an organic binder is added. , a method for producing a silver paint composition.
(10) The silver nanoparticle dispersion obtained by the method described in (8) above or the silver coating composition obtained by the method described in (9) above is coated on a substrate and baked to form a silver conductive layer. A method for producing a silver conductive material, comprising the step of:
本発明に係る粒径制御された銀粒子を含む銀塗料組成物は、150℃以下の低温領域であっても焼結が可能で、生成する焼結体はバルクの銀に近い低抵抗値を示す。本発明は、スクリーン印刷を代表とする印刷方法により、PETやポリプロピレンなどの比較的耐熱性の低いプラスチック基板上に、数~数10μmの厚膜の銀配線を成形できる材料、または導電性の接合材料やパワーデバイス等の大電流を取り扱う電気機器の接合材として利用が期待できる。 The silver paint composition containing silver particles whose particle size is controlled according to the present invention can be sintered even at a low temperature range of 150° C. or less, and the resulting sintered body has a low resistance value close to that of bulk silver. show. The present invention uses a printing method typified by screen printing, on a plastic substrate with relatively low heat resistance such as PET and polypropylene, a material that can form a silver wiring with a thickness of several to several tens of μm, or a conductive bonding It can be expected to be used as a bonding material for electrical equipment that handles large currents such as materials and power devices.
また、本発明での銀粒子の合成では、使用するアミン化合物量が従来の合成法よりも少ない他、熱分解性を持つ銀化合物と錯形成を起こすアミン化合物として、特定の炭素数4以下のアミノアルコールを用いることにより、人体や環境の負荷の高いアルキルアミンの利用をさらに低減できるので、スケールアップされた工業的な製造において、安全性の高い製造方法が提供される。 In addition, in the synthesis of silver particles according to the present invention, the amount of amine compound used is smaller than that of the conventional synthesis method, and the specific amine compound having 4 or less carbon atoms that forms a complex with the thermally decomposable silver compound is used. The use of aminoalcohol can further reduce the use of alkylamine, which has a high burden on the human body and the environment, and thus provides a production method with high safety in scaled-up industrial production.
本発明は、熱分解性を有する銀化合物(a)と錯体形成するアミン化合物(b)を反応させて銀ナノ粒子を製造する方法において、アミン化合物として、(i)直鎖状構造であって、(ii)アミノ基と水酸基が直鎖状分子の量末端に1つずつ持ち、かつ(iii)直鎖状構造内にエーテル結合を1つ以上有するアミノアルコールを使用することが特徴である。このような特定のアミノアルコールを使用することにより、広分布で比較的大粒径の銀ナノ粒子を容易に得ることができ、特に200~500nmの大粒径領域の銀ナノ粒子を合成しやすく、またアミン化合物全体の使用量を少なくすることができるため環境に優れている。
以下、詳細に説明する。
The present invention provides a method for producing silver nanoparticles by reacting a thermally decomposable silver compound (a) with an amine compound (b) that forms a complex, wherein the amine compound (i) has a linear structure, , (ii) having one amino group and one hydroxyl group at each end of the linear molecule, and (iii) one or more ether bonds in the linear structure. By using such a specific amino alcohol, it is possible to easily obtain silver nanoparticles with a wide distribution and a relatively large particle size, and in particular, it is easy to synthesize silver nanoparticles with a large particle size range of 200 to 500 nm. Also, it is environmentally friendly because the amount of amine compounds used can be reduced.
A detailed description will be given below.
<銀ナノ粒子合成における材料の説明>
〔1.銀化合物(a)の説明〕
本発明の銀粒子の製造方法では、まず、出発原料として熱分解性を有する銀化合物を用いる。熱分解性を有する銀化合物とは、後述する成分(b)と錯体化して、通常の設備で可能な加熱条件下で熱分解する銀化合物をいう。具体的には、シュウ酸銀、硝酸銀、酢酸銀、炭酸銀、酸化銀、亜硝酸銀、安息香酸銀、シアン酸銀、クエン酸銀、乳酸銀等を適応できる。これら銀化合物のうち、特に好ましいのは、炭酸銀又はシュウ酸銀(Ag2C2O4)である。さらに好ましくはシュウ酸銀である。シュウ酸銀は、還元剤を要することなく比較的低温で分解して銀粒子を生成することができる。また、分解により生じる二酸化炭素はガスとして放出されることから、溶液中に不純物を残留させることもないためである。
<Description of materials in synthesis of silver nanoparticles>
[1. Description of silver compound (a)]
In the method for producing silver particles of the present invention, first, a thermally decomposable silver compound is used as a starting material. A thermally decomposable silver compound is a silver compound that forms a complex with the component (b) described later and thermally decomposes under heating conditions that can be carried out in ordinary equipment. Specifically, silver oxalate, silver nitrate, silver acetate, silver carbonate, silver oxide, silver nitrite, silver benzoate, silver cyanate, silver citrate, silver lactate and the like can be applied. Among these silver compounds, silver carbonate or silver oxalate (Ag 2 C 2 O 4 ) is particularly preferred. Silver oxalate is more preferred. Silver oxalate can decompose at relatively low temperatures to produce silver particles without the need for reducing agents. In addition, since carbon dioxide generated by decomposition is released as gas, impurities do not remain in the solution.
〔2.錯体形成するアミン化合物(b)〕
次に、本発明においては、(b)成分として銀化合物と錯体形成しうるアミン化合物を用いる。この化合物は、銀化合物と錯体を形成して銀化合物の熱分解温度を下げ、低温で銀粒子を生成することを可能にする機能を有する。同時に、アミン化合物の有する有機基により、銀粒子の分散安定性の効果を持たせる保護剤の機能を有する。このようなアミン化合物としては、銀化合物と錯体を形成しうるアミン化合物であれば特に限定されない。特に、アミン化合物のアミノ基に結合する水素原子の数は、1つまたは2つ、すなわち、1級アミン(RNH2)、又は2級アミン(R2NH)が好ましい。
[2. Complex-forming amine compound (b)]
Next, in the present invention, an amine compound capable of forming a complex with a silver compound is used as component (b). This compound has the function of forming a complex with a silver compound to lower the thermal decomposition temperature of the silver compound, thereby enabling the production of silver particles at a low temperature. At the same time, the organic group of the amine compound functions as a protective agent that imparts the effect of stabilizing the dispersion of silver particles. Such an amine compound is not particularly limited as long as it is an amine compound capable of forming a complex with a silver compound. In particular, the number of hydrogen atoms bonded to the amino group of the amine compound is preferably 1 or 2, that is, primary amine (RNH 2 ) or secondary amine (R 2 NH).
このように銀化合物と、これと錯体形成しうるアミン化合物から銀粒子を形成すること自体は背景技術として説明したように公知である。そして本発明でも、アミン化合物として公知技術で使用されてきた「脂肪族炭化水素モノアミン」や「脂肪族炭化水素ジアミン」のような脂肪族炭化水素アミン化合物を使用することも差し支えない。「脂肪族炭化水素モノアミン」や「脂肪族炭化水素ジアミン」として具体的には、アルキルアミン、アルコキシアミン、アルキルエーテルアミンが挙げられる。このうちアルキルアミンとしては、n-ブチルアミン、n-ペンチルアミン、n-ヘキシルアミン、n-ヘプチルアミン、n-オクチルアミン、2-エチルヘキシルアミン等が挙げられる。 Formation of silver particles from a silver compound and an amine compound capable of forming a complex with the silver compound is known per se as described in the background art. Also in the present invention, aliphatic hydrocarbon amine compounds such as "aliphatic hydrocarbon monoamines" and "aliphatic hydrocarbon diamines" that have been used in known techniques may be used as amine compounds. Specific examples of "aliphatic hydrocarbon monoamine" and "aliphatic hydrocarbon diamine" include alkylamines, alkoxyamines, and alkyletheramines. Of these, alkylamines include n-butylamine, n-pentylamine, n-hexylamine, n-heptylamine, n-octylamine and 2-ethylhexylamine.
しかし、これらのアミン化合物のうちアルキルアミンは刺激臭が強く、分解反応時に炭酸ガスとともに高温で排出されるリスクがあるので、刺激臭を抑えたい場合には、酸素原子を含むアミン化合物を用いるのが好ましい。具体的には、アルコキシアミン、アルキルエーテルアミン、アミノアルコールである。
本発明者の検討により、これらの酸素原子を含むアミン化合物は、刺激臭が抑えられるだけでなく、そのうち特に以下に説明する特定のアミノアルコールは、得られる銀粒子の物性も優れていることが判明した。
However, among these amine compounds, alkylamines have a strong irritating odor, and there is a risk that they will be discharged at a high temperature together with carbon dioxide gas during the decomposition reaction. is preferred. Specifically, they are alkoxyamines, alkyl ether amines and aminoalcohols.
According to studies by the present inventors, these oxygen-containing amine compounds not only suppress irritating odors, but the specific aminoalcohols described below in particular provide excellent physical properties for the obtained silver particles. found.
[2-1.大粒子径・広分布効果のあるアミノアルコール(b1)]
次に、本発明においては、(b)成分である銀化合物と錯体形成しうるアミン化合物として、以下のものを使用することを特徴とする。すなわち、(i)直鎖状構造であって、(ii)アミノ基と水酸基が直鎖状分子の量末端に1つずつ持ち、かつ(iii)直鎖状構造内にエーテル結合を1つ以上有するアミノアルコール(b1)を使用することが特徴である。これらのアミン化合物は、銀化合物と錯体を形成することにより、銀化合物の熱分解温度を下げ、低温で銀粒子を生成することを可能にする機能を有する。さらに、本発明においては、得られる銀粒子の粒径を容易に大きくかつ広い分布のものとすることを可能にする。すなわち、上記の(b)成分を使用することにより、意外にも、得られる銀ナノ粒子は、粒径が比較的大きく、しかも粒度分布が広いものであることが本発明者らの検討により判明したのである。この大粒径で分布が広い銀ナノ粒子は、後述するように、優れた効果を有するものである。
[2-1. Amino alcohol (b1) with large particle size and wide distribution effect]
Next, the present invention is characterized by using the following as the amine compound capable of forming a complex with the silver compound, which is the component (b). That is, (i) it has a linear structure, (ii) it has one amino group and one hydroxyl group at each end of the linear molecule, and (iii) it has one or more ether bonds in the linear structure. It is characterized by using an amino alcohol (b1) having These amine compounds have the function of lowering the thermal decomposition temperature of the silver compound by forming a complex with the silver compound, making it possible to produce silver particles at a low temperature. Furthermore, in the present invention, the particle size of the silver particles to be obtained can be easily made large and have a wide distribution. That is, by using the above component (b), unexpectedly, the silver nanoparticles obtained have a relatively large particle size and a wide particle size distribution. I did. Silver nanoparticles having a large particle size and a wide distribution have excellent effects as described later.
アミン化合物(b1)のアミノ基の級数は限定されず、1級アミン、2級アミン又は3級アミンのいずれも使用できるが、特に1級又は2級が錯体を形成しやすいので好ましい。
このアミン化合物(b1)は、(i)直鎖状構造を有する。ここで「直鎖状」とは、アミン化合物を構成する炭素原子とヘテロ原子とが、直鎖状につながっていて分岐を有さないことをいう。この炭素原子とヘテロ原子の直鎖状構造の両末端にそれぞれ、(ii)アミノ基と水酸基とを有している。そして直鎖状構造内に(iii)1つ以上のエーテル結合を有している。エーテル結合の数は1つ以上であれば限定されない。
これら(i)~(iii)の特徴を有することにより、後述するメカニズムにより上述した優れた効果が得られていると考えられる。
The class of the amino group of the amine compound (b1) is not limited, and any of primary amine, secondary amine and tertiary amine can be used, but primary or secondary amines are particularly preferred because they readily form complexes.
This amine compound (b1) has (i) a linear structure. Here, the term "straight-chain" means that the carbon atoms and heteroatoms constituting the amine compound are connected in a straight chain and have no branch. Both ends of this linear structure of carbon atoms and heteroatoms have (ii) an amino group and a hydroxyl group, respectively. It has (iii) one or more ether bonds in the linear structure. The number of ether bonds is not limited as long as it is one or more.
By having these characteristics (i) to (iii), it is considered that the excellent effects described above are obtained by the mechanism described later.
(b1)成分のアミノアルコールの炭素数は限定されないが、 炭素数4以上が好ましい。通常、炭素数4~7である。この範囲で前述した優れた効果が最も優れている。すなわち、得られる銀粒子の粒径が大きくかつ粒度分布が広くなる。おそらく、炭素数4以上の場合に、後述するメカニズムにおける2つの配位結合モデル間の、立体障害における排除体積の差が大きくなるため、粒子が大きく成長し、かつ粒度分布が広くなると推測される。 Although the number of carbon atoms in the aminoalcohol of component (b1) is not limited, it preferably has 4 or more carbon atoms. It usually has 4 to 7 carbon atoms. Within this range, the excellent effects described above are most excellent. That is, the resulting silver particles have a large particle size and a wide particle size distribution. Presumably, when the number of carbon atoms is 4 or more, the difference in excluded volume due to steric hindrance between the two coordination bond models in the mechanism described later becomes large, so it is speculated that the particles grow large and the particle size distribution widens. .
以上の条件を満たすアミノアルコールとしては、例えば、ジグリコールアミン、3-(3-アミノプロポキシ)プロパノール、2-[2-(3-アミノプロポキシ)エトキシ]エタノールが挙げられる。好ましくは、ジグリコールアミンである。従来の脂肪族炭化水素アミン化合物のような強い刺激臭もなく、取り扱う上でも安全面で有利である。なお、以上の(b1)成分は、1種のみを用いても、2種以上混合して用いてもよい。 Examples of amino alcohols satisfying the above conditions include diglycolamine, 3-(3-aminopropoxy)propanol, and 2-[2-(3-aminopropoxy)ethoxy]ethanol. Diglycolamine is preferred. It does not have a strong irritating odor like conventional aliphatic hydrocarbon amine compounds, and is advantageous in terms of safety in handling. In addition, the above (b1) component may be used alone or in combination of two or more.
[2-1.(b1)成分添加による大粒子径銀粒子生成メカニズム]
以上説明した(b1)成分を銀化合物と錯体形成するアミン化合物を用いることにより、大粒径で分布の広い銀ナノ粒子を得ることのできるメカニズムは完全には明らかではない。しかし、本発明者は以下のように推測している。
アミン化合物と銀化合物の錯体形成は、アミン化合物のアミノ基の非共有電子対が、銀原子の空軌道に配位して形成される。アミン化合物中の水酸基についても、アミノ基と同様に極性がありマイナスに帯電していることから、銀原子へ接近しやすい挙動を示すと考えられる。この性質を踏まえ、(b1)成分である特定のアミノアルコールの銀原子の配位結合状態について、以下のモデルが考えられる。i)アミノ基が銀原子へ配位し、アルキル鎖が外側(分散媒側)へ直線状に配向するモデル(図1-1)、ii)アミノ基が銀原子へ配位し、水酸基や構造中のエーテル結合部分の酸素原子も銀原子側へ近づき安定化するモデル(図1-2)である。この2つの配位結合モデルが存在するために、銀原子周辺でのアミン化合物による立体障害が一様ではない。このため、出来上がる粒子径にバラつきが生まれ、大粒子径から小粒子径まで幅広く形成されると考えられる。
[2-1. (b1) Mechanism of Large Particle Size Silver Particle Generation by Addition of Component]
The mechanism by which silver nanoparticles having a large particle size and a wide distribution can be obtained by using the amine compound that forms a complex with the silver compound as the component (b1) described above is not completely clear. However, the present inventor presumes as follows.
A complex of an amine compound and a silver compound is formed by coordinating a lone pair of electrons of an amino group of the amine compound to a vacant orbital of a silver atom. Similar to the amino group, the hydroxyl group in the amine compound is also polar and negatively charged. Based on this property, the following model can be considered for the coordination bond state of the silver atoms of the specific aminoalcohol that is the component (b1). i) A model in which the amino group is coordinated to the silver atom and the alkyl chain is oriented linearly to the outside (dispersion medium side) (Fig. 1-1), ii) The amino group is coordinated to the silver atom, and the hydroxyl group and structure In this model (Fig. 1-2), the oxygen atoms of the ether-bonded portion in the middle are also brought closer to the silver atom side and stabilized. Due to the existence of these two coordination bond models, the steric hindrance caused by the amine compound around the silver atom is not uniform. For this reason, it is considered that the produced particle size varies, and a wide range of particle sizes from large to small are formed.
これに対し、従来用いられてきたアルキルアミンについては、アミノ基部分しか電子供与性がないので、直線状にしか配向しないので、図1-3のようになる。したがって、粒子のばらつきは生まれにくい。粒子の揃った銀粒子しか合成できないのはこのためであると考えられる。 On the other hand, regarding alkylamines that have been conventionally used, only the amino group portion has electron-donating properties, so that the molecules are oriented only linearly, as shown in FIG. 1-3. Therefore, it is difficult for particles to vary. It is believed that this is the reason why only uniform silver particles can be synthesized.
〔3.錯形成を促進させるアミノアルコール(b2)〕
本発明では、(b1)成分と併用して、酸素原子を含むアミン化合物、特に炭素数3~4のアミノアルコール(b2)を用いることができる。(b2)成分は、粒子径を大きく、かつ粒度分布を広くする効果を一層上げることができるので好ましい。
さらに好ましくは、(i)炭素数3~4の分岐型1級アミノアルコールであって、(ii)アミノ基と水酸基とを1つずつ持ち、かつ(iii)炭素数2のアルキル鎖を介して、アミノ基と水酸基が結合されているもの、またはiv)炭素数3の直鎖状2級アミノアルコールである。このような特定のアミノアルコールを用いることにより、特に得られる銀粒子の粒径を容易に大きくかつ広い分布のものとすることを可能にする。
ここで、(i)「分岐型」とは、炭素原子とヘテロ原子とからなる骨格が直線状ではなく枝分かれしていることをいう。また(ii)アミノ基と水酸基とを1つずつ持つものであれば、その数は限定されないが、通常は各々1つずつが好ましい。(iii)「炭素数2のアルキル鎖を介して、アミノ基と水酸基が結合されている」とは、炭素原子とヘテロ原子とからなる骨格中、隣り合った2つの炭素原子に各々、アミノ基と水酸基とが結合していることをいう。
この条件を満たすアミノアルコール(b2)を併用することにより、アミン化合物(b1)のみを使用した場合と比べて、銀化合物との錯体反応をより促進させることができ、かつ一層大粒径で分布の広い粒子を得ることができる。
[3. Amino alcohol (b2) that promotes complex formation]
In the present invention, an oxygen atom-containing amine compound, particularly an aminoalcohol having 3 to 4 carbon atoms (b2) can be used in combination with component (b1). Component (b2) is preferable because it can further increase the effect of increasing the particle size and widening the particle size distribution.
More preferably, (i) a branched primary amino alcohol having 3 to 4 carbon atoms, (ii) having one amino group and one hydroxyl group, and (iii) via an alkyl chain having 2 carbon atoms, , in which an amino group and a hydroxyl group are bonded, or iv) a linear secondary amino alcohol having 3 carbon atoms. By using such a specific aminoalcohol, it is possible to easily obtain silver particles having a large particle size and a wide distribution.
Here, (i) "branched type" means that the skeleton composed of carbon atoms and heteroatoms is not linear but branched. (ii) The number is not limited as long as it has one amino group and one hydroxyl group, but usually one each is preferable. (iii) "An amino group and a hydroxyl group are bonded via an alkyl chain having 2 carbon atoms" means that two adjacent carbon atoms in a skeleton consisting of a carbon atom and a heteroatom each have an amino group and hydroxyl groups are bonded.
By using the amino alcohol (b2) satisfying this condition, the complex reaction with the silver compound can be promoted and the particle size distribution is much larger than when the amine compound (b1) is used alone. wide grains can be obtained.
以上の条件を満たす炭素数4以下のアミノアルコールとしては、(i)~(iii)を満たすアミノアルコールとして、1-アミノ-2-ブタノール、DL-1-アミノ-2-プロパノール、2-アミノ-2-メチル-1-プロパノール(以下、AMP)、DL-2-アミノ-1-プロパノール、が挙げられる。また、(iv)を満たすアミノアルコールとして、N-メチルエタノールアミン、が挙げられる。 Examples of amino alcohols having 4 or less carbon atoms satisfying the above conditions include 1-amino-2-butanol, DL-1-amino-2-propanol, and 2-amino-, as amino alcohols satisfying (i) to (iii). 2-methyl-1-propanol (hereinafter referred to as AMP) and DL-2-amino-1-propanol. In addition, N-methylethanolamine can be mentioned as an aminoalcohol that satisfies (iv).
これらのうち特に、(i)~(iii)を満たすアミノアルコールであるAMP、1-アミノ-2-ブタノール、DL-1-アミノ-2-プロパノール、及びDL-2-アミノ-1-プロパノールがが扱いやすく、アルコール溶媒のような極性溶媒存在下での錯形成が容易に起こり、かつ大粒径かつ広い粒度分布の銀粒子を容易に得ることができるので最も好ましい。これらのうちでも特に、AMPが最も以上の効果が高く優れている。
なお、以上の(b2)成分は、1種のみを用いても、2種以上混合して用いてもよい。
Among these, AMP, 1-amino-2-butanol, DL-1-amino-2-propanol, and DL-2-amino-1-propanol, which are amino alcohols satisfying (i) to (iii), are particularly It is most preferable because it is easy to handle, complex formation easily occurs in the presence of a polar solvent such as an alcohol solvent, and silver particles having a large particle size and a wide particle size distribution can be easily obtained. Among these, AMP is particularly excellent because it has the highest effect.
In addition, the above (b2) component may be used alone or in combination of two or more.
〔4.立体障害による分散安定化効果を持つアミン化合物(b3)〕
本発明ではさらに、(a)と(b)の錯体形成時に、以上説明した(b1)(b2)成分以外のアミン化合物を存在させることができる。
この成分は、立体障害効果により、銀粒子の分散安定性の効果を持たせる機能を有する。
(b1)(b2)成分以外のアミン化合物として、特に分子の長さが5Å以上のものが好ましい。すなわち、分子の長さが5Å以上であって、前述した(b1)及び(b2)の各要件にあてはまらないアミン化合物である。
ここで、分子の長さとは、水素原子を含まない最も距離の長い2原子の距離である。この分子の長さは計算により求めることができる。計算条件は、密度汎関数法、関数 ωB97X-D、基底関数 6-31+G*、環境 真空中 エネルギー状態 基底状態、で、SPARTAN`16V1,1,0 など各種の分子計算ソフトウェアで計算できる。
分子の長さは好ましくは7Å以上である。もっとも、あまり長いと沸点が高くなり、除去することが難しくなるので、好ましくは、8Å以下である。
[4. Amine compound (b3) having a dispersion stabilizing effect due to steric hindrance]
In the present invention, an amine compound other than the components (b1) and (b2) described above can be present during the complex formation of (a) and (b).
This component has a function of imparting an effect of stabilizing the dispersion of silver particles by a steric hindrance effect.
As the amine compounds other than the components (b1) and (b2), those having a molecular length of 5 Å or more are particularly preferred. That is, the amine compound has a molecular length of 5 Å or more and does not meet the above requirements (b1) and (b2).
Here, the molecular length is the longest distance between two atoms that do not contain a hydrogen atom. The length of this molecule can be obtained by calculation. The calculation conditions are density functional theory, function ωB97X-D, basis function 6-31+G*, environment in vacuum, energy state ground state, and can be calculated with various molecular calculation software such as SPARTAN`16V1,1,0.
The molecular length is preferably greater than or equal to 7 Å. However, if it is too long, the boiling point becomes high and it becomes difficult to remove, so the thickness is preferably 8 Å or less.
特に、アミノ基を含めて7原子以上で構成された主鎖(主骨格)を持つアミン化合物が好ましい。
中でも、アミン化合物を構成する原子が、N、C及びHであるもの、又はN、C、H及びOであるものが好ましい。
アミン化合物のアミノ基に結合する炭化水素基の数は限定されないが、1つまたは2つである1級アミン又は2級アミンが特に銀と配位結合しやすいので好ましい。
このような(b3)成分としては、例えば炭素総数4以上の脂肪族炭化水素モノアミンが挙げられる。
In particular, an amine compound having a main chain (main skeleton) composed of 7 or more atoms including an amino group is preferred.
Among them, those in which the atoms constituting the amine compound are N, C and H, or those in which N, C, H and O are preferred.
Although the number of hydrocarbon groups bonded to the amino group of the amine compound is not limited, one or two primary amines or secondary amines are preferable because they are particularly easy to coordinate with silver.
Examples of such component (b3) include aliphatic hydrocarbon monoamines having 4 or more carbon atoms in total.
炭素数4以上の脂肪族炭化水素モノアミンは、従来技術で説明した銀化合物と錯体を形成して銀ナノ粒子を形成する方法で多く用いられているものである。しかし、炭素数4以上の脂肪族炭化水素モノアミンは、刺激臭が強く、分解反応時に炭酸ガスと共に高温で排出されるリスクがあるので、他のアミン化合物を用いても良い。具体的には、炭素数4以上の、酸素原子を含むアミン化合物(アルコキシアミン、アルキルエーテルアミン、アミノアルコール)であって、(b2)成分として前述した(i)~(iii)又は(iv)にあたらないものである。 Aliphatic hydrocarbon monoamines having 4 or more carbon atoms are often used in the method of forming silver nanoparticles by forming a complex with a silver compound as described in the prior art. However, aliphatic hydrocarbon monoamines having 4 or more carbon atoms have a strong irritating odor, and there is a risk that they will be discharged at high temperature together with carbon dioxide gas during the decomposition reaction, so other amine compounds may be used. Specifically, amine compounds containing oxygen atoms (alkoxyamines, alkyl ether amines, amino alcohols) having 4 or more carbon atoms and containing (i) to (iii) or (iv) described above as component (b2) It does not correspond to
以上の(b3)成分の具体例として、アルキルアミンとしては、n-ブチルアミン、n-ペンチルアミン、n-ヘキシルアミン、n-ヘプチルアミン、n-オクチルアミン、2-エチルヘキシルアミン等が挙げられる。アルコキシアミンとしては、3-メトキシプロピルアミン、3-エトキシプロピルアミン等が挙げられる。アルキルエーテルアミンとしては、HUNTSMAN製JEFFAMINEのMシリーズ、M-600、M-1000、M-2005、M-2070等が挙げられる。アミノアルコールとしては、4-アミノ-1-ブタノール、5-アミノ-1-ペンタノール、6-アミノ-1-ヘキサノール等が挙げられる。 Specific examples of the above component (b3) include alkylamines such as n-butylamine, n-pentylamine, n-hexylamine, n-heptylamine, n-octylamine and 2-ethylhexylamine. Alkoxyamines include 3-methoxypropylamine, 3-ethoxypropylamine and the like. Examples of alkyl ether amine include JEFFAMINE M series, M-600, M-1000, M-2005, M-2070 manufactured by HUNTSMAN. Amino alcohols include 4-amino-1-butanol, 5-amino-1-pentanol, 6-amino-1-hexanol and the like.
より好適な具体例としては、アルキルアミンとしては、n-ペンチルアミン、n-ヘキシルアミン、n-ヘプチルアミン、n-オクチルアミン、2-エチルヘキシルアミン等が挙げられる。アルコキシアミンとしては、3-メトキシプロピルアミン、3-エトキシプロピルアミン等が挙げられる。アミノアルコールとしては、5-アミノ-1-ペンタノール、6-アミノ-1-ヘキサノール等が挙げられる。
以上の(b3)成分は、1種類もしくは2種類以上併用しても可能である。
More preferred examples of alkylamine include n-pentylamine, n-hexylamine, n-heptylamine, n-octylamine, 2-ethylhexylamine and the like. Alkoxyamines include 3-methoxypropylamine, 3-ethoxypropylamine and the like. Amino alcohols include 5-amino-1-pentanol, 6-amino-1-hexanol and the like.
The above component (b3) can be used singly or in combination of two or more.
(3-1.アミン化合物内でのモル比率 (b2)/(b))
(b2)/(b)は、好ましくは0.3~0.8(モル比)、好ましくは0.4~0.8である。この範囲は、大粒子で高分布を持つ銀ナノ粒子を製造するのに、最も適している。前記モル比率が、0.3よりも小さくなると、分子の長さが長いアミン化合物の添加量が多くなり、粒子が全体に小さくなり、粒度分布も狭くなる傾向があり好ましくない。また、前記モル比率が0.8より大きくなると、保護剤としての立体障害効果が弱くなり、合成時に銀粒子の融着が起こるリスクが高くなる。
(3-1. Molar ratio in amine compound (b2)/(b))
(b2)/(b) is preferably 0.3 to 0.8 (molar ratio), preferably 0.4 to 0.8. This range is most suitable for producing silver nanoparticles with large size and high distribution. If the molar ratio is less than 0.3, the amount of the amine compound having a long molecular length increases, and the particles tend to be small overall and the particle size distribution tends to be narrow, which is not preferred. On the other hand, if the molar ratio is more than 0.8, the steric hindrance effect as a protective agent is weakened, increasing the risk of fusion of silver particles during synthesis.
(3-2.アミン化合物(b)とシュウ酸銀(a)の比率・添加量について)
銀化合物の銀原子とアミン化合物(b)との混合量について、そのモル比(アミン化合物/銀化合物の銀原子)が、0.7~2.0 となるようにしてアミン化合物(b)の量を調整するのが望ましい。そうすることにより、粒径にばらつきが生まれ、目的の粒径範囲の銀粒子を得ることが容易である。より好ましくは0.7~1.5、さらに好ましくは0.7~1.3もっとも好ましくは0.7~1.3である。
(3-2. Ratio and amount of addition of amine compound (b) and silver oxalate (a))
Regarding the mixing amount of the silver atoms of the silver compound and the amine compound (b), the molar ratio (amine compound/silver atoms of the silver compound) is 0.7 to 2.0. It is desirable to adjust the amount. By doing so, variation in particle size is generated, and it is easy to obtain silver particles having a desired particle size range. More preferably 0.7 to 1.5, still more preferably 0.7 to 1.3, and most preferably 0.7 to 1.3.
前述した従来の各種の合成方法(特許文献1~8)においては、アミン化合物/銀化合物の銀原子のモル比が2.0以上である。これに対して本発明では、より少ないアミン量で銀粒子を得ることができるので、アミン排出量も少なくて済む。したがって、アミンの系外放出による人体や環境負荷のリスクを軽減できる。また同時に、このような従来の方法では、粒子径も小さく、分布の狭い粒子が合成されやすくなってしまうのに対し、本発明においては、分布が広く大粒径の銀粒子を得ることができ、最終的に低温焼結性に優れ、低抵抗な厚膜導電焼結体が得ることができるのである。
他方、モル比が0.7を下回ると、扁平状の粒子ができやすく凝集しやすいため、銀塗料組成物の分散安定性が低くなる。
In the various conventional synthesis methods described above (Patent Documents 1 to 8), the molar ratio of silver atoms in the amine compound/silver compound is 2.0 or more. In contrast, in the present invention, silver particles can be obtained with a smaller amount of amine, so the amount of amine discharged can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the risk to the human body and the environment caused by the release of the amine to the outside of the system. At the same time, the conventional method tends to synthesize silver particles with a small particle size and a narrow distribution, whereas in the present invention, silver particles with a wide distribution and a large particle size can be obtained. Finally, a thick-film conductive sintered body having excellent low-temperature sinterability and low resistance can be obtained.
On the other hand, if the molar ratio is less than 0.7, flat particles are likely to be formed and aggregate, resulting in low dispersion stability of the silver coating composition.
〔4.有機溶媒(c)の説明〕
本発明は、以上説明した銀化合物とアミン化合物の錯体形成反応を、有機溶媒の存在下で行うのが望ましい。
これらの有機溶媒の極性をコントロールすることで、銀ナノ粒子の粒子径もコントロールできるファクターの1つである。例えば、溶媒の極性を低くすることで、(b)または(d)のアミン化合物が銀原子側に近づきやすくなるので、合成される銀ナノ粒子のサイズは小さくなりやすい傾向を持つ。本発明では、極性の官能基を持っている溶媒が好ましく、具体的には、アルコール系溶媒、ケトン系溶媒、アルデヒド系溶媒、アミド系溶媒、エスエル系溶媒、ニトリル系溶媒が好ましい。特にアルコール系溶媒が好ましく、中でも炭素数3~12のアルコールが好ましい。例えば、n-プロパノール(沸点bp:97℃)、イソプロパノール(bp:82℃)、n-ブタノール(bp:117℃)、イソブタノール(bp:107.89℃)、sec-ブタノール(bp:99.5℃)、tert-ブタノール(bp:82.45℃)、n-ペンタノール(bp:136℃)、n-ヘキサノール(bp:156℃)、n-オクタノール(bp:194℃)、2-オクタノール(bp:174℃)、n-ノナノール(bp:215℃)、5-ノナノール(bp:195℃)、n-デカノール(bp:232.9℃)、n-ウンデカノール(bp:243℃)、2-ウンデカノール(bp:131℃)、n-ドデカノール(bp:259℃)、2-ドデカノール(bp:250℃)等が挙げられる。
これらの中でも、後に行われる錯化合物の熱分解工程の温度を高くできること、銀ナノ粒子の形成後の後処理での利便性を考慮して、n-ブタノール、n-ヘキサノール、n-デカノールが好ましい。これら単独で用いても良いし、2種類以上混同して用いてもよい。
[4. Description of organic solvent (c)]
In the present invention, the complex formation reaction between the silver compound and the amine compound described above is desirably carried out in the presence of an organic solvent.
Controlling the polarity of these organic solvents is one of the factors that can control the particle size of the silver nanoparticles. For example, by lowering the polarity of the solvent, the amine compound (b) or (d) is more likely to approach the silver atom side, so the size of the synthesized silver nanoparticles tends to be smaller. In the present invention, solvents having a polar functional group are preferred, and specifically, alcohol solvents, ketone solvents, aldehyde solvents, amide solvents, ester solvents, and nitrile solvents are preferred. Alcohol solvents are particularly preferred, and alcohols having 3 to 12 carbon atoms are particularly preferred. For example, n-propanol (boiling point bp: 97°C), isopropanol (bp: 82°C), n-butanol (bp: 117°C), isobutanol (bp: 107.89°C), sec-butanol (bp: 99.0°C). 5 ° C.), tert-butanol (bp: 82.45 ° C.), n-pentanol (bp: 136 ° C.), n-hexanol (bp: 156 ° C.), n-octanol (bp: 194 ° C.), 2-octanol (bp: 174°C), n-nonanol (bp: 215°C), 5-nonanol (bp: 195°C), n-decanol (bp: 232.9°C), n-undecanol (bp: 243°C), 2 -undecanol (bp: 131°C), n-dodecanol (bp: 259°C), 2-dodecanol (bp: 250°C), and the like.
Among these, n-butanol, n-hexanol, and n-decanol are preferable in consideration of the fact that the temperature of the thermal decomposition step of the complex compound that is performed later can be increased and the convenience of post-treatment after the formation of silver nanoparticles is taken into account. . These may be used alone, or two or more of them may be mixed and used.
(4-1.有機溶媒の添加量について)
また、有機溶媒は、各成分の十分な撹拌操作のため、前記銀化合物(a)100重量部に対し、80~130重量部(すなわち有機溶媒(c)と銀化合物(a)との重量比(c)/(a))が0.8~1.3となるように有機溶媒を混合したものが好ましい。さらに好ましくは銀化合物100重量部に対し80~125重量部である。
(4-1. Regarding the amount of organic solvent added)
In order to sufficiently stir each component, the organic solvent should be 80 to 130 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the silver compound (a) (that is, the weight ratio of the organic solvent (c) to the silver compound (a) It is preferable to mix an organic solvent such that (c)/(a)) is 0.8 to 1.3. More preferably, it is 80 to 125 parts by weight per 100 parts by weight of the silver compound.
(4-2.有機溶媒の添加方法について)
本発明において、アミン化合物(b)または(d)と銀化合物(a)とを銀化合物とアミン化合物の錯体形成反応を、有機溶媒の存在下で行うには、いくつかの形態をとり得る。
例えば、固体の銀化合物と有機溶媒特にアルコール溶媒とを混合して、銀化合物―アルコールスラリーを得て、次に得られた銀化合物-アルコールスラリーに、アミン化合物(b)または(d)を添加してもよい。本発明においてスラリーとは、固体の銀化合物が有機溶媒または有機溶媒とアミン化合物との混液中に分散されている混合物を表している。スラリーを得るには、反応容器に、固体の銀化合物を仕込み、それに有機溶媒または有機溶媒とアミン化合物との混液を添加しスラリーを得ると良い。
(4-2. Method for adding organic solvent)
In the present invention, the complex formation reaction between the amine compound (b) or (d) and the silver compound (a) can be carried out in the presence of an organic solvent in several ways.
For example, a solid silver compound and an organic solvent, especially an alcohol solvent are mixed to obtain a silver compound-alcohol slurry, and then the amine compound (b) or (d) is added to the obtained silver compound-alcohol slurry. You may In the present invention, the slurry represents a mixture in which a solid silver compound is dispersed in an organic solvent or a mixture of an organic solvent and an amine compound. In order to obtain a slurry, it is preferable to charge a reaction vessel with a solid silver compound and then add an organic solvent or a mixture of an organic solvent and an amine compound to obtain a slurry.
あるいは、有機溶媒とアミン化合物との混液を反応容器に仕込み、それに銀化合物を添加しても良い。
尚、シュウ酸銀については、乾燥状態において爆発性があることが報告されている。したがって、銀化合物としてシュウ酸銀を用いる場合には、湿潤状態にしたものを利用するのが好ましい。湿潤状態にすることで爆発性が著しく低下し、取扱い性が容易になるためである。そこで、水又は前述した有機溶媒を混合して湿潤状態にして用いればよい。
Alternatively, a mixed solution of an organic solvent and an amine compound may be charged into a reaction vessel and a silver compound added thereto.
Silver oxalate has been reported to be explosive in a dry state. Therefore, when silver oxalate is used as a silver compound, it is preferable to use it in a wet state. This is because the wet state significantly lowers the explosiveness and facilitates handling. Therefore, water or the above-described organic solvent may be mixed and used in a wet state.
〔5.脂肪族カルボン酸について〕
また、粒子径、粒度分布の調整のために、錯形成時に脂肪族カルボン酸を用いてもよい。脂肪族カルボン酸を添加することで、粒子径は小さく、粒度分布は狭くなる傾向にある。水分量と適宜調整し、利用することが望ましい。前記脂肪族カルボン酸は前記アミン類と共に用いるとよく、銀化合物とアミンを混合させる際に添加して用いることもできる。前記脂肪族カルボン酸としては、飽和又は不飽和の脂肪族カルボン酸が用いられる。例えば、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナデカン酸、イコサン酸、エイコセン酸等の炭素数4以上の飽和脂肪族モノカルボン酸; オレイン酸、エライジン酸、リノール酸、パルミトレイン酸等の炭素数8以上の不飽和脂肪族モノカルボン酸が挙げられる。
[5. About aliphatic carboxylic acid]
Also, an aliphatic carboxylic acid may be used during complex formation to adjust the particle size and particle size distribution. Addition of an aliphatic carboxylic acid tends to reduce the particle size and narrow the particle size distribution. It is desirable to adjust the amount of water and use it appropriately. The above-mentioned aliphatic carboxylic acid is preferably used together with the above-mentioned amines, and can also be used by adding when mixing the silver compound and the amine. A saturated or unsaturated aliphatic carboxylic acid is used as the aliphatic carboxylic acid. For example, butanoic acid, pentanoic acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, undecanoic acid, dodecanoic acid, tridecanoic acid, tetradecanoic acid, pentadecanoic acid, hexadecanoic acid, heptadecanoic acid, octadecanoic acid, nonadecanoic acid, saturated aliphatic monocarboxylic acids having 4 or more carbon atoms such as icosanoic acid and eicosenoic acid; and unsaturated aliphatic monocarboxylic acids having 8 or more carbon atoms such as oleic acid, elaidic acid, linoleic acid and palmitoleic acid.
これらの内でも、炭素数8~18の飽和又は不飽和の脂肪族モノカルボンが好ましい。炭素数8以上とすることにより、カルボン酸基が銀粒子表面に吸着した際に他の銀粒子との間隔を確保できるため、銀粒子同士の凝集を防ぐ作用が向上する。入手のし易さ、焼成時の除去のし易さ等を考慮して、通常、炭素数18までの飽和又は不飽和の脂肪族モノカルボン酸化合物が好ましい。特に、オクタン酸、オレイン酸等が好ましく用いられる。前記脂肪族カルボン酸のうち、1種のみを用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Among these, saturated or unsaturated aliphatic monocarboxylic acids having 8 to 18 carbon atoms are preferred. By setting the number of carbon atoms to 8 or more, it is possible to secure a space between the carboxylic acid group and other silver particles when the carboxylic acid group is adsorbed on the surface of the silver particles, thereby improving the effect of preventing aggregation of the silver particles. Saturated or unsaturated aliphatic monocarboxylic acid compounds having up to 18 carbon atoms are generally preferred in consideration of availability, ease of removal during firing, and the like. In particular, octanoic acid, oleic acid and the like are preferably used. Among the aliphatic carboxylic acids, only one type may be used, or two or more types may be used in combination.
(5-2.脂肪族カルボン酸の添加量について)
前記脂肪族カルボン酸は、用いる場合には、原料の前記銀化合物の銀原子1モルに対して、例えば0.05~10モル程度用いるとよく、好ましくは0.1~5モル、より好ましくは0.5~2モル用いるとよい。前記脂肪族カルボン酸の量が、前記銀原子1モルに対して、0.05モルよりも少ないと、前記脂肪族カルボン酸の添加による粒子径制御の効果が弱い。一方、前記脂肪族カルボン酸の量が10モルに達すると、粒子径が小さく揃いすぎる可能性もあるし、洗浄もしくは、表面保護剤置換工程においても、残存する可能性があるので、低温焼成での該脂肪族カルボン酸の除去がされにくくなる。ただし、脂肪族カルボン酸を用いなくてもよい。
(5-2. Addition amount of aliphatic carboxylic acid)
When the aliphatic carboxylic acid is used, it is preferably used in an amount of, for example, about 0.05 to 10 mol, preferably 0.1 to 5 mol, more preferably 0.1 to 5 mol, per 1 mol of the silver atom of the raw silver compound. It is preferable to use 0.5 to 2 mol. If the amount of the aliphatic carboxylic acid is less than 0.05 mol with respect to 1 mol of the silver atom, the effect of controlling the particle size by adding the aliphatic carboxylic acid is weak. On the other hand, when the amount of the aliphatic carboxylic acid reaches 10 mol, the particle size may be too small and may remain even in the washing or surface protective agent replacement step, so low-temperature firing is necessary. of the aliphatic carboxylic acid becomes difficult to remove. However, the aliphatic carboxylic acid may not be used.
〔6.水・水分量の説明〕
本発明では、(b1)成分のアミン化合物とともに、水を用いてもよい。反応系の水分含有量は、銀化合物100重量部に対して5~20重量部以下の範囲内とするのが好適である。特に好ましくは15重量部以下である。水分含有量については、錯形成に使用するアミン化合物の種類にもよるが、水分含有量が少ないと、得られる銀粒子の粒度分布が揃い、焼結体の空隙が生まれ、本発明で期待される効果が発現しにくいことがある。一方、銀化合物に対して20重量部を超える水分含有量の場合、銀粒子が粗大になりすぎ、粒子が焼結・合一する部分が生まれ、好ましくない。使用する水に関しては、金属イオン不純物を低減したイオン交換水が好ましい。水を添加するタイミングについては、加熱工程の前であればよく、銀-アミン錯体の形成前、あるいは錯体形成後の、いずれの段階で添加してもよい。
また、前述した有機溶媒(c)と水との比率は、水/有機溶媒の重量比が0.03~0.3が好ましい。より好ましくは0.1~0.25である。この範囲で特に、本発明の効果を得るのが容易である。
[6. Description of water/moisture content]
In the present invention, water may be used together with the amine compound as component (b1). The water content of the reaction system is preferably in the range of 5 to 20 parts by weight per 100 parts by weight of the silver compound. Particularly preferably, it is 15 parts by weight or less. Regarding the water content, it depends on the type of amine compound used for complex formation. It may be difficult to achieve the desired effect. On the other hand, if the water content exceeds 20 parts by weight with respect to the silver compound, the silver particles become too coarse, and there are portions where the particles are sintered and coalesced, which is not preferable. As for the water to be used, ion-exchanged water with reduced metal ion impurities is preferable. The timing of adding water may be before the heating step, and may be added at any stage before or after the formation of the silver-amine complex.
As for the ratio between the organic solvent (c) and water, the water/organic solvent weight ratio is preferably 0.03 to 0.3. It is more preferably 0.1 to 0.25. Within this range, it is particularly easy to obtain the effects of the present invention.
(6-1.水添加することにおける高分布銀粒子生成のメカニズムについて)
後述する熱分解による銀粒子形成の反応中、水を存在させることにより、形成される銀ナノ粒子の粒径に特にバラつきが生じ、高分布な銀粒子が得られる。そのメカニズムについては、不明な部分もあるが、水が銀化合物、特にシュウ酸銀に近づき、銀アミン錯体形成または、加熱分解する際に、アミン化合物が銀原子へ吸着するのを阻害し、阻害された部分が粒子成長すると考えられる。さらに、この水分子のシュウ酸銀への吸着量も偏りがある(局在化している)ことから、粒径に適度なバラつきが生じると考える。このための適切な量が、銀化合物100重量部に対して5重量部以上である。逆に、銀化合物100重量部に対して20重量部よりも多い量の水を添加すると、銀粒子自体が肥大化し、隣の粒子とも焼結・合一を起こしてしまうことがある。これは、水がアミンの銀原子の吸着を阻害して銀粒子が肥大化するためと推測される。
(6-1. Mechanism of high-distribution silver grain generation in addition of water)
The presence of water during the reaction of forming silver particles by thermal decomposition, which will be described later, particularly causes variation in the particle size of the formed silver nanoparticles, resulting in highly distributed silver particles. The mechanism is partly unknown, but when water approaches silver compounds, especially silver oxalate, and forms a silver amine complex or thermally decomposes, it inhibits the adsorption of amine compounds to silver atoms. It is considered that grain growth occurs in the portion where the grains are formed. Furthermore, since the amount of water molecules adsorbed on silver oxalate is also biased (localized), it is considered that the particle size is moderately varied. A suitable amount for this is 5 parts by weight or more per 100 parts by weight of the silver compound. Conversely, if more than 20 parts by weight of water is added to 100 parts by weight of the silver compound, the silver particles themselves become enlarged and may sinter and coalesce with neighboring particles. This is presumed to be due to the fact that water inhibits the adsorption of silver atoms by amines, resulting in enlargement of silver particles.
<銀ナノ粒子の製造方法>
〔7.液体原料の混合〕
本発明において、通常は、前記極性溶媒(c)の中に、前記錯体形成するアミン化合物(b)を入れ、混合する。必要に応じて、脂肪族カルボン酸、水を添加・混合し、反応に必要な液体原料を調整することができる。
液体原料で、常温で固体の物質があった場合は、適宜加熱を行い混合する事もできる。加熱する温度としては、100℃以下、好ましくは、80℃以下、さらに好ましくは、60℃以下で加熱し、液状化する液体原料の構成が望ましい。前記温度域よりも高い温度だと、銀化合物と混ぜてスラリー化する場合に、先に一部錯体化・シュウ酸分解反応が始まってしまい、系内の均一性が確保されないまま銀ナノ粒子が生成されてしまう可能性がある。
<Method for producing silver nanoparticles>
[7. Mixing of liquid raw materials]
In the present invention, the complex-forming amine compound (b) is usually put into the polar solvent (c) and mixed. If necessary, an aliphatic carboxylic acid and water can be added and mixed to prepare liquid raw materials necessary for the reaction.
If there is a liquid raw material that is solid at room temperature, it can be mixed by appropriately heating it. The heating temperature is preferably 100° C. or lower, preferably 80° C. or lower, more preferably 60° C. or lower, so that the liquid raw material is desirably liquefied. If the temperature is higher than the above temperature range, when it is mixed with a silver compound to form a slurry, a partial complexation/oxalic acid decomposition reaction starts first, and silver nanoparticles are formed without ensuring uniformity in the system. may be generated.
〔8.銀化合物スラリーの作製〕
前記銀化合物(a)と前記液体原料を混合し、銀化合物スラリーを調製する。または、先に極性溶媒と前記銀化合物(a)のみを混合し、前記アミン化合物を後で添加してもよい。
[8. Preparation of silver compound slurry]
The silver compound (a) and the liquid raw material are mixed to prepare a silver compound slurry. Alternatively, the polar solvent and the silver compound (a) alone may be mixed first, and the amine compound may be added later.
銀化合物と、所定量のアミン混合液、または、必要に応じて脂肪族カルボン酸、水を混合する。この際の混合は、室温で撹拌しながら、あるいは銀化合物へのアミン類との配位反応(錯体化反応)は発熱を伴うため室温以下に適宜冷却して撹拌しながら行うとよい。銀化合物とアミン化合物等との混合液は、極性溶媒存在下にて行われるので、撹拌及び冷却は良好に行うことができる。極性溶媒とアミン化合物の過剰分が反応媒体の役割を果たす。 A silver compound is mixed with a predetermined amount of an amine mixture, or, if necessary, an aliphatic carboxylic acid and water. The mixing at this time is preferably carried out while stirring at room temperature, or while stirring after appropriately cooling to room temperature or lower since the coordination reaction (complexing reaction) of the silver compound with amines is accompanied by heat generation. Since the mixed liquid of the silver compound and the amine compound or the like is prepared in the presence of a polar solvent, it can be well stirred and cooled. A polar solvent and an excess of amine compound act as the reaction medium.
それと、揮発性の高いアルキルアミンの臭気は作業環境への悪影響が大きい、本発明においては、銀ナノ粒子合成時に使用する揮発性の高いアルキルアミンの量を軽減、または無くすことができるので、原料を仕込む際に臭気や作業者への暴露を軽減できる。 In addition, the odor of highly volatile alkylamine has a large adverse effect on the working environment. Reduces odor and worker exposure when preparing
〔9.銀アミン錯体について〕
生成する錯化合物が一般にその構成成分に応じた色を呈するので、反応混合物の色の変化から、錯化合物の生成反応の進行を検知することができる。また、色の変化で確認がとりにくい場合、反応混合物の粘性の変化や、温度の変化などで生成状態を検知することができる。このようにして、極性溶媒及びアミン化合物を主体とする媒体中に銀アミン錯体が得られる。
[9. About silver amine complex]
Since the resulting complex compound generally exhibits a color corresponding to its constituent components, the progress of the reaction for producing the complex compound can be detected from the change in the color of the reaction mixture. In addition, when it is difficult to confirm by a change in color, the state of production can be detected by a change in the viscosity of the reaction mixture, a change in temperature, or the like. Thus, a silver amine complex is obtained in a medium based on a polar solvent and an amine compound.
〔10.錯体化から分解反応までの昇温速度条件の説明〕
反応系の加熱工程において、加熱速度は析出する銀粒子の粒径に影響を及ぼすことから、加熱工程の加熱速度の調整により銀粒子の粒径をコントロールすることができる。ここで、加熱工程の速度は、設定した分解温度まで、3.0~50℃/minの範囲で調整することが望ましい。昇温時間が遅い方が、粒子成長が起こりやすく大粒子径が形成されやすいが、3.0℃/minよりも遅い昇温速度であると、粒子成長が促進されやすく、隣の粒子とも同一してしまい、好ましくない。
[10. Explanation of temperature rise rate conditions from complexation to decomposition reaction]
In the heating step of the reaction system, the heating rate affects the grain size of the precipitated silver particles, so the grain size of the silver particles can be controlled by adjusting the heating rate in the heating step. Here, it is desirable to adjust the speed of the heating process in the range of 3.0 to 50° C./min up to the set decomposition temperature. The slower the heating time, the easier it is for particle growth to occur and the larger the particle size to be formed. I don't like it.
〔11.銀粒子の洗浄工程について〕
銀化合物の熱分解により、得られた粒子の粒子径により、色が異なるが、黒褐色からグレーまでの色に呈する懸濁液となる。この懸濁液から極性溶媒や過剰のアミン化合物等の除去操作、例えば、銀ナノ粒子の沈降、適切な溶媒(水または、有機溶媒)によるデカンテーション・洗浄操作を行うことによって、目的とする保護剤としてアミン化合物が結合した銀ナノ粒子が得られる。
[11. Regarding the washing process of silver particles]
The thermal decomposition of the silver compound results in a suspension that varies in color depending on the particle size of the particles obtained, but ranges from dark brown to gray. Removal of polar solvents and excess amine compounds from this suspension, for example, precipitation of silver nanoparticles, decantation and washing with an appropriate solvent (water or organic solvent), to achieve the desired protection Silver nanoparticles to which an amine compound is bound as an agent are obtained.
〔12.洗浄溶媒の説明〕
この銀粒子の洗浄は、溶媒としてメタノール、エタノール、プロパノール等の沸点が150℃以下のアルコールを適応するのが好ましい。そして、洗浄の詳細な方法としては、銀粒子合成後の溶液に溶媒を加え、懸濁するまで撹拌した後、デカンテーションで上澄み液を除去することが好ましい。アミンの除去量は、加える溶媒の体積と洗浄回数で制御可能である。上述の一連の作業を線回数1回とする場合、好ましくは、銀粒子合成後の溶液に対して1/20~3倍の体積の溶媒を使用し、1~5回洗浄する。
[12. Explanation of washing solvent]
It is preferable to use an alcohol having a boiling point of 150° C. or less such as methanol, ethanol, or propanol as a solvent for washing the silver particles. As a detailed washing method, it is preferable to add a solvent to the solution after silver particle synthesis, stir until the mixture is suspended, and then remove the supernatant liquid by decantation. The amount of amine removed can be controlled by the volume of solvent added and the number of washings. When the series of operations described above is performed once, preferably, the solvent is used in a volume that is 1/20 to 3 times the volume of the solution after synthesis of the silver particles, and the washing is performed 1 to 5 times.
〔13.保護剤置換工程〕
さらに、上記の銀ナノ粒子に対して、必要に応じて炭素数4以上のアミン化合物(酸素原子を含むものも可)に表面保護剤を置換させる工程により、用途に合ったアミン化合物へ置換してもよい。最終的に置換するアミン化合物は、銀ナノ粒子を製造する際に用いたものでもよいし、用いていないものを新たに使用してもよい。洗浄後の銀粒子を最終的に置換したいアミン化合物の中で、一定時間撹拌・懸濁することで、銀粒子の表面保護剤が置換される。その際、含まれている純銀分に対して、最終的に置換したいアミン化合物を50~100wt%添加して、約1h常温下で撹拌・懸濁させる。表面保護剤置換工程の前後の違いについては、DTA測定での焼結由来ピークの違いや、ヘッドスペースGC/MSなどで、表面保護剤の確認は可能である。上述した表面保護剤の置換工程後、再度洗浄工程を経て、目的の銀粒子を得る。
[13. Protective agent replacement step]
Furthermore, the above silver nanoparticles are optionally substituted with an amine compound suitable for the application by a step of substituting a surface protective agent with an amine compound having 4 or more carbon atoms (including an oxygen atom). may The amine compound to be finally substituted may be the one used when producing the silver nanoparticles, or may be a new one that has not been used. By stirring and suspending the washed silver particles in the amine compound to be finally replaced for a certain period of time, the surface protective agent of the silver particles is replaced. At that time, 50 to 100 wt % of the amine compound to be finally substituted is added to the contained pure silver, and the mixture is stirred and suspended at room temperature for about 1 hour. Regarding the difference between before and after the surface protective agent replacement step, it is possible to confirm the surface protective agent by the difference in peaks derived from sintering in DTA measurement, headspace GC/MS, and the like. After the step of replacing the surface protective agent described above, the desired silver particles are obtained through the washing step again.
ここで用いるアミン化合物としては、炭素数4~8のアルキルアミンまたは、酸素原子を含むアミン化合物(アルコキシアミン、アルキルエーテルアミン、アミノアルコール)である。その中でも、分子の長さが5~8Åであるものが好ましく、さらに好ましいのは、分子の長さが7~8Åのものである。アルキルアミンと、酸素原子を含むアミン化合物は、1種類もしくは2種類以上併用しても可能であり、その組成によって、ペーストに加工した際の粘性の調整も可能となる。 The amine compound used here is an alkylamine having 4 to 8 carbon atoms or an amine compound containing an oxygen atom (alkoxyamine, alkyletheramine, aminoalcohol). Among them, those with a molecular length of 5 to 8 Å are preferred, and those with a molecular length of 7 to 8 Å are more preferred. The alkylamine and the amine compound containing an oxygen atom can be used singly or in combination of two or more. Depending on the composition, it is possible to adjust the viscosity when processed into a paste.
〔14.生成された銀粒子の状態(保護剤、粒度分布)〕
このようにして、用いたアミン化合物が保護剤として結合された銀ナノ粒子が形成される。銀ナノ粒子とは、以下の方法で製造されうる、銀成分を主体として通常1~1000nmの粒径を有する微細な粒子をいう。
[14. State of generated silver particles (protective agent, particle size distribution)]
In this way, silver nanoparticles are formed to which the amine compound used is bound as a protective agent. Silver nanoparticles refer to fine particles mainly composed of a silver component and usually having a particle size of 1 to 1000 nm, which can be produced by the following method.
前記保護剤は、例えば、前記の特定の炭素数4以下のアミノアルコール(b)を含み、さらに分子の長さが5Å以上のアミン化合物(d)を含み、さらに用いた場合は前記脂肪族カルボン酸を含んでいる。保護剤中におけるそれらの含有割合は、前記アミン混合液中のそれらの使用割合と同等である。また、洗浄工程、必要であれば保護剤置換行程によって、保護剤の種類や総量を調整することが可能である。最終的に保護剤として結合しているアミン化合物の分子の長さは、2~8Åが好ましく、さらに5~8Åがより好ましい。そして、7~8Åが最も好ましい。一方、保護剤の総量は純銀分100重量部に対して、0.3~2.0重量部であることが好ましい。さらに0.5~1.0重量部であればより好ましい。 The protective agent, for example, contains the specific amino alcohol (b) having 4 or less carbon atoms, further contains an amine compound (d) having a molecular length of 5 Å or more, and when used, the aliphatic carboxylic acid Contains acid. Their content in the protective agent is the same as their use in the amine mixture. In addition, it is possible to adjust the type and total amount of the protective agent by the washing step and, if necessary, the protective agent replacement step. The length of the molecule of the amine compound finally bound as a protective agent is preferably 2 to 8 Å, more preferably 5 to 8 Å. And 7-8 Å is most preferred. On the other hand, the total amount of protective agent is preferably 0.3 to 2.0 parts by weight per 100 parts by weight of pure silver. Furthermore, it is more preferable if it is 0.5 to 1.0 parts by weight.
本発明の銀ナノ粒子は、通常、粒子径が1000nm以下である。
また、平均粒子径が70~350nm、好ましくは70~300nm、さらに好ましくは80~200nmである。
粒子径のばらつきを示す変動係数は30~80%、好ましくは40~70%、さらに好ましくは50~60%で構成されている。
The silver nanoparticles of the present invention usually have a particle size of 1000 nm or less.
Also, the average particle size is 70 to 350 nm, preferably 70 to 300 nm, more preferably 80 to 200 nm.
The coefficient of variation that indicates the variation in particle size is 30 to 80%, preferably 40 to 70%, more preferably 50 to 60%.
平均粒子径及び変動係数は、以下のようにして求める。得られた銀ナノ粒子をFE-SEMにて粒子形状の観察を行う。その後画像解析ソフトSCANDIUM(OLYMPUS製)を用いて、300個以上の粒子径の測長し、平均粒子径、標準偏差の値を解析により求めた。これらの値を用いて、変動係数は以下の計算式に基づき計算した。
変動係数(%)={標準偏差(nm)/平均粒子径(nm)}×100
なお粒子径測定の機材は、上記の方法と同等の結果を得られるものであれば制限されない。
The average particle size and coefficient of variation are determined as follows. The particle shape of the obtained silver nanoparticles is observed by FE-SEM. After that, using image analysis software SCANDIUM (manufactured by OLYMPUS), the particle diameters of 300 or more particles were measured, and the average particle diameter and standard deviation values were obtained by analysis. Using these values, the coefficient of variation was calculated based on the following formula.
Variation coefficient (%) = {standard deviation (nm) / average particle size (nm)} x 100
The equipment for particle size measurement is not limited as long as it can obtain results equivalent to those of the above method.
以上の平均粒子径と分布(ばらつき)を有することにより、銀塗料を塗布して得られる塗膜の膜厚を厚くすることができる。具体的には、10~30μmもの厚膜も得ることができる。さらに、厚いだけでなく、得られる膜の体積抵抗率も低くすることができる。具体的には、20μm以上の厚膜で、20~30μΩ・cm程度の体積抵抗率を得ることができる。これは、粒度分布が広く、小さい粒子が大きい粒子の間に最密充填に近く充填されることにより、銀粒子が高充填されて銀粒子の含有量の高い膜が得られているためであると推測される。 By having the above average particle size and distribution (variation), the film thickness of the coating film obtained by applying the silver paint can be increased. Specifically, a film as thick as 10 to 30 μm can be obtained. In addition to being thick, the volume resistivity of the resulting film can also be low. Specifically, it is possible to obtain a volume resistivity of about 20 to 30 μΩ·cm with a thick film of 20 μm or more. This is because the particle size distribution is wide, and the small particles are packed close together between the large particles, so that the silver particles are highly packed and a film with a high silver particle content is obtained. It is speculated that
平均粒子径が70nm未満だと、銀粒子の表面を保護するアミン化合物量が増え、得られる塗膜の体積抵抗率を低くするのが難しい。他方、平均粒子径が350nmを超えると、銀ナノ粒子の融点降下の現象が弱くなり、低温で焼結しづらくなるため、この場合も塗膜の体積抵抗率を低くすることが難しくなる。
また、変動係数が30%未満だと、粒子が揃ってしまい、粒子間の空隙を埋めることができず、塗膜の体積抵抗率を低くすることが難しくなる。他方、変動係数が80%を超えると、粒子のばらつきがあっても、粒子サイズが異なりすぎるため、この場合も粒子間の空隙を埋めることが難しくなり、この場合も塗膜の体積抵抗率を低くすることが難しくなる。
If the average particle size is less than 70 nm, the amount of the amine compound that protects the surface of the silver particles increases, making it difficult to reduce the volume resistivity of the resulting coating film. On the other hand, if the average particle size exceeds 350 nm, the phenomenon of melting point depression of the silver nanoparticles becomes weak, making it difficult to sinter at low temperatures.
On the other hand, if the coefficient of variation is less than 30%, the particles are aligned and the voids between the particles cannot be filled, making it difficult to lower the volume resistivity of the coating film. On the other hand, if the coefficient of variation exceeds 80%, even if there is variation in the particles, the particle sizes are too different, so in this case also it becomes difficult to fill the voids between the particles, and in this case also the volume resistivity of the coating film is reduced. difficult to lower.
このため以上の平均粒子径とばらつきとを有する銀粒子とすることが好ましいが、本発明を用いれば、このような銀粒子を容易に得ることができ、したがって銀塗料組成物として好適な粘度に調整することができる。
スクリーン印刷用インクの粘度においては、0.1~500Pa・sの範囲(ずり速度5 1/sec 時)が好ましい。高すぎると、流動性がなく印刷不良を起こしやすい、また低すぎると印刷したインクがダレて、線幅が広がってしまうためである。そこで、粘度を高くするには、通常、有機バインダーを添加することが多いが、有機バインダーは得られる塗膜の抵抗値を上げてしまう。これに対し、本発明の銀粒子は、有機バインダーとしてエトセル45(日新化成製)を純銀分に対し、1wt%添加した状態でも比較的高粘度とすることができ、例えば粒度を平均粒子径約80nm、変動係数約35%に調整することにより、30~40Pa・s程度の粘度に調整できる。したがって有機バインダーの添加量が純銀分に対し、1wt%以下でも上記のスクリーン印刷に適した粘度にすることができる。このように、粒度の調整で粘度をコントロールできるので、有機バインダーの添加量の自由度が上がり、少なくすることもできるため、非常に優れている。
For this reason, it is preferable to use silver particles having the above average particle size and variation. By using the present invention, such silver particles can be easily obtained. can be adjusted.
The viscosity of the screen printing ink is preferably in the range of 0.1 to 500 Pa·s (at a shear rate of 5 1/sec). If the viscosity is too high, there will be no fluidity and printing defects will tend to occur. Therefore, in order to increase the viscosity, an organic binder is usually added, but the organic binder increases the resistance value of the resulting coating film. On the other hand, the silver particles of the present invention can have a relatively high viscosity even when 1 wt % of Ethocel 45 (manufactured by Nisshin Kasei Co., Ltd.) is added as an organic binder to the pure silver content. By adjusting the viscosity to about 80 nm and the coefficient of variation to about 35%, the viscosity can be adjusted to about 30 to 40 Pa·s. Therefore, even if the amount of the organic binder added is 1 wt % or less with respect to the pure silver content, the above viscosity suitable for screen printing can be obtained. In this way, since the viscosity can be controlled by adjusting the particle size, the degree of freedom in the amount of the organic binder to be added is increased, and the amount can be reduced, which is very excellent.
本発明の製造方法は、前述したように、使用するアミン種、有機溶媒種、水の添加量等で、粒子径コントロールが可能である。したがって、200~500nmの大粒子径領域の銀粒子と50~200nmの小粒子径領域の銀粒子を1バッチで合成することもできるなど、工業生産にも適している。 In the production method of the present invention, as described above, the particle size can be controlled by adjusting the type of amine used, the type of organic solvent, the amount of water added, and the like. Therefore, it is suitable for industrial production such that silver particles in the large particle size range of 200 to 500 nm and silver particles in the small particle size range of 50 to 200 nm can be synthesized in one batch.
こうして得られる銀粒子は、200nm以上の大粒子径領域の銀粒子が存在しているため、銀ナノ粒子の余剰保護剤の洗浄・保護剤置換処理・ペースト化などの工程途中においても凝集(焼結)しにくく、本来の銀粒子の特性を損ねることなく、銀ナノ粒子分散体・銀塗料組成物を製造しやすいと期待できる。このことは、スケールアップを考慮した際も有効である。 The silver particles obtained in this way contain silver particles in a large particle size range of 200 nm or more. It is expected to be easy to produce a silver nanoparticle dispersion/silver coating composition without impairing the properties of the original silver particles. This is also effective when considering scale-up.
<用途>
〔15.銀ナノ粒子分散体及び銀塗料組成物及びこれらの製造方法〕
上記に記載の方法で得られた銀ナノ粒子を用いて、銀ナノ粒子分散体を作製することができる。ここで、銀ナノ粒子分散体とは、少なくとも銀ナノ粒子及び分散媒を含有する組成物をいう。このような銀ナノ粒子分散体は、制限されることなく、種々の形態をとり得る。例えば、銀ナノ粒子を適切な有機溶媒(分散媒体)中に懸濁状態で分散させることにより、銀ナノ粒子分散体を得ることができる。
本発明で得られる銀ナノ粒子は分散性に優れているため、高濃度で分散媒中に安定に存在させることができる。例えば、組成物中の銀ナノ粒子の含有量として、70~95重量%、さらに好ましくは75~80重量%の高濃度で含有させることができ、いわゆるペースト状態とすることができる。
さらに、銀ナノ粒子及び分散媒のほか、いわゆるバインダー成分を含有させた銀塗料組成物を作製することができる。70~95重量%、さらに好ましくは75~80重量%の高濃度で銀ナノ粒子を含有させることにより、印刷性が良好で、厚膜な導電膜が作製しやすい銀塗料組成物とすることができる。
<Application>
[15. Silver nanoparticle dispersion, silver paint composition, and method for producing the same]
Silver nanoparticles obtained by the method described above can be used to prepare a silver nanoparticle dispersion. Here, the silver nanoparticle dispersion refers to a composition containing at least silver nanoparticles and a dispersion medium. Such silver nanoparticle dispersions can take various forms without limitation. For example, a silver nanoparticle dispersion can be obtained by dispersing silver nanoparticles in a suitable organic solvent (dispersion medium) in a suspended state.
Since the silver nanoparticles obtained in the present invention are excellent in dispersibility, they can be stably present in the dispersion medium at a high concentration. For example, the content of silver nanoparticles in the composition can be as high as 70 to 95% by weight, more preferably 75 to 80% by weight, and can be in a so-called paste state.
Furthermore, in addition to silver nanoparticles and a dispersion medium, a silver paint composition containing a so-called binder component can be produced. By containing silver nanoparticles at a high concentration of 70 to 95% by weight, more preferably 75 to 80% by weight, it is possible to obtain a silver coating composition that has good printability and that facilitates the production of a thick conductive film. can.
(15-1.分散体又は塗料組成物の分散媒)
銀ナノ粒子分散体又は銀塗料組成物を得るための分散媒としては各種の有機溶媒、例えばペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン等の脂肪族炭化水素溶媒; シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の脂環式炭化水素溶媒;トルエン、キシレン、メシチレン等のような芳香族炭化水素溶媒; メタノール、エタノール、プロパノール、n-ブタノール、n-ペンタノール、n-ヘキサノール、n-ヘプタノール、n-オクタノール、n-ノナノール、n-デカノール、n-ドデカノール等のようなアルコール溶媒等が挙げられる。
(15-1. Dispersion medium for dispersion or coating composition)
Various organic solvents such as aliphatic hydrocarbon solvents such as pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane, tridecane, and tetradecane can be used as dispersion media for obtaining silver nanoparticle dispersions or silver coating compositions. cyclohexane, alicyclic hydrocarbon solvents such as methylcyclohexane; aromatic hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, mesitylene, etc.; methanol, ethanol, propanol, n-butanol, n-pentanol, n-hexanol, n- Alcohol solvents such as heptanol, n-octanol, n-nonanol, n-decanol, n-dodecanol and the like are included.
有機溶媒としてはこれらの中でも特に、炭素数8~16で構造内に酸素原子を有する沸点280℃以下の有機溶媒が好ましい。銀粒子の焼結温度の目標を150℃以下とする場合、沸点280℃を超える溶媒は揮発・除去が困難だからである。この溶媒の好ましい具体例としては、ターピネオール(C10、沸点219℃)、ジヒドロターピネオール(C10、沸点220℃)、テキサノール(C12、沸点260℃)、エチルカルビトールアセテート(C8、沸点219℃)、ブチルカルビトールアセテート(C10、沸点247℃)、2,4-ジメチルー1,5-ペンタンジオール(C9、沸点150℃)、2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオールジイソブチレート(C16、沸点280℃)が挙げられる。溶媒は複数種を混合して使用しても良く、単品で使用しても良い。
所望の銀塗料組成物又は銀ナノ粒子分散体の濃度や粘性に応じて、有機溶媒の種類や量を適宜定めると良い。
Among these organic solvents, organic solvents having a boiling point of 280° C. or less having 8 to 16 carbon atoms and having an oxygen atom in the structure are particularly preferable. This is because when the target sintering temperature of the silver particles is set to 150° C. or lower, it is difficult to volatilize and remove a solvent having a boiling point exceeding 280° C. Preferred specific examples of this solvent include terpineol (C10, boiling point 219°C), dihydroterpineol (C10, boiling point 220°C), texanol (C12, boiling point 260°C), ethyl carbitol acetate (C8, boiling point 219°C), butyl Carbitol acetate (C10, boiling point 247°C), 2,4-dimethyl-1,5-pentanediol (C9, boiling point 150°C), 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol diisobutyrate (C16, boiling
Depending on the desired concentration and viscosity of the silver coating composition or silver nanoparticle dispersion, the type and amount of the organic solvent may be appropriately determined.
(15-2.塗料組成物の有機バインダーの説明)
銀塗料組成物に対して、銀粒子の分散性の補助、又は基材との密着性を付与する目的で、有機バインダーを添加しても良い。有機バインダーの添加量としては、含有している銀100重量部に対して、0.1~10重量部が好ましい。
上記バインダー樹脂の導電性インク中における存在形態は、溶媒に対して溶解していてもよいし、エマルジョン、またはサスペンションであってもよい。上記バインダー樹脂としては特に限定されないが、例えば、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアクリルアミド樹脂、ポリエーテル樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ビニル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリブタジエン樹脂、塩化ビニル酢酸ビニル共重合体樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂、ロジン、ロジンエステル、塩素化ポリオレフィン樹脂、変性塩素化ポリオレフィン樹脂、塩素化ポリウレタン樹脂、セルロース系樹脂、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリビニルプチラール、ポリビニルピロリドンなどを挙げることができる。
使用するバインダー樹脂は1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用して用いてもよい。
(15-2. Description of the organic binder of the coating composition)
An organic binder may be added to the silver coating composition for the purpose of assisting dispersibility of the silver particles or imparting adhesion to the substrate. The amount of the organic binder to be added is preferably 0.1 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of silver contained.
The presence form of the binder resin in the conductive ink may be dissolved in a solvent, an emulsion, or a suspension. The binder resin is not particularly limited, but examples include polyester resins, polyurethane resins, polyamide resins, polyvinyl chloride resins, polyacrylamide resins, polyether resins, acrylic resins, melamine resins, vinyl resins, phenol resins, epoxy resins, and urea. Resin, vinyl acetate resin, polybutadiene resin, vinyl chloride vinyl acetate copolymer resin, fluorine resin, silicone resin, rosin, rosin ester, chlorinated polyolefin resin, modified chlorinated polyolefin resin, chlorinated polyurethane resin, cellulose resin, polyethylene Glycol, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyvinyl alcohol, polyvinylbutyral, polyvinylpyrrolidone and the like can be mentioned.
The binder resin to be used may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more types.
〔16.銀塗料組成物による印刷方法・使い方)〕
調製された銀塗料組成物を基板上に塗布し、その後、焼成するのが一般的である。
塗布は、スピンコート、インクジェット印刷、スクリーン印刷、ディスペンサ印刷、凸版印刷(フレキソ印刷)、昇華型印刷、オフセット印刷、レーザープリンタ印刷(トナー印刷)、凹版印刷(グラビア印刷)、コンタクト印刷、マイクロコンタクト印刷などの公知の方法により行うことができる。印刷技術を用いると、パターン化された銀塗料組成物層が得られ、焼成により、パターン化された銀導電層が得られる。また、この銀導電層は導電性・熱伝導性に優れた接合材料としての応用が可能であり、パワーデバイス等の大電流を取扱う電気機器の接合材としても有用である。
[16. Printing method and usage with silver paint composition)]
It is common to apply the prepared silver paint composition onto a substrate and then bake it.
Applications include spin coating, inkjet printing, screen printing, dispenser printing, letterpress printing (flexo printing), sublimation printing, offset printing, laser printer printing (toner printing), intaglio printing (gravure printing), contact printing, and microcontact printing. It can be carried out by a known method such as. Using a printing technique yields a patterned silver coating composition layer and firing yields a patterned silver conductive layer. In addition, this silver conductive layer can be applied as a bonding material having excellent electrical and thermal conductivity, and is also useful as a bonding material for electrical equipment that handles large currents such as power devices.
焼成は、200℃以下、例えば室温(25℃)以上150℃以下、好ましくは室温(25℃)以上120℃以下の温度で行うことができる。しかしながら、短い時間での焼成によって、銀の焼結を完了させるためには、60℃以上200℃以下、例えば80℃以上150℃以下、好ましくは90℃以上120℃以下の温度で行うとよい。焼成時間は、銀インクの塗布量、焼成温度などを考慮して、適宜定めるとよく、たとえば数時間(例えば3時間、あるいは2時間)以内、好ましくは1時間以内、より好ましくは30分間以内にするとよい。
銀ナノ粒子は上記のように構成されているので、このような低温短時間での焼成工程によっても、銀粒子の焼結が十分に進行する。その結果、平均粒子径が200nmを超えても優れた導電性(低い抵抗値)が発現する。低い抵抗値(例えば20~30μΩ・cm)を有する銀導電層が形成される。バルク銀の抵抗値は1.6μΩcmである。
Firing can be performed at a temperature of 200° C. or lower, for example room temperature (25° C.) or higher and 150° C. or lower, preferably room temperature (25° C.) or higher and 120° C. or lower. However, in order to complete the sintering of silver by firing in a short time, the temperature should be 60° C. or higher and 200° C. or lower, for example, 80° C. or higher and 150° C. or lower, preferably 90° C. or higher and 120° C. or lower. The firing time may be appropriately determined in consideration of the amount of silver ink applied, the firing temperature, etc. For example, within several hours (eg, 3 hours or 2 hours), preferably within 1 hour, more preferably within 30 minutes. do it.
Since the silver nanoparticles are configured as described above, sintering of the silver particles proceeds sufficiently even in such a low-temperature, short-time firing step. As a result, even if the average particle size exceeds 200 nm, excellent conductivity (low resistance) is exhibited. A silver conductive layer having a low resistance value (eg, 20-30 μΩ·cm) is formed. The resistivity of bulk silver is 1.6 μΩcm.
〔17.銀ナノ粒子分散体及び銀塗料組成物の用途〕
低温での焼成が可能であるので、基板として、ガラス製基板、ポリイミド系フィルムのような耐熱性プラスチック基板の他に、ポリエチレンテレフタラート(PET)フィルム、ポリエチレンナフタレート(PEN)フィルムなどのポリエステル系フィルム、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系フィルムのような耐熱性の低い汎用プラスチック基板をも好適に用いることができる。また、短時間の焼成は、これら耐熱性の低い汎用プラスチック基板に対する負荷を軽減するし、生産効率を向上させる。
[17. Applications of Silver Nanoparticle Dispersion and Silver Paint Composition]
Since it can be baked at a low temperature, it can be used as a substrate, in addition to glass substrates and heat-resistant plastic substrates such as polyimide films, as well as polyester substrates such as polyethylene terephthalate (PET) film and polyethylene naphthalate (PEN) film. General-purpose plastic substrates with low heat resistance, such as films and polyolefin films such as polypropylene, can also be suitably used. In addition, the short-time baking reduces the load on these general-purpose plastic substrates with low heat resistance and improves production efficiency.
銀導電層の厚みは、目的とする用途に応じて適宜定めるとよく、特に本発明に係る銀ナノ粒子を使用することで比較的膜厚の大きい銀導電層を形成した場合でも高い導電性を示すことができる。銀導電層の厚みは、例えば、100nm~30μm、好ましくは1μm~20μm、より好ましくは10μm~20μmの範囲から選択するとよい。 The thickness of the silver conductive layer may be appropriately determined according to the intended use. In particular, by using the silver nanoparticles according to the present invention, high conductivity can be obtained even when a silver conductive layer having a relatively large thickness is formed. can be shown. The thickness of the silver conductive layer is, for example, selected from the range of 100 nm to 30 μm, preferably 1 μm to 20 μm, more preferably 10 μm to 20 μm.
本発明の銀ナノ粒子分散体又は銀塗料組成物により得られる銀導電材料は、電磁波制御材、回路基板、アンテナ、放熱板、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、フィールドエミッションディスプレイ(FED)、ICカード、ICタグ、太陽電池、LED素子、有機トランジスタ、コンデンサー(キャパシタ)、電子ペーパー、フレキシブル電池、フレキシブルセンサ、メンブレンスイッチ、タッチパネル、EMIシールド等に適応することができる。 The silver conductive material obtained from the silver nanoparticle dispersion or silver coating composition of the present invention is used as an electromagnetic wave control material, circuit board, antenna, heat sink, liquid crystal display, organic EL display, field emission display (FED), IC card, It can be applied to IC tags, solar cells, LED elements, organic transistors, capacitors, electronic paper, flexible batteries, flexible sensors, membrane switches, touch panels, EMI shields, etc.
以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明する。
実施例及び比較例で用いたアミン化合物の名称、構造式等の特徴を、表-1~2に示す。
EXAMPLES The present invention will now be described in more detail with reference to examples and comparative examples.
The characteristics such as names and structural formulas of the amine compounds used in Examples and Comparative Examples are shown in Tables 1 and 2.
[実施例1]
(銀粒子の製造)
アルミブロック式加熱攪拌機にセットした試験管に原料となる銀化合物としてシュウ酸銀の乾燥品7.58g(24.95mmol) と、極性溶媒としてn-ヘキサノール9.21g(90.14mmol)とを撹拌し、シュウ酸銀を湿潤状態にさせた。その後、DL-‐1‐アミノ-2-プロパノール2.11g(28.09mmol)、オレイン酸0.30g(1.06mmol)を添加した。その後、1時間撹拌し、銀―アミン錯体を製造した。その後、昇温速度3℃/minで加熱し100℃でシュウ酸銀の分解反応が起こったと思われる二酸化炭素の発生を確認した。二酸化炭素の発生が止まるまで加熱を継続し、銀粒子が懸濁された液体を得た。銀粒子の析出後、反応液にメタノール20ccを添加して洗浄し、これを遠心分離した。この洗浄と遠心分離は3回行った。このようにして、銀ナノ粒子を得た。
[Example 1]
(Production of silver particles)
7.58 g (24.95 mmol) of dried silver oxalate as a silver compound and 9.21 g (90.14 mmol) of n-hexanol as a polar solvent were stirred in a test tube set in an aluminum block heating stirrer. to wet the silver oxalate. After that, 2.11 g (28.09 mmol) of DL-1-amino-2-propanol and 0.30 g (1.06 mmol) of oleic acid were added. After that, the mixture was stirred for 1 hour to produce a silver-amine complex. After that, the mixture was heated at a temperature increase rate of 3°C/min, and at 100°C, generation of carbon dioxide, which was thought to have occurred due to a decomposition reaction of silver oxalate, was confirmed. Heating was continued until the evolution of carbon dioxide ceased to obtain a liquid in which silver particles were suspended. After the silver particles were precipitated, 20 cc of methanol was added to the reaction solution for washing, followed by centrifugation. This washing and centrifugation was performed three times. Thus, silver nanoparticles were obtained.
(粒子径の確認)
得られたメタノールで湿った状態の銀ナノ粒子をn-ヘキサノール中へボルテックスミキサーを用いて懸濁させ、その液をコロジオン膜等の支持体へ滴下し、溶媒を乾燥させて試料を得た。FE-SEM観察にて、倍率20000~70000倍で観察・撮影し、画像の中で400個以上粒子が存在している倍率の画像を選定する。その後、FE-SEMにて粒子形状の観察を行った。その後画像解析ソフトSCANDIUM(OLYMPUS製)を用いて、粒子数400個以上をカウントし、粒子径の測長、平均粒径、粒度分布等の解析を実施した。粒子に長径とそれ以外の径がある場合は粒子径の測長は長径を測長した。
粒子の100~200nmの粒子割合(%)、平均粒径(nm)、変動係数(%)を表-5に示す。FE-SEM写真を図3に示す。粒度分布ヒストグラムを図21に示す。
(Confirmation of particle size)
The resulting methanol-wet silver nanoparticles were suspended in n-hexanol using a vortex mixer, the liquid was dropped onto a support such as a collodion membrane, and the solvent was dried to obtain a sample. In FE-SEM observation, the sample is observed and photographed at a magnification of 20,000 to 70,000, and an image with a magnification in which 400 or more particles are present is selected. After that, the particle shape was observed by FE-SEM. After that, using image analysis software SCANDIUM (manufactured by OLYMPUS), 400 or more particles were counted, and particle size measurement, average particle size, particle size distribution, etc. were analyzed. When particles have a long diameter and other diameters, the length of the particle diameter was measured by measuring the long diameter.
Table 5 shows the ratio (%) of particles of 100 to 200 nm, the average particle size (nm), and the coefficient of variation (%). An FE-SEM photograph is shown in FIG. A particle size distribution histogram is shown in FIG.
(銀ナノ粒子ペースト、インクの調製と焼成)
次に、回収した銀ナノ粒子に、溶媒としてテキサノールを銀分75wt%になるよう添加し、混合した。さらに銀粒子に対して添加量が1wt%になるように、有機バインダーとしてエトセル45(日新化成製)を添加し、最終的に銀分約70wt%の銀ナノ粒子ペーストインクを作製した。このペーストをスライドガラス上でキャストし、送風乾燥機にて、150℃で1h加熱した。乾燥後の塗膜厚みは10~30μmになるようにした。
得られた塗膜は、4端子法により表面抵抗値を測定し、得られた塗膜の厚みを乗じて、体積抵抗率を得た。
体積抵抗率の値を表-4に示す。
(Silver nanoparticle paste, ink preparation and firing)
Next, Texanol as a solvent was added to the collected silver nanoparticles so that the silver content was 75 wt %, and mixed. Furthermore, Ethocel 45 (manufactured by Nisshin Kasei Co., Ltd.) was added as an organic binder so that the amount added was 1 wt % with respect to the silver particles, and finally a silver nanoparticle paste ink with a silver content of about 70 wt % was produced. This paste was cast on a slide glass and heated at 150° C. for 1 hour in a blower dryer. The coating thickness after drying was adjusted to 10 to 30 μm.
The surface resistance value of the obtained coating film was measured by a four-probe method, and the volume resistivity was obtained by multiplying the thickness of the obtained coating film.
The volume resistivity values are shown in Table-4.
[実施例2~8、比較例1~12]
(銀粒子の製造)
使用材料及び配合割合を表-5~12に示すものに代え、銀―アミン錯体化合物生成後の昇温速度を表-5~12に示すものに代え、反応容器/加熱装置を表-5~13に示すものに代えた以外は実施例1の(銀粒子の製造)と同様にして、銀粒子を作製した。
表-7に示すとおり、実施例8については、後述の内容の(保護剤置換処理)を行った。保護剤置換行程を以下に示す。シュウ酸銀のシュウ酸分解反応により、得られた銀ナノ粒子中のアミン化合物をn-ヘキシルアミンに置換するため、得られた銀ナノ粒子の純銀分に対して71.8wt%のn-ヘキシルアミンと銀ナノ粒子を常温で1時間撹拌し、上記と同様に洗浄と遠心分離を3回繰り返し、ヘキシルアミンを保護剤とした銀ナノ粒子を得た。
[Examples 2 to 8, Comparative Examples 1 to 12]
(Production of silver particles)
Instead of using the materials and mixing ratios shown in Tables-5 to 12, replacing the temperature rise rate after the generation of the silver-amine complex compound with those shown in Tables-5 to 12, and changing the reaction vessel/heating device to those shown in Tables-5 to 5 Silver particles were produced in the same manner as in Example 1 (production of silver particles), except that the material shown in No. 13 was used.
As shown in Table-7, Example 8 was subjected to (protective agent replacement treatment) described later. The protective agent replacement process is shown below. In order to replace the amine compound in the silver nanoparticles obtained by oxalic acid decomposition reaction of silver oxalate with n-hexylamine, 71.8 wt% n-hexyl relative to the pure silver content of the silver nanoparticles obtained The amine and silver nanoparticles were stirred at room temperature for 1 hour, and washing and centrifugation were repeated three times in the same manner as above to obtain silver nanoparticles using hexylamine as a protective agent.
得られた銀粒子について実施例1と同様の方法で(粒子径の確認)を行った。なお、比較例2~4については、STEM像で粒子径の確認を実施した。
また、実施例2~8、比較例1、2、11、12については、得られた子を用いて実施例1と同様の方法で(銀ナノ粒子ペースト、インクの調製と焼成)を行った。
なお実施例8については、保護剤置換処理前の粒子と保護剤置換処理後の粒子を用いて各々(銀ナノ粒子ペースト、インクの調製と焼成)を行った。
また、比較例3及び、4については、特許文献1及び、2のように、銀分55wt%になるようにし、イソオクタン/n-ブタノール=4/1(体積比)の混合溶媒中に分散させた銀ナノ粒子分散体をスピンコートすることにより、ガラス上に塗工した。
The obtained silver particles were checked in the same manner as in Example 1 (confirmation of particle size). For Comparative Examples 2 to 4, the particle size was confirmed by STEM images.
In addition, for Examples 2 to 8 and Comparative Examples 1, 2, 11, and 12, the obtained particles were used in the same manner as in Example 1 (silver nanoparticle paste, ink preparation and firing). .
In Example 8, the particles before the protective agent replacement treatment and the particles after the protective agent replacement treatment were used (silver nanoparticle paste, ink preparation and firing).
Further, for Comparative Examples 3 and 4, as in Patent Documents 1 and 2, the silver content was adjusted to 55 wt% and dispersed in a mixed solvent of isooctane/n-butanol = 4/1 (volume ratio). The silver nanoparticle dispersion was applied onto glass by spin coating.
実施例2~8、比較例1~4、11,12について、得られた粒子の平均粒径(nm)、変動係数(%)、各粒子径範囲での粒子割合(%)、を表-5~12に示す。SEMもしくはSTEM画像を図2~20に示す。実施例2~8、比較例1~4、11、12の粒度分布ヒストグラムを図21~33に示す。実施例1~10及び、比較例1~4について、焼結塗膜の体積抵抗率及び膜厚の値を表-5~12に示す。 For Examples 2 to 8 and Comparative Examples 1 to 4, 11, and 12, the average particle size (nm), coefficient of variation (%), and particle ratio (%) in each particle size range of the obtained particles are shown. 5-12. SEM or STEM images are shown in Figures 2-20. Particle size distribution histograms of Examples 2-8 and Comparative Examples 1-4, 11 and 12 are shown in FIGS. Tables 5 to 12 show the values of volume resistivity and film thickness of the sintered coating films for Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 4.
以上のように、本発明により、錯体形成時に(b)成分のアミン化合物を添加し、合成された銀粒子を用いることで、20μm以上の焼結塗膜を形成することが可能でかつ、150℃での焼成条件において、塗膜の体積抵抗率が50μΩ・cm以下であり、導電性がある膜を得られることが確認できた。 As described above, according to the present invention, a sintered coating film having a thickness of 20 μm or more can be formed by adding the amine compound as the component (b) during complex formation and using the synthesized silver particles. It was confirmed that the volume resistivity of the coating film was 50 μΩ·cm or less under the baking conditions at 9° C., and that a conductive film was obtained.
実施例1~3では、ジグリコールアミンと(b2)成分のアミン化合物を併用している。その中でも実施例3において、AMPを使用すると、変動係数も大きくばらつきが大きくなり、小粒子径の粒子割合も多くなり、各焼成温度において、最も体積抵抗率が低い焼成膜が得られた。
また、実施例3、4では、ジグリコールアミンの添加量を増減させているが、添加量が多い実施例4において、実施例3よりも大きな粒子径の粒子が得られた。しかも、平均粒子径が大きくなったにも関わらず、各焼成温度での焼結塗膜の体積抵抗率はほぼ変わらない結果となった。
In Examples 1 to 3, diglycolamine and the amine compound (b2) are used in combination. Among them, in Example 3, when AMP was used, the coefficient of variation was large and the variation was large, the proportion of particles with small particle diameters was also high, and a sintered film with the lowest volume resistivity was obtained at each sintering temperature.
In Examples 3 and 4, the amount of diglycolamine added was increased or decreased. Moreover, although the average particle diameter increased, the volume resistivity of the sintered coating film at each firing temperature remained almost unchanged.
実施例4~6では、(b2)成分のアミンと短鎖アルキルアミン、もしくはアルキルジアミンを用いた事例で、ジグリコールアミンを用いることで、どの実施例においても、平均粒子径200nm以上の比較的大きな粒子径を形成することができた。その中でもAMPを用いた実施例4が最も変動係数が大きくばらつきのある粒子が得られた。
実施例7、8については、AMP、ジグリコールアミンを用いており、実施例8はさらに水を併用した。すると、さらに大粒子径化ができた。しかも大粒子径化しても、各温度における焼結塗膜の体積抵抗率は低下することはなかった。また実施例8については、へキシルアミン置換処理前後の焼結塗膜の体積抵抗率を評価したところ、ほぼ同等の性能であった。保護基の極性を変化することができるので、各種溶媒への分散性についても対応できる幅が広い粒子を合成することができた。
In Examples 4 to 6, the amine and the short-chain alkylamine or alkyldiamine as the component (b2) were used. A large particle size could be formed. Among them, in Example 4 using AMP, particles with the largest coefficient of variation and dispersion were obtained.
In Examples 7 and 8, AMP and diglycolamine were used, and in Example 8, water was used in combination. As a result, a larger particle size was achieved. Moreover, even when the particle size was increased, the volume resistivity of the sintered coating film at each temperature did not decrease. In Example 8, the volume resistivity of the sintered coating film before and after the hexylamine replacement treatment was evaluated, and the performance was almost the same. Since the polarity of the protective group can be changed, it was possible to synthesize particles with a wide range of dispersibility in various solvents.
比較例1では、ジグリコールアミンや(b2)成分のアミン化合物を使用しない場合の銀粒子であるが、平均粒子径が64nmで、変動係数が20.3%で、比較的小さくそろった粒子径の粒子が形成された。その結果、20μm程度の厚膜焼結膜では抵抗値が大きく上がってしまう結果となった。小粒子径だと多くの保護剤成分が必要となるので、厚膜だと保護剤が残存し抵抗成分となったと考えられる。 In Comparative Example 1, the silver particles were obtained without using diglycolamine or the amine compound of component (b2). of particles were formed. As a result, a thick sintered film having a thickness of about 20 μm resulted in a large increase in the resistance value. Since a small particle size requires a large amount of the protective agent component, it is considered that the protective agent remained in the thick film and became a resistance component.
また、特許文献1,2の製法と同等の方法で作製した比較例2~4の粒子について、テキサノールペーストにして評価した比較例2において、焼成後に体積収縮が激しく起こり、塗膜全体にクラックが生じてしまった。また、特許文献1、2のような低粘度の分散液状態で塗工した比較例3、4では、0.5μm程度の焼結塗膜となってしまい、厚膜化は困難であった。 In addition, in Comparative Example 2 in which the particles of Comparative Examples 2 to 4 were produced by the same method as the production methods of Patent Documents 1 and 2 and were evaluated as Texanol paste, volume shrinkage occurred violently after firing, and cracks occurred throughout the coating film. has occurred. In addition, in Comparative Examples 3 and 4 in which a low-viscosity dispersion state was applied as in Patent Documents 1 and 2, a sintered coating film having a thickness of about 0.5 μm was formed, making it difficult to increase the film thickness.
比較例5~10では、ジグリコールアミンと類似の構造を持つアミン化合物について評価を行った。まず比較例5,6では、量末端にアミノ基を有する1,5-ジアミノペンタン、比較例7では、量末端にアミノ基と水酸基を有し、構造内に2級アミノ基を持つ2-[(3-アミノプロピル)アミノ]エタノール、比較例8、9では、量末端にアミノ基とカルボン酸を有する6-アミノヘキサン酸、比較例10では、量末端にアミノ基を有し、構造内にエーテル結合を持つ2,2-オキシビス(エチルアミン)を用いた。しかし、いずれのアミン化合物を使っても、合成時に粒子が凝集を起こしてしまい、分散可能な状態の銀粒子を得ることはできなかった。これらは、銀粒子との吸着が強い、アミノ基やカルボン酸が分子内に2つ以上あると、粒子間で吸着するため、凝集を引き起こすものと考える。水酸基は完全に銀粒子へは吸着しないものの、銀粒子へ接近する程度の程よい極性を持っているために、アミノアルコール、さらに分子内にエーテル結合を有する(b1)成分、とくにジグリコールアミンが、銀粒子を凝集させることなく合成できる保護剤としての作用を発現できると考える。 In Comparative Examples 5 to 10, amine compounds having structures similar to diglycolamine were evaluated. First, in Comparative Examples 5 and 6, 1,5-diaminopentane having an amino group at the terminal end, and in Comparative Example 7, having an amino group and a hydroxyl group at the terminal end and a 2-[ (3-aminopropyl)amino]ethanol, in Comparative Examples 8 and 9, 6-aminohexanoic acid having an amino group and a carboxylic acid at the terminal end, in Comparative Example 10, having an amino group at the terminal end, in the structure 2,2-oxybis(ethylamine) having an ether bond was used. However, no matter which amine compound was used, particles agglomerated during synthesis, and silver particles in a dispersible state could not be obtained. If there are two or more amino groups or carboxylic acids in the molecule, which are strongly adsorbed to the silver particles, they are adsorbed between the particles, which is considered to cause agglomeration. Although the hydroxyl group does not completely adsorb to the silver particles, it has a moderate polarity enough to approach the silver particles. It is thought that the action as a protective agent that can be synthesized without aggregating silver particles can be exhibited.
ただし、(b1)成分ではない、分子の長さが5Å以上のアミノアルコールについては、保護剤としての性能はあるものの、比較例11、12に示すよう、銀粒子を大粒子へ成長させる効果は極めて低いと考える。おそらく、アルキルアミンと同様の直線状の配位が優勢だと考えられる。分子内にエーテル結合がない分、片末端の水酸基だけでは、O原子接近型の配位は取りづらいものと考える。
以上の結果からわかるように、(b1)成分のアミン化合物、特にジグリコールアミンを使用することにより、本発明の方法で本発明の銀ナノ粒子は、平均粒子径200nm以上の粒子を形成しやすくなり、粒度分布に適度なバラつきを持たせることで、低抵抗な厚膜導電膜を得られやすい銀塗料組成物を作製することが可能であることがわかる。
However, although the aminoalcohol having a molecular length of 5 Å or more, which is not the component (b1), has a performance as a protective agent, as shown in Comparative Examples 11 and 12, the effect of growing silver particles into large particles is not. I think it's extremely low. Presumably, linear coordination, similar to alkylamines, predominates. Since there is no ether bond in the molecule, it is considered that it is difficult to take O-atom-close type coordination only with a hydroxyl group at one end.
As can be seen from the above results, the silver nanoparticles of the present invention easily form particles having an average particle diameter of 200 nm or more by the method of the present invention by using the amine compound, particularly diglycolamine, as component (b1). Thus, it can be seen that it is possible to produce a silver coating composition that facilitates obtaining a thick conductive film with a low resistance by giving an appropriate variation to the particle size distribution.
本発明により、刺激臭の強いアミンの排出量が抑えられた方法で、大粒径で広い分布を有し、厚膜で且つ高い導電性を有する銀導電層を容易に形成することのできる銀ナノ粒子を得ることができる。 According to the present invention, a silver conductive layer having a large particle size, a wide distribution, a large thickness, and high conductivity can be easily formed by a method in which the amount of amines with a strong irritating odor is suppressed. Nanoparticles can be obtained.
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