KR20150081253A

KR20150081253A - 은의 무-용매 합성법 및 이에 의해 생산된 은 생산물

Info

Publication number: KR20150081253A
Application number: KR1020157007734A
Authority: KR
Inventors: 베내딕트 요크 존슨; 사무엘 오데이 오우수
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-07-13
Also published as: CN104884193B; WO2014036228A1; US20150307961A1; US9982322B2; JP2015533193A; EP2890510A1; CN104884193A

Abstract

고체 상태에서 금속성 또는 원소 은을 제조하는 방법은 여기에 기재된다. 이들 방법은 일반적으로 은-함유 화합물 및 유기산을 포함하는 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물을 형성하는 단계 이후에, 상기 은-함유 화합물의 양이온성 은 종들로부터 금속성 은을 형성하기에 효과적인 시간 및 온도에서 상기 반응 혼합물을 가열시키는 단계를 포함한다. 또한 이들 방법에 의해 생산된 금속성 또는 원소 은은 여기에 기재된다.

Description

은의 무-용매 합성법 및 이에 의해 생산된 은 생산물 {SOLVENT-FREE SYNTHESES OF SILVER AND SILVER PRODUCTS PRODUCED THEREBY}

본 출원은 2012년 8월 30일자에 출원된 미국 가 특허출원 제61/695,055호의 우선권을 주장하며, 이의 전체적인 내용은 참조로서 여기에 혼입된다.

본 개시는 일반적으로 금속성 (즉, 원소) 은의 생산에 관한 것이다. 좀더 구체적으로는, 여기에 기재된 다양한 구현 예는 적어도 실질적으로 무-용매 금속성 은을 제조하는 방법뿐만 아니라 이로부터 생산된 금속성 은에 관한 것이다.

은은 이의 특출한 특성 (예를 들어, 높은 전기 및 열 전도도, 가단성 (malleability), 연성 (ductility), 및 이의 내부식성) 때문에 산업적 목적을 위해 광범위하게 사용된다. 예시를 위하여, 은 또는 은 화합물을 혼입하는 생산물, 또는 이의 일반적 용도는, 사진 재료 (photographic materials), 전기 도금, 전기 도체, 치과 합금, 솔더 및 브레이징 합금들, 페인트, 보석, 동전, 거울 생산, 항균제, 및 물 정제를 포함한다.

금속성 은을 생산하는데 사용된 방법의 범위는 화학적, 물리적 (분무화 (atomization) 및 밀링), 전기화학적, 및 열적 분해 기술을 포함한다. 각 타입의 방법은 일반적으로 이의 기능적 특성을 궁극적으로 통제하기 위한 특징적인 모폴로지 및 순도로 입자를 생산한다. 다양한 현존하는 기술 중에서, 화학적 침전에 기초한 것은 입자 모폴로지, 제작 비용, 및 대량 생산을 위한 스케일-업 효율의 관점에서 뚜렷한 장점을 제공한다.

용액에서 금속성 은의 침전은 일반적으로, 용해된 은 염 종들 (salt species)이, 용액으로부터 침전되는, 금속성 은을 발생시키기 위해 환원제로 처리되는 화학적 환원을 포함한다. 비록 현존하는 방법이 비교적 간단하고, 빠른 환원 반응을 혼입할지라도, 이러한 방법들에 대해 사용된 환원제는 흔히 독성 및/또는 발암성이고, 많은 부피로 실행된 경우 안전성 및 건강 문제를 유발시킬 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 알코올 또는 폴리올을 사용하는 방법은 개발되어 왔다. 이들 방법은 일반적으로, 보호 리간드의 존재하에서, 환원제 및 용매 모두로 제공되는, 가열된 알코올 또는 폴리올을 사용하여 은 염 종들의 환원을 포함한다. 이들 알코올 또는 폴리올 방법의 주요 단점은 다량의 유기 용매가 금속염을 용해시키는데 사용되고, 따라서, 다량의 화학 폐기물이 발생하는 점에 있다.

따라서, 금속성 은을 생산하기 위해 사용될 수 있는 개선된 기술에 대한 요구가 있다. 만약 이들 방법이 좀더 간단하고, 덜 화학-집약적이며, 덜 비싸면서, 또한 금속성 은의 상업적-규모 생산이 쉽다면, 특히 유리할 것이다. 본 개시가 지향하는 것은 이러한 기술의 제공에 있다.

다양한 금속성 은의 제조 방법뿐만 아니라 이에 의해 생산된 은 입자는 여기에 기재된다.

금속성 은의 제조 방법의 하나의 타입은 은-함유 화합물과 유기산을 접촉시켜 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물을 형성하며, 상기 유기산의 농도는 상기 은-함유 화합물에서 양이온성 은 종들의 농도에 등몰이거나 또는 화학양론적 과량인 접촉 단계를 포함한다. 이러한 타입의 방법은 또한 상기 은-함유 화합물의 양이온성 은 종으로부터 금속성 은을 포함하는 반응 생산물을 생산하기에 충분한 시간 동안 유기산의 용융 온도 미만인 온도에서 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물을 가열시키는 단계를 포함한다.

이러한 타입의 방법의 어떤 구현 예에 있어서, 상기 은-함유 화합물은 질산은, 아질산은, 산화은, 황산은, 인산은, 은 할라이드 (silver halide), 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다. 유사하게, 이러한 타입의 방법의 어떤 중복 또는 비-중복 구현 예에 있어서, 상기 유기산은 젖산 (lactic acid), 시트르산 (citric acid), 옥살산 (oxalic acid), 아스코르브산 (ascorbic acid), 푸마르산 (fumaric acid), 말레인산 (maleic acid), 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다.

이러한 타입의 방법의 몇몇 예에 있어서, 상기 접촉 단계는, 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물이 촉매적으로 유효량의 촉매를 포함하도록, 촉매의 존재하에서 수행될 수 있다. 이들 예의 몇몇에 있어서, 상기 촉매는 알칼리 금속-함유 화합물을 포함할 수 있다. 상기 알칼리 금속-함유 화합물의 음이온성 종들은 상기 은-함유 화합물의 음이온성 종들과 동일한 것이 가능하다.

상기 상황에 의존하여, 상기 가열 단계의 온도는 적어도 약 50 ℃일 수 있다. 하나의 실시 예에 있어서, 상기 가열 단계의 온도는 약 100℃ 내지 약 150℃일 수 있다. 유사하게, 상기 상황에 의존하여, 상기 가열 시간은 약 10분 내지 약 24 시간일 수 있다. 하나의 실시 예에 있어서, 상기 가열 시간은 약 15분 내지 약 5 시간이다.

어떤 실행에 있어서, 이러한 타입의 방법은 반응 생산물로부터 금속성 은을 회수하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 실행에 있어서, 상기 회수 단계는, 금속성 은이 용매에 분산되고, 반응 생산물의 잔여 부분이 용매에 용해되도록, 용매에서 반응 생산물을 배치시키는 단계 이후에, 그 내부에 용해된 반응 생산물의 잔여 부분을 갖는 용매로부터 금속성 은을 분리시키는 단계를 수반한다.

상기 회수 단계가 실행된 경우, 이러한 타입의 방법은 상기 회수 단계 전에 반응 생산물을 냉각시키는 단계를 더욱 포함할 수 있다.

이러한 타입의 방법의 몇몇 실행에서 생산된 금속성 은은 90퍼센트를 초과하는 순간 수율 (fractional yield)로 생산될 수 있다.

하나의 타입의 금속성 은 생산물은 전술된 방법의 타입의 하나 이상의 구현 예에 따라 생산될 수 있다. 상기 금속성 은 생산물은 20ppm 미만의 비-은 (non-silver) 금속을 가질 수 있다. 부가적으로, 또는 선택적으로, 상기 금속성 은 생산물은 약 1 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.

또 다른 타입의 금속성 은을 제조하기 위한 방법은, 알칼리 금속-함유 화합물을 포함하는, 촉매적으로 유효량의 촉매 존재하에서 은-함유 화합물과 유기산을 접촉시켜 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물을 형성하며, 상기 유기산의 농도는 상기 은-함유 화합물에서 양이온성 은 종들의 농도에 등몰이거나 또는 화학양론적 과량인 접촉 단계를 포함한다. 이러한 타입의 방법은 또한 상기 은-함유 화합물의 양이온성 은 종들로부터 금속성 은을 포함하는 반응 생산물을 생산하기 위해 약 10분 내지 약 24시간 동안 상기 유기산의 용융 온도 미만인 온도에서 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 타입의 방법은 또한 상기 반응 생산물을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 타입의 방법은 또한 금속성 은이 용매에 분산되고, 냉각된 반응 생산물의 잔여 부분이 용매에 용해되도록, 용매에 냉각된 반응 생산물을 배치시키는 단계 이후에, 그 내부에 용해된 반응 생산물의 잔여 부분을 갖는 용매로부터 금속성 은을 분리시키는 단계를 포함할 수 있다.

이러한 타입의 방법의 몇몇 실행에 있어서, 상기 은-함유 화합물은 질산은일 수 있고, 상기 유기산은 아스코르브산일 수 있으며, 상기 알칼리 금속-함유 화합물은 질산나트륨일 수 있다.

다른 타입의 금속성 은 생산물은 금속성 은 생산물이 20 ppm 미만의 비-은 금속 및 약 1 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 포함하도록 전술된 타입의 방법 중 하나 이상의 구현 예에 따라 생산될 수 있다.

전술된 발명 내용 및 하기 상세한 설명 모두는 다양한 구현 예를 설명하고, 청구된 주제의 특성 및 본질을 이해하기 위한 개관 또는 틀거리를 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면은 다양한 구현 예의 또 다른 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서의 일부를 구성하고 혼입된다. 도면은 여기에 기재된 다양한 구현 예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 청구된 주제의 원리 및 작동을 설명하기 위해 제공된다.

도 1은 실시 예 1에 따라 생산된 은 생산물의 분말 x-선 회절 패턴이다.
도 2는 실시 예 2에 따라 생산된 은 생산물의 분말 x-선 회절 패턴이다.
도 3은 실시 예 3에 따라 생산된 은 생산물의 분말 x-선 회절 패턴이다.
도 4는 실시 예 4에 따라 생산된 은 생산물의 분말 x-선 회절 패턴이다.
도 5는 실시 예 5에 따라 생산된 은 생산물의 분말 x-선 회절 패턴이다.
이들 및 다른 관점들, 장점들, 및 우수한 특색들은 하기 상세한 설명, 첨부된 도면, 및 첨부된 청구항으로부터 명확해질 것이다.

동일한 참조 번호가 몇몇 도들에서 유사한 부분을 나타내는, 도면들을 참조하여, 대표적인 구현 예들은 상세하게 기재될 것이다. 본 상세한 설명 내내, 다양한 구성분은 특정 값 또는 파라미터를 갖는 것으로 확인될 것이다. 그러나, 이러한 항목은 본 개시의 대표적인 것으로 제공된다. 실제로, 대표적인 구현 예들은, 많은 비교가능한 파라미터, 크기, 범위, 및/또는 값들이 실행될 수 있음에 따라, 다양한 관점 및 개념들을 제한하지 않는다. 유사하게, 용어 "제1", "제2", "1차", "2차", "상부", "하부", "말단", "근위 (proximal)", 및 이와 유사한 것은 어떤 순서, 양, 또는 중요성을 의미하지 않고, 오히려 또 다른 것으로부터 하나의 요소를 구별하는데 사용된다. 더욱이, 용어들의 "단수" 또는 "복수"는 특별히 구분없이 사용하며, 비록 "단수"일지라도, 특별한 언급이 없는 한, 적어도 하나 또는 하나 이상을 의미한다.

여기에 개시된 방법들은 고체 은-함유 화합물의 양이온성 은 종들을 금속성 (즉, 원소) 은으로 환원시키는 고체 유기산의 사용에 일반적으로 기초된다. 이들 방법들은 적어도 실질적으로 무-용매 합성법, 순한 반응 조건, 및 상당히 덜한 화학 폐기물을 장점으로 제공한다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "적어도 실질적으로 무-용매", "적어도 실질적으로 용매가 없는", 및 다른 유사한 변형은, 금속성 은의 형성을 유도하는 공정 단계들 중 어느 하나 동안에 어떤 원료 물질 또는 (모든 원료 물질을 포함하는) 반응 혼합물에 의도적으로 첨가되거나 또는 사용된 용매가 없는 것을 의미하는 것으로 교환가능하게 사용된다. 적어도 실질적으로 용매가 없는 원료 물질 또는 반응 혼합물은 오염 때문에 소량의 용매를 비의도적으로 함유할 수 있거나 또는 용매를 함유하지 않을 수 있는 것으로 이해될 것이다. 또한, 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "용매"는 원료 물질 또는 반응 혼합물이 분산되고, 현탁되거나, 또는 적어도 부분적으로 용매화되는 액체를 포괄하는 것으로 의도된다.

이들 방법은 일반적으로 은-함유 화합물 및 유기산을 포함하는 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물을 형성하는 단계를 포함하고, 뒤이어, 은-함유 화합물의 양이온성 은 종으로부터 금속성 은을 포함하는 반응 생산물을 형성하기에 효과적인 시간 및 온도에서 반응 혼합물을 가열시키는 단계를 포함한다. 전술된 바와 같이, 상기 유기산은 양이온성 은 종이, 가열 단계 동안, 이의 금속성 또는 원소 상태로 환원되는 환원제로서 제공된다.

일반적으로, (무-용매 고체 상태) 반응 혼합물의 형성은 고체 은-함유 화합물과 유기산을 접촉시키는 단계를 포함한다. 이것은, 예를 들어, 유기산의 입자와 은-함유 화합물의 입자를 조합 또는 혼합시켜, 상기 은-함유 화합물의 고체 모놀리식 몸체 (monolithic body)에 상기 유기산의 입자를 증착시켜 또는 반대로, 또는 이와 같은 것으로 달성될 수 있다. 상기 방법의 어떤 실행에 있어서, 고체 모놀리식 몸체는 은-함유 화합물 및 유기산 입자가 조합 또는 혼합된 후에 형성될 수 있다.

은-함유 화합물의 선택은, 여기에 기술된 방법이 다양한 물질 선택 중 어느 하나를 사용하여 금속성 은을 산출하기 때문에, 특정 조성물에 제한되지 않는다. 예를 들어, 은-함유 화합물은 이원 화합물 (예를 들어, 질산은, 아질산은, 산화은, 황산은, 인산은, 은 할라이드 또는 이와 유사한 것), 양이온성 은 종 및 다른 양이온 종을 포함하는 삼원 또는 다원 화합물, 이의 혼합물, 또는 하나 이상의 전술된 은-함유 화합물 및 비-은-함유 화합물을 포함하는 조합일 수 있다.

유사하게, 유기산의 선택은, 여기에 기재된 방법이 다양한 물질 선택 중 어느 하나를 사용하여 금속성 은을 산출하기 때문에, 특정 조성물에 제한되지 않는다. 상기 유기산에 대한 유일한 요구조건은 실온 및 반응 혼합물이 가열 단계 동안 노출되는 온도 모두에서 고체인 것이다. 예를 들어, 상기 유기산은 젖산, 시트르산, 옥살산, 아스코르브산, 푸마린산, 말레인산, 또는 이와 유사한 것, 또는 이의 혼합물일 수 있다.

상기 반응 혼합물 제조에 있어서, 상기 반응 혼합물에서 유기산과 은-함유 화합물의 상대적 양 또는 비에 특별한 제한은 없다. 그러나, 상기 은-함유 화합물에서 양이온성 은 종들의 모두 또는 실질적으로 모두가 금속성 은으로 환원되는 것을 보장하기 위하여, 상기 은-함유 화합물에서 유기산 대 양이온성 은 종의 몰비는 약 1 이상이어야 한다. 즉, 상기 유기산의 농도는 은-함유 화합물에서 양이온성 은 종의 농도에 적어도 등몰이거나, 또는 화학양론적으로 과량이어야 한다.

여기에 기재된 방법의 어떤 실행에 있어서, 선택적인 촉매는 상기 양이온성 은 종을 금속성 은으로의 환원을 가능하게 하고, 신속하게 하기 위해 사용될 수 있다. 상기 선택적인 촉매가 사용된 경우, 그것은 상기 반응 혼합물에 포함된다. 따라서, 이들 경우에 있어서, 반응 혼합물의 형성은 촉매의 존재하에서 상기 유기산과 고체 은-함유 화합물을 접촉시키는 단계를 포함한다. 이것은 은-함유 화합물 및 유기산 모두의 입자와 조합 또는 혼합된 미립자-계 촉매 물질을 사용하여, 다른 은-함유 화합물 또는 유기산의 고체 모놀리식 몸체에 촉매의 입자 및 상기 유기산 또는 은-함유 화합물 중 하나를 배치하여, 은-함유 화합물 및 유기산의 고체 모놀리식 몸체에 촉매의 입자를 증착시켜, 또는 유사한 것에 의해 달성될 수 있다. 어떤 실행에 있어서, 삼 성분 모두의 고체 모놀리식 몸체는 상기 삼 성분의 입자가 혼합 또는 조합된 후에 형성될 수 있다.

상기 선택적인 촉매 물질은 일반적으로 양이온 알칼리 금속 종을 포함하는 알칼리 금속-함유 화합물을 포함할 것이다. 대표적인 구현 예에 있어서, 상기 알칼리 금속-함유 화합물 및 은-함유 화합물은 동일한 타입의 화합물이다 (즉, 상기 알칼리 금속-함유 화합물의 음이온성 종은 상기 은-함유 화합물의 음이온성 종과 동일하다). 예를 들어, 이러한 구현 예에 있어서, 상기 은-함유 화합물이 질산은인 경우, 그 다음 상기 알칼리 금속-함유 화합물은 알칼리 금속 질산염 (예를 들어, 질산나트륨 또는 질산 칼륨)이다.

사용된 경우, 상기 선택적인 촉매 물질은 적어도 촉매적으로 유효량으로 존재할 것이다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어 "촉매적으로 유효량"은, 촉매의 양이, 사용된 조건 하에서, 촉매 물질 없는 동일한 반응과 비교하여 상기 양이온성 은 종을 이의 원소 형태로의 화학적 환원을 촉발시키기에 충분하다는 것을 의미한다. 상기 은-함유 화합물 내의 양이온성 은 종들에 대한 상기 알칼리 금속-함유 화합물 내의 양이온 알칼리 금속 종들의 몰 비로 표현될 수 있는, 이러한 양은, 0.1 만큼 낮을 수 있다. 상기 유기산이 양이온 알칼리 금속 종들보다 상기 양이온성 은 종들을 선택적으로 및 우선적으로 환원시키기 때문에, 상기 촉매 양의 상한은 없다.

상기 은-함유 화합물 및 유기산 (및, 선택적으로, 촉매)를 포함하는 반응 혼합물이 형성 즉시, 이는 가열 단계에 적용될 수 있다. 일반적으로, 이것은 상기 양이온성 은 종으로부터 금속성 은을 포함하는 반응 생산물을 생산하기에 충분한 시간 동안 상승된 온도로 상기 반응 혼합물을 가열시키는 단계를 포함한다. 상기 가열 단계는 다른 분위기 조건 (예를 들어, 아르곤, 질소, 또는 유사한 것)에서 실행될 수 있는 반면, 대부분 실행에 있어서, 그것은 일반적으로 공기 중에서 수행된다.

상기 가열 단계 (및, 선택적으로, 촉매)에 의해 유도된 바와 같이, 환원 반응은 발열 반응이다. 따라서, 상기 유기산의 잠재적인 분해를 피하기 위해, 상기 반응 혼합물이 가열 단계 동안 가열된 온도는 상기 유기산의 용융 온도 이하일 것이다. 일반적으로, 상기 가열 단계의 온도는 약 50℃ 내지 상기 유기산의 용융 온도일 것이다. 그러나, 대부분 실행에 있어서, 상기 가열 단계의 온도는 약 100 ℃ 내지 약 150 ℃일 것이다.

상기 가열 단계의 지속 기간은 일반적으로 가열 단계의 온도 및 선택적인 촉매가 반응 혼합물에서 실행되었는지의 여부에 의존할 것이다. 이러한 지속 기간의 상한은 금속성 은으로 원하는 양의 양이온성 은 종을 화학적으로 환원시키는데 필요한 기간일 것이다. 일반적으로, 상기 가열 단계의 지속 기간은 약 10분 내지 약 24시간일 것이다. 그러나, 대부분 실행에 있어서, 상기 가열 단계의 지속 기간은 약 15분 내지 약 5 시간일 것이다.

본 개시가 속하는 기술분야의 당업자들은 선택적인 촉매의 사용이 사용될 더 짧은 지속 기간 및/또는 더 낮은 온도를 결과할 수 있는 것을 인지할 것이다. 제공된 가열 단계의 정확한 시간 및 온도는 과도한 실험없이 존재하는 본 개시가 속하는 기술분야의 당업자들에 의해 쉽게 결정될 수 있다.

상기 가열 단계가 완성 즉시, 상기 금속성 은은 반응 생산물로부터 회수 또는 분리될 수 있다. 상기 회수 또는 분리 단계는 금속성 은 입자가 분산되고, 반응 생산물의 잔여 부분 (즉, 어떤 미반응 물질 및/또는 반응 부산물)이 용해된 용매의 사용을 포함할 수 있고, 뒤이어, 그 내부에 용해된 반응 생산물의 잔여 부분을 갖는 용매로부터 금속성 은을 (예를 들어, 여과, 디켄팅 (decanting), 또는 유사한 것에 의해) 분리시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 단계를 위한 적절한 용매는 금속성 은이 용해되지 않고, 금속성 은이 반응하지 않는 용매일 것이다. 이들 용매는 물, 단순 알코올 (simple alcohols) (예를 들어, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 및 유사한 것) 또는 유사한 것을 포함한다. 상기 금속성 은이 분리된 경우, 상기 용매는 선택적으로 그 내부에 용해된 반응 생산물 (미반응 물질 및/또는 반응 부산물)의 성분을 회수하기 위해 처리될 수 있다.

상기 반응 생산물이 고체 모놀리식 몸체이거나, 또는 복수의 큰 응집된 입자를 포함하는 시나리오에 있어서, 상기 용매에 이를 배치하기 전에 (예를 들어, 모르타르 및 페스틸, 기계적 마멸 또는 유사한 것으로 분쇄에 의해), 및/또는 용매에 있는 동안 (예를 들어, 기계적 교반, 초음파 변환기, 또는 이와 유사한 것에 의해) 깨어질 수 있다.

상기 회수 단계가, 여기에 기재된 방법의 대부분 실행에서, 가열 단계 바로 직후 수행될 수 있지만, 상기 회수 단계는 반응 생산물이 더 낮은 온도 (예를 들어, 실온)으로 냉각된 후에 수행될 수 있다.

이들의 다양한 실행에 있어서, 전술된 방법은 매우 효과적일 수 있다. 즉, 90 퍼센트 (%)를 초과하는 반응 생산물에서 은에 대한 순간 수율은 쉽게 달성가능하다. 많은 실행에 있어서, 특히 화학양론적 과량의 유기산이 사용된 경우, 100% 순간 수율은 얻어질 수 있다.

부가적으로, 전술된 방법을 사용하여 생산된 금속성 은 생산물은 매우 순수할 수 있다. 즉, 상기 회수 또는 분리된 금속성 은은 일반적으로, 예를 들어, 유도 결합 플라즈마-질량 분광기 (inductively coupled plasma-mass spectrometry) (ICP-MS)와 같은 기술에 의해 정량화하여, 20 ppm 미만의 비-은 금속을 가질 것이다. 많은 실행에 있어서, 특히 상기 반응 온도 및 시간이 더 길어지고, 상기 회수 단계가 좀더 완전하게 수행되는 경우에, 상기 회수된 금속성 은이 10 ppm 미만의 비-은 금속을 가질 것이다.

고순도에 부가하여, 상기 금속성 은은 (예를 들어, 분말 X-선 회절 (PXRD)에 의해 나타낸 바와 같은) 고 결정도를 나타낸다.

상기 금속성 은의 (입자의 평균 가장 긴 단면 치수로 고려되는) 평균 입자 크기는 약 1 마이크로미터 이하이다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어 "가장 긴 단면 치수"는 입자의 가장 긴 단면 치수를 의미한다. 따라서, 명확히 하기 위하여, 입자가 원형인 경우, 가장 긴 단면 치수는 이의 직경이고; 입자가 타원-형인 경우, 가장 긴 단면 치수는 타원의 가장 긴 직경이며; 그리고 입자가 불규칙적인-형상인 경우, 가장 긴 단면 치수는 입자의 둘레 상에 두 개의 가장 먼 반대 점 사이의 선이다. 많은 실행에 있어서, 상기 금속성 은의 평균 입자 크기는 약 50 나노미터 (nm) 내지 약 500 nm이다.

여기에 기재된 방법의 친환경적 적용에 있어서, 상기 은-함유 화합물의 공급원은 산업 공정으로부터 얻어진다. 구체적으로는, 상기 은-함유 화합물은 항균 능력을 갖는 유리 및 다른 물질 표면을 제공하는데 사용하는 대로, "폐 (spent)" 또는 "다 사용된" 은 이온 교환 욕조일 수 있다. 초기 은 이온 교환 욕조 (즉, 유리 또는 다른 물질에 대해 항균 특성을 부여하는데 사용하기 전)는 용융 질산은으로부터 형성될 수 있다. 어떤 상황에 있어서, 초기 은 이온 교환 욕조는 용융 질산은 및 질산나트륨으로부터 형성될 수 있다. 실행된 때, 상기 이온 교환 욕조는 비-은 이온성 종들 (즉, 은 이온 교환을 허용하기 위하여 유리 또는 다른 물질로부터 교환되는 이온들)로 오염된다. 결국, 상기 이온 교환 욕조는 너무 오염되어 효율적인 은 이온 교환을 위해 유용하지 않다. 이러한 상황 하에서, 상기 은 이온 교환 욕조는 "폐" 또는 "다 사용된" 것으로 말한다.

여기에 기재된 방법의 이러한 적용에 있어서, (몸체의 용융 온도 아래인 경우) 고체 모놀리식 몸체인, 폐 은 이온 교환 욕조는 분말로 분쇄될 수 있다. 분말 형태에서, 유기산의 등몰 (또는 초과) 양은, 폐 은 이온 교환 욕조 분말과 혼합될 수 있다. 만약 초기 은 이온 교환 욕조가 질산나트륨을 함유하지 않는다면, 그 다음 질산나트륨 분말은 촉매로서 첨가될 수 있다. 이 시점에서, 상기 반응 혼합물을 형성되고, 가열 단계를 위해 준비된다.

따라서 형성된 반응 혼합물은 약 20분 내지 약 90분 동안 약 100 ℃ 내지 약 140 ℃의 온도의 개방 가열로에서 공기 중에 가열될 수 있다. 가열 단계 후에, 상기 반응 생산물은 실온으로 냉각될 수 있다. 냉각 즉시, 상기 반응 생산물은 반응 생산물의 나머지로부터 금속성 은을 분리하기 위해 물 및/또는 에탄올에 배치될 수 있다. 이들 조건 하에서, 상기 금속성 은은 물 및/또는 에탄올 용액 내에 분산될 것이고, 상기 반응 생산물의 나머지는 그 안에 용해될 것이다. 상기 반응 생산물의 나머지로부터 금속성 은 생산물의 분리를 가능하게 하기 위하여, 상기 용액은 격렬하게 교반될 수 있다. 이 시점에서, 상기 금속성 은은 여과에 의해 용액으로부터 회수될 수 있다. 이들 조건 하에서, 은의 순간 수율은 약 97%를 초과할 수 있다.

여기에 기재된 방법의 적용들에 있어서, 상기 금속성 은 생산물은 고 결정화될 수 있고, 5 ppm 미만의 비-은 금속을 가질 수 있다. 부가적으로, 이들 금속성 은 생산물의 평균 입자 크기는 약 120 nm 내지 약 400 nm일 수 있다.

본 개시의 다양한 구현 예는 하기 비-제한 실시 예에 의해 더욱 예시된다.

실시 예

실시 예 1

본 실시 예에 있어서, 금속성 은 분말은 은-함유 화합물로서 질산은, 유기산으로서 아스코르브산, 및 선택적 알칼리 금속-함유 촉매로서 질산나트륨을 사용하여 제작된다.

약 6.0grams(g)의 질산은, 약 6.22 g의 아스코르브산, 및 약 0.6g의 질산나트륨은 포셀린 도가니에서 완전히 혼합된다. 이것은 아스코르브산에 대한 양이온 은의 대략 등몰 비에 상응한다. 상기 고체 혼합물은 공기 벤트 가열로에 놓이고, 그 다음 약 1시간 동안 약 140℃에서 가열 및 유지된다. 약 한 시간 후에, 상기 분말 혼합물은 실온으로 냉각된다. 상기 반응의 회색 생산물은 약 5분 동안 교반하면서 에탄올로 세척된다. 그 다음, 탈이온 (DI) 수는 에탄올-함유 혼합물에 첨가되고, 약 10분에 걸쳐, 용액이 투명해질 때까지 격렬하게 교반된다. 침전물은 기울여 따르기 (decantation)에 의해 용액으로부터 분리되고, DI 수로 여러 번 세척된 이후에, 약 2시간 동안 약 110℃에서 건조시킨다. 건조된 침전물은 상기 생산물의 결정도 및 순도를 각각 결정하기 위해 분말 X-선 회절 (PXRD) 및 유도 결합 플라즈마-질량 분광법 (ICP-MS)을 사용하여 특징화된다.

도 1은 본 실시 예에 따라 생산된 건조 침전 생산물의 PXRD 패턴이다. 도 1에서 나타낸 패턴은 높은-결정질 금속성 은 샘플을 보여준다. ICP-MS은, 은 이외에, 상기 샘플이 1ppm (part per million) 미만의 나트륨, 알루미늄, 칼슘 및 구리; 5 ppm 미만의 칼륨; 및 2 ppm 미만의 니켈을 함유하는 것으로 나타난다. 따라서, 고순도 금속성 은은 본 실시 예에서 생산될 수 있다.

실시 예 2

약 8.0 g의 질산은, 약 9.95 g의 아스코르브산, 및 약 0.8g의 질산나트륨은 포셀린 도가니에서 완전히 혼합된다. 이것은 양이온 은에 대하여 과량의 화학양론적 양의 아스코르브산의 양에 상응한다. 상기 고체 혼합물은 공기 벤트 가열로에 놓이고, 그 다음 약 1시간 동안 약 140℃로 가열되고 유지된다. 약 1 시간 후, 상기 분말 혼합물은 실온으로 냉각된다. 상기 반응의 회색 생산물은 약 5분 동안 교반하면서 에탄올로 세척된다. 그 다음, DI 수는 에탄올-함유 혼합물에 첨가되고, 약 10분에 걸쳐 용액이 투명해질 때까지 격렬하게 교반된다. 상기 침전물은 기울여 버리기에 의해 용액으로부터 분리되고, DI 수로 여러 번 세척된 후에, 약 2시간 동안 약 110℃에서 건조시킨다. 건조된 침전물은 생산물의 결정도 및 순도를 각각 결정하기 위해 PXRD 및 ICP-MS을 사용하여 특징화된다.

도 2는 본 실시 예에 따라 생산된 건조 침전 생산물의 PXRD 패턴이다. 도 2에 나타낸 패턴은 고-결정질 금속성 은 샘플을 나타낸다. ICP-MS은, 은 이외에, 상기 샘플이 1 ppm 미만의 나트륨, 알루미늄, 칼슘, 및 구리; 5 ppm 미만의 칼륨; 및 2 ppm 미만의 니켈을 함유하는 것으로 나타난다. 따라서, 고순도 금속성 은은 본 실시 예에 생산될 수 있다.

실시 예 3

분말 반응 혼합물이 가열 단계 동안 약 3시간 동안 약 130℃에서 유지되는 것을 제외하고는, 실시 예 2에서 전술된 정확한 절차는 수행된다.

도 3은 본 실시 예에 따라 생산된 건조 침전 생산물의 PXRD 패턴이다. 도 3에 나타낸 패턴은 고-결정질 금속성 은 샘플을 나타낸다. ICP-MS는, 은 이외에, 상기 샘플이 1 ppm 미만의 나트륨, 알루미늄, 칼슘, 및 구리; 5 ppm 미만의 칼륨; 및 2 ppm 미만의 니켈을 함유하는 것으로 나타난다. 따라서, 고순도 금속성 은은 본 실시 예에서 생산될 수 있다.

실시 예 4

본 실시 예에 있어서, 금속성 은 분말은 은-함유 화합물로서 질산은, 유기산으로서 아스코르브산, 및 선택적인 알칼리 금속-함유 촉매로서 질산나트륨을 사용하여 제작된다.

약 8.0 g의 질산은, 약 9.94 g의 아스코르브산, 및 약 1.6 g의 질산나트륨은 포셀린 도가니에서 완전히 혼합된다. 이것은 양이온 은에 대하여 과량의 화학양론적 양의 아스코르브산의 양 및, 실시 예 2의 반응 혼합물에 대하여 상기 알칼리 금속-함유 촉매의 양의 두 배에 상응한다. 상기 고체 혼합물은 공기 벤트 가열로에 놓이고, 그 다음 약 1시간 동안 약 140℃에서 가열 및 유지된다. 약 1 시간 후, 상기 분말 혼합물은 실온으로 냉각된다. 상기 반응의 회색 생산물은 약 5분 동안 교반하면서 에탄올로 세척된다. 그 다음, DI 수는 에탄올-함유 혼합물에 첨가되고, 10분에 걸쳐 용액이 투명해질 때까지 격렬하게 교반된다. 상기 침전물은 기울여 버리기에 의해 용액으로부터 분리되고, DI 수로 여러 번 세척된 후에, 약 2시간 동안 약 110℃에서 건조시킨다. 건조 침전물은 생산물의 결정도 및 순도를 각각 결정하기 위해 PXRD 및 ICP-MS을 사용하여 특징화된다.

도 4는 본 실시 예에 따라 생산된 건조 침전 생산물의 PXRD 패턴이다. 도 4에 나타낸 패턴은 고 결정질 금속성 은 샘플을 나타낸다. ICP-MS는, 은 이외에, 상기 샘플이 1 ppm 미만의 나트륨, 알루미늄, 칼슘, 및 구리; 5 ppm 미만의 칼륨; 및 2 ppm 미만의 니켈을 함유하는 것으로 나타난다. 따라서, 고 순도 금속성 은은 본 실시 예에 생산될 수 있다.

실시 예 5

본 실시 예에 있어서, 금속성 은 분말은 은-함유 화합물로서 질산은, 유기산으로서 아스코르브산, 및 선택적 알칼리 금속-함유 촉매로서 질산나트륨을 사용하여 제작된다. 그러나, 질산은 및 질산나트륨 공급원이 상업적으로 구매한 분말인, 실시 예 1-4와 대조적으로, 본 실시 예에서 이들 물질의 공급원은 약 50 중량퍼센트 (wt%) 질산은 및 약 50 wt% 질산나트륨의 초기 조성물을 갖는 폐 고체 은 이온 교환 욕조이다.

먼저, 고체 샘플은 분말로 으깨고, 분쇄된다. 그 다음, 약 12 g의 분말 샘플 및 약 8.0g의 아스코르브산은 유리 비이커에 완전히 혼합된다. 상기 혼합물은 약 100 ℃에서 공기 벤트 오븐에 놓이고, 약 30분 동안 유지된다. 약 30 분 후에, 상기 분말 혼합물은 실온으로 냉각된다. 상기 반응의 회색 생산물은 약 5분 동안 교반하면서 에탄올로 세척된다. 그 다음, DI 수는 에탄올-함유 혼합물에 첨가되고, 약 10분에 걸쳐 용액이 투명해질 때까지 격렬하게 교반된다. 상기 침전물은 기울여 따르기에 의해 용액으로부터 분리되고, DI 수로 여러 번 세척된 후에, 약 2시간 동안 약 110℃에서 건조시킨다. 건조된 침전물은 생산물의 결정도 및 순도를 각각 결정하기 위해 PXRD 및 ICP-MS을 사용하여 특징화된다.

도 5는 본 실시 예에 따라 생산된 건조 침전 생산물의 PXRD 패턴이다. 도 5에서 나타낸 패턴은 고-결정질 금속성 은 샘플을 나타낸다. ICP-MS는, 은 이외에, 상기 샘플이 1 ppm 미만의 나트륨, 알루미늄, 칼슘, 및 구리; 5 ppm 미만의 칼륨; 및 2 ppm 미만의 니켈을 함유하는 것으로 나타난다. 따라서, 고순도 금속성 은은 본 실시 예에 생산될 수 있다.

상기 상세한 설명 및 실시 예들로부터 알 수 있는 바와 같이, 여기에 기재된 방법은 이들의 간편성, 경제적 특징, 및 산업적으로 규모를 늘리는 능력의 결과에 따라, 특히 분말 금속공학의 영역에서 유용하다.

여기에 개시된 구현 예가 예시의 목적을 위해 서술되는 동안에, 상기 상세한 설명은 첨부된 청구항 또는 본 개시의 범주에 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 따라서, 다양한 변형, 적용, 및 변경은 본 개시 또는 첨부된 청구항의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 기술분야의 당업자에게서 일어날 수 있다.

Claims

은-함유 화합물과 유기산을 접촉시켜 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물을 형성하며, 여기서 상기 유기산의 농도는 상기 은-함유 화합물에서 양이온성 은 종들의 농도에 등몰이거나 또는 화학양론적 과량인 접촉 단계; 및
상기 은-함유 화합물의 양이온성 은 종으로부터 금속성 은을 포함하는 반응 생산물을 생산하기 위해 효과적인 시간 동안 상기 유기산의 용융 온도 미만의 온도로 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물을 가열시키는 단계를 포함하는, 금속성 은의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 은-함유 화합물은 질산은, 아질산은, 산화은, 황산은, 인산은, 은 할라이드, 또는 이의 혼합물을 포함하는, 금속성 은의 제조방법.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유기산은 젖산, 시트르산, 옥살산, 아스코르브산, 푸마린산, 말레인산, 또는 이의 혼합물을 포함하는, 금속성 은의 제조방법.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 접촉 단계는 촉매의 존재하에서 수행되고, 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물은 촉매적으로 유효량의 촉매를 포함하는, 금속성 은의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 촉매는 알칼리 금속-함유 화합물을 포함하는, 금속성 은의 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 알칼리 금속-함유 화합물의 음이온성 종들은 은-함유 화합물의 음이온성 종들과 동일한, 금속성 은의 제조방법.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 단계의 온도는 적어도 약 50℃인, 금속성 은의 제조방법.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 단계의 온도는 약 100℃ 내지 약 150 ℃인, 금속성 은의 제조방법.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 단계의 시간은 약 10분 내지 약 24 시간인, 금속성 은의 제조방법.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 단계의 시간은 약 15분 내지 약 5 시간인, 금속성 은의 제조방법.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 생산물로부터 금속성 은을 회수하는 단계를 더욱 포함하는, 금속성 은의 제조방법.
청구항 11에 있어서,
상기 회수 단계는:
상기 반응 생산물을 용매에 배치하며, 여기서 상기 금속성 은은 용매에 분산되고, 상기 반응 생산물의 잔여 부분은 용매에 용해되는 배치 단계; 및
그 내부에 용해된 반응 생산물의 잔여 부분을 갖는 용매로부터 상기 금속성 은을 분리시키는 단계를 포함하는, 금속성 은의 제조방법.
청구항 11 또는 12에 있어서,
상기 반응 생산물로부터 금속성 은을 회수하는 단계 전에 상기 반응 생산물을 냉각시키는 단계를 더욱 포함하는, 금속성 은의 제조방법.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속성 은은 90 퍼센트를 초과하는 순간 수율로 생산되는, 금속성 은의 제조방법.
청구항 1의 방법에 의해 생산된 금속성 은 생산물.
청구항 15에 있어서,
상기 금속성 은 생산물은 20 ppm 미만의 비-은 금속을 포함하는, 금속성 은 생산물.
청구항 15 또는 16에 있어서,
상기 금속성 은 생산물은 약 1 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 포함하는, 금속성 은 생산물.
알칼리 금속-함유 화합물을 포함하는 촉매적으로 유효량의 촉매 존재하에서 은-함유 화합물과 유기산을 접촉시켜 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물을 형성하며, 여기서 상기 유기산의 농도는 상기 은-함유 화합물에서 양이온성 은 종들의 농도에 등몰이거나 또는 화학양론적 과량인 접촉 단계;
상기 은-함유 화합물의 양이온성 은 종들로부터 금속성 은을 포함하는 반응 생산물을 생산하기 위해 약 10분 내지 약 24시간 동안 상기 유기산의 용융 온도 미만인 온도에서 적어도 실질적으로 무-용매 고체 상태 반응 혼합물을 가열하는 단계;
상기 반응 생산물을 냉각시키는 단계;
용매에서 냉각된 반응 생산물을 배치시키고, 여기서 상기 금속성 은은 용매에 분산되고, 상기 냉각된 반응 생산물의 잔여 부분은 용매에 용해되는 배치 단계; 및
그 내부에 용해된 반응 생산물의 잔여 부분을 갖는 용매로부터 상기 금속성 은을 분리시키는 단계를 포함하는, 금속성 은의 제조방법.
청구항 18에 있어서,
상기 은-함유 화합물은 질산은이고, 상기 유기산은 아스코르브산이며, 상기 알칼리 금속-함유 화합물은 질산나트륨인, 금속성 은의 제조방법.
청구항 18 또는 19에 있어서,
20 ppm 미만의 비-은 금속 및 약 1 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 포함하는, 금속성 은의 제조방법.