TWI403373B - 應用乙醇胺以製造奈米銀粒子之方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種製造奈米銀粒子之方法,尤指一種應用乙醇胺以製造奈米銀粒子之方法。
近年來,得到奈米銀粒子(silver nanoparticles;AgNp)的方法主要分為物理及化學兩種方法。物理法均需高真空氣化(vaporize)及電子束(e-beam)設備才可以進行。而化學還原法主要是藉由還原劑將銀離子還原成銀原子,再以穩定劑控制銀粒子的大小。還原劑如硼氫化鈉(NaBH4
)、甲醛、醇類、聯氨(H2
N-NH2
);穩定劑如檸檬酸鈉、葡萄醣、十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate)、聚乙烯吡咯烷酮(poly(N-vinyl-2-pyrrolidone),PVP)、樹枝狀高分子(dendrimer)等。
為使奈米銀粒子穩定並防止粒子凝集,在製備金屬奈米粒子過程中通常需添加分散劑或保護劑,藉由靜電排斥力或立體阻礙,讓粒子間無法凝聚。常用的分散劑包括水溶性的聚合物,例如PVP、polyvinylalcohol(PVA)、polymethylvinylether、poly(acrylic acid)(PAA)、非離子型界面活性劑、螯合劑等。
穩定銀粒子的方法可參見下列文獻:J. Phys. Chem. B 1998,102,10663-10666,以sodium polyacrylate或polyacrylamide為穩定劑。Chem. Mater. 2005,17,4630-4635,以thioalkylated poly(ethylene glycol)為穩定劑。J. Phys. Chem. B 1999,103,9533-9539,以檸檬酸鈉為穩定劑。Langmuir 1996,12,3585-3589,以非離子型界面活性劑為穩定劑。Langmuir 1997,13,1481-1485,以NaBH4
為還原劑,以陰、陽或非離子型界面活性劑為穩定劑;Langmuir 1999,15,948-951,以3-aminopropyl trimethoxysilane(APS)為穩定劑,以N,N-dimethylformamide為還原劑。
然而,上述穩定銀粒子的方法主要仍使用界面活性劑或穩定劑。這些方式製造的銀粒子固含量通常不到10wt%;而高固含量時有聚集的傾向。此外,在製備奈米銀粒子時,需使用有機溶劑、鹽類或還原劑方可達到氧化還原反應。此過程操作冗長且複雜,大幅增加生產成本;甚至須將銀離子的濃度降至ppm才可進行。若提高銀離子的濃度,還原時易造成銀粒子的聚集。因此,發展一效率高且穩定的方法來製備奈米銀粒子實有其必要性。
本發明之目的在於提供一種應用乙醇胺(ethanolamine)以製造奈米銀粒子之方法,其操作過程簡單、不需有機溶劑,且產生的銀粒子以奈米尺度均勻分散、於高濃度時穩定不聚集。
本發明之方法藉由乙醇胺與聚醚胺聚醚胺(poly(oxyalkylene)-amine)/環氧樹脂(epoxy)混合物或苯乙烯/馬來酐共聚物(poly(styrene-co-maleic anhydride)copolymers,SMA)反應生成一聚合性高分子(polymeric polymer),再使該聚合性高分子與銀離子反應,將銀離子還原成銀,並分散形成奈米銀粒子。乙醇胺之通式為(HOCH2
CH2
)3-Z
N(R)Z
,z=0、1、2,R=H、C1~C18之烷基或烯基;R較佳為甲基、乙基或環己基。乙醇胺之例子包括單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、(±)-1-胺基-異丙醇、二甘醇胺或N1
,N1
-二甲基丙醇-1,3-二胺。
在乙醇胺與聚醚胺/環氧樹脂混合物的反應中,反應溫度約100~150℃(較佳為110~130℃),反應時間約5~10小時;聚合性高分子與銀離子的反應溫度約15~35℃(較佳為20~30℃),反應時間約12~36小時。聚醚胺可為聚醚單胺、聚醚二胺或聚醚三胺;環氧樹脂較佳為雙環氧化合物(diepoxides),例如雙酚A的雙環氧甘油醚(diglycidyl ether of Bisphenol-A)或3,4-環氧環己基甲基3,4-環氧環己基甲酸酯(3,4-epoxycyclohexyl-methyl-3,4-epoxycyclohexane carboxylate)。
上述反應中,環氧樹脂之環氧基與乙醇胺之胺基之莫耳比較佳為1/3~3/1;聚醚胺之胺基與乙醇胺之胺基之莫耳比較佳為1/5~5;銀離子來源為硝酸銀(AgNO3
)時,聚合性高分子/AgNO3
之重量比較佳為1:99~99:1。
在乙醇胺與聚醚胺/環氧樹脂混合物的反應中,反應溫度約20~30℃(較佳為110~130℃),反應時間約3~6小時;聚合性高分子與銀離子的反應溫度約50~100℃(較佳為70~90℃之油浴中),反應時間約5~24小時。
上述反應中,SMA與乙醇胺之胺基之莫耳比較佳為1/10~2/1;銀離子來源為硝酸銀(AgNO3
)時,聚合性高分子/AgNO3
之重量比較佳為1:99~99:1。
本發明方法包括二主要階段:(A)使乙醇胺與聚醚胺/環氧樹脂混合物或苯乙烯/馬來酐共聚物合成聚合性高分子;(B)以聚合性高分子還原銀離子,產生奈米銀粒子。
本發明使用之乙醇胺通式為(HOCH2
CH2
)3-Z
N(R)Z
,z=0、1、2;R=H、C1~C18之烷基或烯基,例如甲基、乙基或環己基。其結構式舉例如表1所示。
本發明使用之環氧樹脂結構式如下:
本發明較佳實施例使用之環氧樹脂系列如表2所示。
本發明使用之聚醚胺包括聚乙烯醚二胺、聚乙烯醚單胺及包含多個聚乙烯醚鏈段之聚醚胺,係購自Huntsman Chemical Co.或Aldrich Chemical Co.。
聚乙烯醚單胺通式為R-NH2
,結構式如下:;其中a=0~10,b=10~50。例如分子量約2000之M-2070,其中a=10,b=31。
聚乙烯醚二胺通式為H2
N-R-NH2
,結構式如下:;其中a=10~50,b或c=0~10。例如分子量約2000之ED-2003,係結合乙烯醚(oxyethylene)與丙烯醚(oxypropylene)鏈段,其中a+c=6,b=39。
其餘聚醚胺舉例如下:
本發明使用硝酸銀(AgNO3
,99.8wt%)為銀離子來源,係購自Aldrich Co.。其他銀鹽,例如AgI、AgBr、AgCl、過氟丙酸銀(silver pentafluoropropionate)等亦可。
詳細實驗步驟說明如下:
ED2001先於120℃抽真空除水6小時。於500ml之三頸瓶中,加入BE188(7g,0.02mol)、ED2003(40g,0.02mol)及MEA(1.22g,0.02mol),使BE188/ED2001/MEA之莫耳比為1/1/1。以機械攪拌,全程充氮氣,溫度控制於120℃,反應5小時以上。反應以IR光譜監控,每隔一段時間取樣,直到環氧樹脂特性官能基波峰消失。反應完全後,得到淡黃色黏稠液體產物,反應式如第1圖所示。
取BE188/ED2003/MEA(0.2g)溶於水(10g)中,置於三頸瓶,以磁石攪拌。再加入AgNO3
(0.05g),在室溫下持續攪拌一天後,溶液會呈現墨黑色,反應全程通氮氣。以UV觀察,在波長430nm顯示出奈米銀顆粒的特徵吸收,證明奈米銀粒子已生成。
重複實施例1的操作步驟,但BE188/ED2003/MEA之莫耳比分別改為2/1/2及3/1/3。亦可得到高濃度且熱穩定性佳之奈米銀粒子。
重複實施例1的操作步驟,但單乙醇胺(MEA)改為二乙醇胺(DEA)。亦可得到高濃度且熱穩定性佳之奈米銀粒子。
重複實施例4的操作步驟,但BE188/ED2003/DEA之莫耳比分別改為2/1/2及3/1/3。亦可得到高濃度且熱穩定性佳之奈米銀粒子。
重複實施例1的操作步驟,但單乙醇胺(MEA)分別改為二甘醇胺(DGA)、N1
,N1
-二甲基丙醇-1,3-二胺(DAP)。亦可得到高濃度且熱穩定性佳之奈米銀粒子。
SMA與單乙醇胺先以120℃抽真空除水6小時,SMA及單乙醇胺分別溶於四氫呋喃(tetrahydrofurane,THF)中。於20℃到30℃下,將單乙醇胺(5.2g,85.6mmol)置於三頸瓶中,再將溶於THF(50mL)的SMA1000(10.0g,含42.8mmol之MA)少量多次加入三頸瓶中,確保反應之進行與未交聯,反應3小時至6小時。合成後的高分子不溶於THF,利用抽氣過濾將高分子與THF及過量乙醇胺之混合溶劑分離,進行純化。反應式如第2圖所示。取SMA/MEA於溶劑中溶解,結果在水中溶解性最佳,在乙醇中次之,在甲苯、丁酮(MEK)、丙酮及異丙醇(IPA)則不溶。
於圓底燒瓶中,取SMA/MEA(0.015g)溶於水(50g),並以磁石攪拌。再加入AgNO3
(0.005g),於80℃油浴中進行自我還原,製備奈米銀粒子,反應時間5小時。隨著奈米銀粒子濃度上升,溶液由淡黃色變成褐色。以UV觀察,在波長425nm顯示出奈米銀顆粒的特徵吸收,證明奈米銀粒子已生成。
重複實施例9的操作步驟,但步驟(B)中AgNO3
與分散劑SMA/MEA的重量比分別改為1/5、1/7及1/9。利用UV觀察,探討分散劑量與自我還原時間之關係。如第3圖所示,在AgNO3
與分散劑SMA/MEA比例為1/5、1/7及1/9時,UV吸收量不變,可知5小時後即完成還原反應。隨著分散劑量的增加,還原反應時間隨之減少。
重複實施例9的操作步驟,但單乙醇胺(MEA)分別改為二乙醇胺(DEA)及(±)-1-胺基-2-丙醇((±)-1-Amino-2-propanol,MPA)。亦可得到高濃度且熱穩定性佳之奈米銀粒子。
100ml之三頸瓶加入ED2001(10g,0.005mol),使溶於THF(10ml)。再加入PMDA(2.18g,0.01mol),使PMDA/ED2003/MEA之莫耳比為2/1/2。以機械攪拌,全程充氮氣,溫度控制低於30℃,反應兩小時以上。反應以IR光譜監控,每隔一段時間取樣,直至醯胺(amide)特性官能基不再生成,酐(anhydride)特性官能基波峰不再消失於FT-IR光譜。反應完全後,再加入MEA(0.61g,0.01mol),酐特性官能基波峰完全消失。得到乳白色黏稠固體沉澱物,再以減壓濃縮除去THF,得產物。反應式如第4圖所示。
重複實施例1的操作步驟(B),但以PMDA/ED2003/MEA代替BE188/ED2001/MEA。結果雖可穩定奈米銀離子,但無法自身還原成奈米銀粒子。若添加NaBH4
等較強烈之還原劑,則可還原成奈米銀粒子,證明本發明所合成之穩定劑為必要的。
重複實施例1的操作步驟,但步驟(A)改為合成BE188/MEA。步驟(B)以BE188/MEA代替BE188/ED2003/MEA。結果此分散劑不溶於水。
重複實施例1的操作步驟,但步驟(A)改為合成BE188/ED2003。步驟(B)以BE188/ED2003代替BE188/ED2001/MEA。結果瓶身底部有大量銀顆粒沉澱,證明本發明所合成之穩定劑為必要的。
重複實施例1的操作步驟(B),但以單純未反應之聚乙烯醚胺(ED2003)代替BE188/ED2003/MEA。結果得到聚集沉澱之銀聚集物。
上述實施例及比較例之操作條件及結果如表3所示
以本發明聚合性聚胺穩定過之銀奈米粒子,可再經由水流式減壓濃縮機或冷凍乾燥機除水,獲得10wt%,甚至30wt%以上高濃度的銀漿、銀膠或粉體。
由上述實施例及比較例可得到以下結論:
1.本發明製備奈米銀粒子使用之聚合性高分子(聚合性聚胺)具雙功能性,其官能基(例如羧酸、多胺、酰胺及羥官能基)可與銀離子螯合,並與水或有機溶劑之媒介更穩定;因此兼具穩定與還原銀之能力,亦可控制銀粒子於奈米尺度。
2.經由控制本發明合成之分散劑對銀粒子之比例,可均勻控制粒子於奈米級,通常小於100nm,甚至可達到10nm以下。
3.相較於習知商業化之銀分散液濃度僅達約5wt%,且有沈澱或粒子聚集等缺點,本發明方法製備之奈米銀粒子分散液具有高濃度及高均勻度;在經過低溫乾燥濃縮後,更可得高濃度之銀漿;銀漿又可再度分散成穩定分散液;本發明方法製備之奈米銀粒子因帶親油與親水性質,分散媒介可為水相或其他有機溶劑,如甲醇、乙醇、IPA、丙酮、THF、MEK、甲苯等。
4.本發明方法製備之奈米銀粒子可與有機高分子摻混,達到奈米尺度之分散,形成導電性或抗菌性較佳之奈米複合材料;有機高分子可為PI、環氧樹脂、耐綸(Nylon)、聚丙烯(PP)、ABS、聚苯乙烯(PS)等。
第1圖為乙醇胺、聚醚胺及環氧樹脂之反應圖
第2圖為乙醇胺及苯乙烯/馬來酐共聚物(SMA)之反應圖
第3圖顯示不同比例之SMA/MEA之UV吸收率與反應時間的關係
第4圖為乙醇胺、聚醚胺及PMDA之反應圖
Claims (17)
- 一種應用乙醇胺以製造奈米銀粒子之方法,包括步驟:(A)使乙醇胺(ethanolamine)、聚醚胺(poly(oxyalkylene)-amine)及環氧樹脂(epoxy)於100~150℃反應5~10小時,以產生一聚合性高分子,該乙醇胺之通式為(HOCH2 CH2 )3-Z N(R)Z ,z=0、1、2,R=H、C1~C18之烷基或烯基;(B)使該聚合性高分子與銀離子於15~35℃反應12~36小時,將銀離子還原成銀,並分散形成奈米銀粒子(簡稱AgNp)。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該乙醇胺之R為甲基、乙基或環己基。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該乙醇胺為單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、(±)-1-胺基-異丙醇、二甘醇胺或N1 ,N1 -二甲基丙醇-1,3-二胺。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該聚醚胺為聚醚單胺、聚醚二胺或聚醚三胺。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該環氧樹脂為雙環氧化合物(diepoxides)。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該環氧樹脂為雙酚A的雙環氧甘油醚(diglycidyl ether of Bisphenol-A)或3,4-環氧環己基甲基3,4-環氧環己基甲酸酯(3,4-epoxycyclohexyl-methyl-3,4-epoxycyclohexanecarboxylate)。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中環氧樹脂之環氧基與乙醇胺之胺基之莫耳比為1/3~3/1。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中聚醚胺之胺基與乙醇胺之胺基之莫耳比為1/5~5。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中銀離子來源為硝酸銀(AgNO3 ),且聚合性高分子/AgNO3 之重量比為1:99~99:1。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中步驟(A)之反應溫度為110~130℃。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中步驟(B)之反應溫度為20~30℃。
- 一種應用乙醇胺以製造奈米銀粒子之方法,包括步驟:(A)使乙醇胺及苯乙烯-馬來酐共聚物(poly(styrene-co-maleic anhydride)copolymers,SMA)混合反應合成一聚合性高分子,該乙醇胺之通式為(HOCH2 CH2 )3-Z N(R)Z ,z=0、1、2,R=H、C1~C18之烷基或烯基;反應溫度為20~30℃反應,時間為3~6小時(B)使該聚合性高分子與銀離子於50~100℃反應,時間為5~24小時將銀離子還原成銀,並分散形成奈米銀粒子。
- 如申請專利範圍第12項所述之方法,其中該乙醇胺之R為甲基、乙基或環己基。
- 如申請專利範圍第12項所述之方法,其中該乙醇胺為單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、(±)-1-胺基-異丙醇、二甘醇胺或N1 ,N1 -二甲基丙醇-1,3-二胺。
- 如申請專利範圍第12項所述之方法,其中SMA與乙醇胺之胺基之莫耳比為1/10~2/1。
- 如申請專利範圍第12項所述之方法,其中銀離子來源為硝酸銀(AgNO3 ),且聚合性高分子/AgNO3 之重量比為1:99~99:1。
- 如申請專利範圍第12項所述之方法,其中步驟(B)係於70~90℃之油浴中反應。
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- 2012-07-14 US US13/549,417 patent/US8951330B2/en active Active
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