專利名稱：一種在水溶液中用化學(xué)還原法制備納米銅粉的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用電化學(xué)方法制備粉體材料，特別是涉及銅粉的制備。
背景技術(shù)：
由于銅粉的用途很廣，其制備方法的研究受到國(guó)內(nèi)外的極大關(guān)注。化學(xué)方法是通過(guò)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)生成物質(zhì)的基本粒子——分子、原子和離子等，經(jīng)過(guò)成核生長(zhǎng)和凝并而成為超細(xì)粉末，它是一種制備銅粉的有效途徑。
根據(jù)《材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2003，Vol.21，Nol，p57-59中介紹的制備銅粉的方法，采用KBH4作還原劑，制備出了顆粒粒徑在50～500nm的銅粉，但銅粉的大小很不均勻，不能保證其中值粒徑在100nm以下，因此，這種粉體不是確定意義下的納米粉體，其使用效果也會(huì)與納米粉體不同。
又據(jù)《機(jī)械工程材料》1998，Vol.22，No3，p33-37報(bào)道的方法，采用CuCl2為主鹽，KBH4為還原劑，制備銅粉，但其制備出的銅粉的顆粒直徑是由銅粉的比表面積推斷的，而且銅粉在透射電鏡下的圖像團(tuán)聚，無(wú)法確定其形狀和直徑。由此可見(jiàn)，文中所述方法不能確定制備的銅粉在納米尺度，即中值粒徑小于100nm。
另?yè)?jù)《華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)》1997，Vol.23，No3，p372-376報(bào)道的方法，采用CuSO4為主鹽，水合肼為還原劑制備出中值粒徑為591nm的銅粉。采用葡萄糖預(yù)還原法制備出中值粒徑為891nm的銅粉。由于這些方法制備的銅粉顆粒粒徑大，其應(yīng)用效果必然受到影響。
總之，化學(xué)還原法能采用不同形式的原料及反應(yīng)條件制得銅粉。但存在的主要問(wèn)題是所制備的銅粉顆粒尺寸大、形狀不規(guī)則、易于團(tuán)聚等。因此限制了銅粉的使用效果。所以，尋找一個(gè)合適的化學(xué)反應(yīng)，選擇相應(yīng)的反應(yīng)物料，使制備設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件較溫和。選擇有效的分散劑，以減少銅粉顆粒的團(tuán)聚，控制銅粉的成核和晶核的生長(zhǎng)速度，同時(shí)添加合適的催化劑以增大化學(xué)反應(yīng)速度等都是采用化學(xué)還原法制備超細(xì)銅粉的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)化學(xué)還原法制備納米銅粉存在的問(wèn)題，提出在水溶液中，采用化學(xué)還原法，將主鹽、還原劑、添加劑進(jìn)行適當(dāng)組合，同時(shí)外加物理場(chǎng)制備納米銅粉，使制備方法不僅簡(jiǎn)便，而且在獲得較高制備速度的同時(shí)，避免銅粉的團(tuán)聚和長(zhǎng)大，以保證制備的納米銅粉的顆粒的中值粒徑小于100nm，使納米銅粉在使用過(guò)程中發(fā)揮理想的效果。
本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程如下將下列主鹽、還原劑、添加劑A、添加劑B、添加劑C、添加劑D進(jìn)行組合，其中主鹽為硫酸銅、氯化銅中的任一種，含量為20～50g/L。還原劑為次亞磷酸鈉、硼氫化鉀、甲醛中的一種，含量為10～300g/L。添加劑從A、B、C、D每一類中任選一種。添加劑A為硝酸銀、氯化鈀，含量為1～10mg/L；添加劑B為明膠、十二烷基苯磺酸鈉，含量為10～50g/L；添加劑C為酒石酸鉀鈉、三乙醇胺，含量為10～50g/L；添加劑D為氫氧化鉀、氫氧化鈉，含量為20～60g/L。反應(yīng)物料配置后均勻混合，加熱至60～80℃，同時(shí)外加超聲場(chǎng)，其功率為600～800W。待物料反應(yīng)產(chǎn)生銅粉后，用冷凝器將含銅粉的物料冷卻至室溫，用高速離心機(jī)分離銅粉和溶液，將銅粉在保護(hù)氣氛下干燥。
本發(fā)明所闡述的納米銅粉的制備方法，將超聲場(chǎng)的作用引入化學(xué)還原法制備納米粉體的過(guò)程是一個(gè)顯著特點(diǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下特點(diǎn)在水溶液中制備銅粉時(shí)，銅原子在水溶液中還原需要克服一定的能壘才能形核、長(zhǎng)大，超聲場(chǎng)的加入給銅原子的形核和長(zhǎng)大提供了能量，如果沒(méi)有超聲場(chǎng)的作用，在本發(fā)明的溶液體系中銅的還原率很低、速度慢，甚至不能還原。同時(shí)，超聲場(chǎng)能控制溶液中的銅原子形核以后的長(zhǎng)大過(guò)程，減少團(tuán)聚，使制備出的銅粉的顆粒尺寸能保持在納米數(shù)量級(jí)。
本發(fā)明在溶液條件方面的特點(diǎn)在于添加劑B和添加劑C的同時(shí)加入能有效控制納米銅粉的團(tuán)聚和長(zhǎng)大，使得采用本發(fā)明的方法能制備出納米級(jí)的銅粉。
由于本方法采用化學(xué)還原與物理場(chǎng)相結(jié)合的方法制備銅粉，因此能夠制備出顆粒中值粒徑小于100m的銅粉，也就是嚴(yán)格意義上的納米粉體，為有效利用納米銅粉的性能提供了可能。
此外，由于本發(fā)明的納米粉體制備過(guò)程可在大氣、常溫下進(jìn)行，無(wú)需真空及高壓設(shè)備，因而制備設(shè)備投資小、工藝簡(jiǎn)單、制備成本低，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
再者，由于本發(fā)明的納米粉體制備過(guò)程主要應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，所選原料價(jià)格低廉、容易獲得，所以粉體制備效率高且制備成本低。


圖1為納米銅粉制備流程2為納米銅粉透射電鏡照片圖3為三種還原劑所制備納米銅粉的顆粒尺寸分布圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例1采用本發(fā)明的方法制備納米銅粉制備步驟如下(a)將下列物料按配方混合。
硫酸銅 20g/L甲醛 300g/L硝酸銀 5mg/L明膠 25g/L酒石酸鉀鈉 15g/L氫氧化鈉 45g/L(b)將混合均勻的物料加熱至80℃。
(c)在反應(yīng)釜中外加超聲場(chǎng)800W進(jìn)行反應(yīng)，生成納米銅粉。
(d)將反應(yīng)完全的物料冷卻至室溫。
(e)將物料中的納米銅粉與溶液分離。
(f)將納米銅粉在惰性氣體保護(hù)下干燥。
實(shí)施例2采用本發(fā)明的方法制備納米銅粉制備步驟如下(a)將下列物料按配方混合。
氯化銅 45g/L次亞磷酸鈉 20g/L氯化鈀 10mg/L十二烷基苯磺酸鈉 30g/L三乙醇胺 25g/L氫氧化鉀 30g/L(b)將混合均勻的物料加熱至75℃。
(c)在反應(yīng)釜中外加超聲場(chǎng)700W進(jìn)行反應(yīng)，生成納米銅粉。
(d)將反應(yīng)完全的物料冷卻至室溫。
(e)將物料中的納米銅粉與溶液分離。
(f)將納米銅粉在惰性氣體保護(hù)下干燥。
實(shí)施例3采用本發(fā)明的方法制備納米銅粉制備步驟如下(a)將下列物料按配方混合。
硫酸銅 30g/L硼氫化鉀 25g/L硝酸銀 2mg/L明膠 30g/L三乙醇胺 28g/L氫氧化鈉 37g/L(b)將混合均勻的物料加熱至70℃。
(c)在反應(yīng)釜中外加超聲場(chǎng)750W進(jìn)行反應(yīng)，生成納米銅粉。
(d)將反應(yīng)完全的物料冷卻至室溫。
(e)將物料中的納米銅粉與溶液分離。
(f)將納米銅粉在惰性氣體保護(hù)下干燥。
采用上述實(shí)施例，設(shè)備投資小、工藝簡(jiǎn)單、制備成本低，工藝過(guò)程見(jiàn)圖1。采用本方法所獲得的納米銅粉呈球形、且顆粒大小均勻，如圖2所示。將三種還原劑(對(duì)應(yīng)三個(gè)實(shí)施例)制備的銅粉，用激光粒度分析儀測(cè)試其顆粒粒徑，結(jié)果表明，納米銅粉的顆粒分布窄，其中值粒徑約為60nm，如圖3所示。由此可見(jiàn)，由于本發(fā)明在溶液中同時(shí)添加了B、C兩種添加劑，它們?cè)阢~粉的制備過(guò)程中發(fā)揮了兩方面作用，一方面銅離子還原速度得到了控制，另一方面還原的銅原子的長(zhǎng)大過(guò)程受到抑制。此外超聲場(chǎng)的加入，使其在給化學(xué)還原過(guò)程提供能量的同時(shí)，又限制了已生成銅原子的長(zhǎng)大。溶液條件和物理場(chǎng)兩方面綜合作用的結(jié)果使整個(gè)銅粉還原過(guò)程處于高形核率、低長(zhǎng)大速率的狀態(tài)，保證了采用本發(fā)明方法制備的銅粉的中值粒徑在納米數(shù)量級(jí)。
權(quán)利要求
1.一種在水溶液中用化學(xué)還原法制備納米銅粉的方法，將主鹽、還原劑、添加劑進(jìn)行組合，待物料反應(yīng)產(chǎn)生銅粉后，用冷凝器將含銅粉的物料冷卻至室溫，用高速離心機(jī)分離銅粉，再在保護(hù)氣氛下干燥，其特征在于，主鹽為硫酸銅、氯化銅中的任一種，含量為20～50g/L，還原劑為次亞磷酸鈉、硼氫化鈉、甲醛中的一種，含量為10～300g/L，添加劑從A、B、C、D每一類中任選一種，添加劑A為硝酸銀、氯化鈀，含量為1～10mg/L；添加劑B為明膠、十二烷基苯磺酸鈉，含量為10～50g/L；添加劑C為酒石酸鉀鈉、三乙醇胺，含量為10～50g/L；添加劑D為氫氧化鉀、氫氧化鈉，含量為20～60g/L，反應(yīng)物料配置后均勻混合，加熱至60～80℃，同時(shí)外加超聲場(chǎng)，其功率為600～800W。
全文摘要
一種在水溶液中用化學(xué)還原法制備納米銅粉的方法，涉及用電化學(xué)方法制備粉體材料。本發(fā)明提出在水溶液中，采用化學(xué)還原法，將主鹽、還原劑、添加劑進(jìn)行適當(dāng)組合，其中主鹽為硫酸銅、氯化銅中的任一種，還原劑為次亞磷酸鈉、硼氫化鈉、甲醛中的一種，添加劑從A、B、C、D每一類中任選一種，添加劑A為硝酸銀、氯化鈀；添加劑B為明膠、十二烷基苯磺酸鈉；添加劑C為酒石酸鉀鈉、三乙醇胺；添加劑D為氫氧化鉀、氫氧化鈉，同時(shí)外加超聲場(chǎng)，使制備方法不僅簡(jiǎn)便，而且在獲得較高制備速度的同時(shí)，避免銅粉的團(tuán)聚和長(zhǎng)大，以保證制備的納米銅粉的顆粒的中值粒徑小于100nm，使納米銅粉在使用過(guò)程中發(fā)揮理想的效果。
文檔編號(hào)B22F9/16GK1605419SQ20041000984
公開(kāi)日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者孫冬柏, 俞宏英, 孟惠民, 李輝勤, 樊自拴 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)