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納米金屬銅粉的制備方法及應用

2017-03-01 12:35:38 作者：本網整理來源：粉體圈分享至：

    納米金屬銅粉因其具有獨特的光、電、磁、熱和化學特性，廣泛應用于高效催化劑、導電電漿、陶瓷材料、高導電率、高比強度合金和固體潤滑劑等領域。目前納米金屬銅的制備方法主要有：化學還原法、微乳液法、多元醇法、有機前驅體熱分解法、電化學法等。

    一、納米金屬銅粉的制備方法

    1、化學還原法

    化學還原法是目前實驗室和工業上制備納米最常用的制備方法。

    其方法是選擇合適的可溶性銅鹽前驅體與適當的還原劑如N2H4H2O、NaBH4抗壞血酸等在液相中進行反應，Cu2+還原、成核生長為納米銅粉體。在化學還原法制備金屬納米粒子過程中，納米銅易氧化或團聚，限制了其實際應用。表面修飾技術為納米微粒表面改性提供了切實可行的途徑。通過對納米微粒表面的修飾，可以改善納米粒子的分散穩定性，同時使微粒表面產生新的物理化學性質，另外還可以改善納米粒子與其它物質之間的相容性，從而有效解決納米微粒團聚氧化失活等問題。利用化學還原法制備銅納米材料常見的分子配體包括表面活性劑、各種聚合物和樹枝狀大分子、硫醇及其衍生物等。

    化學還原法優點是：

    操作方便、易于控制。例如可通過改變反應參數如還原劑的種類、前驅體濃度、反應溫度和時間，尤其是表面活性劑用量與種類等控制其成核和生長過程，從而控制顆粒尺寸和形貌。另外，這種方法對設備的要求低，所用的原材料為廉價的無機鹽，反應可以在較溫和的條件下進行，工藝流程簡單，易于擴大到工業化生產。

    2、微乳液法

    微乳液通常是由表面活性劑、助表面活性劑、油類組成的透明的、各向同性的熱力學穩定體系。在微乳液中，微小的“水池”為表面活性劑和助表面活性劑所構成的單分子層包圍成的微乳微粒，即“微反應器”，其大小在幾個至幾十納米之間。它擁有很大的界面，有利于化學反應的進行，是制備納米材料的有效媒介。與其它化學法相比，該方法能夠有效地控制納米粒子的尺寸形貌和粒徑分布。

    目前，人們對微乳液法制備納米粉體顆粒逐步深入，出現了一些新的改進方法，例如基于超臨界流體技術的微乳液法。超臨界流體是一種可以通過調節其溫度和壓力來控制其密度、介電常數等理化特性的流體，相比于普通流體，它通常具有較高的密度和擴散系數，較低的黏度。因此，將其用于微乳液中，就可以通過調節溶劑的性質來控制膠束間納米微粒的交換傳遞過程，從而為制備尺寸可控的納米顆粒提供了一種新的反應介質。

    微乳液法優點：

    能夠控制產物的粒徑、防止粒子團聚；缺點是局限在實驗室中，沒有大規模利用。

    目前，應用微乳液發制備納米金屬銅粉體過程中，微乳液的性質、形成和作用機理，以及如何選配適合的微乳液體系，仍是需要進一步探索和研究的內容。

圖1 微乳液法制備的不同形貌的納米金屬銅粉體顆粒SEM圖片

（A立方形 B四面體型 C棒狀形）

    3、多元醇法

    多元醇方法是利用多元醇為溶劑和還原劑，加熱到一定溫度還原金屬鹽的前驅體來制備納米微粒的一種方法。雖然多元醇是一類還原能力較弱的還原劑，但在加熱的條件下（反應溫度通常為醇的沸點）可有效地將金屬鹽還原至零價。該方法的最大優點是納米微粒的成核和生長過程是分開的，容易通過改變實驗條件如還原劑的量、反應溫度、前驅體加入速度等控制其反應過程，有效控制納米微粒的尺寸及分布。同時以非水溶劑作為反應介質，能夠有效避免納米微粒的氧化和團聚。

    用于此類反應的多元醇一般是以乙二醇為代表的低級多元醇，這一類醇極性較強，堿和金屬鹽前驅體可直接溶于這類醇中，一般在加熱至回流溫度下便可將金屬鹽前驅體還原，但所得粒子粒徑一般較大，通常有數十納米。

    優點是：

    多元醇方法制備納米金屬銅粉體有許多優點：

    ①生產流程和所需設備簡單；

    ②多元醇可以作溶劑、還原劑、表面活性劑，一般不用惰性氣體保護，有利于所制備材料的產業化。

    缺點是：

    在多元醇工藝中，尚存在反應后溶液黏稠，難于分離，需要有機分散介質等問題。因此，進一步完善多元醇工藝，有著重要的現實意義。

    4、有機前驅體熱分解法

    有機前驅體熱分解法是在高溫有機溶劑中加熱分解有機前驅體來制備納米微粒的一種方法。制備納米金屬銅粉體使用的前驅體一般為熱分解溫度較低并且相對廉價的乙酰丙酮酸銅和油銅，使用的有機溶劑一般為油胺。

    優點是：

    能夠更好地控制反應速率，成核速率較快而生長速率緩慢，從而可以大大提高納米晶尺寸的單分散性。

    缺點是：

    反應條件過于苛刻、反應溫度高、原料不易得或價格昂貴，而且有一定的毒性，是一種環境不友好的合成路線，這些缺點限制了其規模化生產。

    5、電化學法

    電化學法是指在外加電壓下，金屬離子在陰極還原為原子進而成核生長而形成納米結構的過程。電化學方法（特別是電化學沉積法）因其自身的特點如可選擇性地調節和控制電位或電流、實施電位或電流階躍、外加交流微擾信號等，為制備粒徑和形狀可控的納米微粒提供了一種方便可行的實驗方法。

    電化學方法是設備簡單、操作方便、易于控制、反應條件溫和，所得到的納米微粒純度高、對環境污染少等。

    目前，由于電化學合成納米材料的研究起步較晚，該方法還沒有在大批量合成納米材料方面獲得應用。盡管如此，電化學方法仍是一種非常有前途的制備納米微粒與組裝納米粒子有序陣列的好方法。

    二、納米金屬銅粉的應用

    納米銅由于其獨特的物理化學性質以及在光學、電子、催化、抗菌、潤滑、聚合物填充改性等領域的廣泛應用得到了人們越來越多的關注。

    金屬納米潤滑添加劑：添加0.1~0.6% 至潤滑油、潤滑脂中，在摩檫過程中使摩檫副表面形成自潤滑、自修復膜，顯著提高摩檫副的抗磨減摩性能。

    金屬和非金屬的表面導電涂層處理：納米鋁、銅、鎳粉體有高活化表面，在無氧條件下可以在低于粉體熔點的溫度實施涂層。此技術可應用于微電子器件的生產。

    高效催化劑：銅及其合金納米粉體用作催化劑，效率高、選擇性強，可用于二氧化碳和氫合成甲醇等反應過程中的催化劑。

    導電漿料：用于MLCC的終端和內部電極，使微電子器件小型化。用其替代貴金屬粉制備性能優越的電子漿料，可大大降低成本，優化微電子工藝。

    塊體金屬納米材料用原料：采用惰性氣體保護粉末冶金燒結制備大塊銅金屬納米復合結構材料。

    藥物添加材料：用于治療骨質疏松，骨質增生等新特效藥的添加材料。

    納米金屬自修復劑：添加至各種機械設備金屬摩擦副潤滑油中，實現金屬摩擦已磨損部分自修復，節能降耗，提高設備使用壽命及維修周期。