专利名称：一种纳米铜粉的制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米铜粉的制备方法，纳米铜粉可用于民用或军事用途，属于纳米材料制备技术领域。
背景技术：
纳米铜粉的工业化生产工艺属于纳米材料制备领域的高新技术，目前国内外生产纳米铜粉的方法主要有方法一，高温加热蒸发法将金属铜在高温、真空设备中加热挥发，用氮气或惰性气体将金属蒸汽带入低温收集室中进行收集，这种方法目前已经应用于工业生产，其优点是可以生产不同的纳米金属材料，产品纯度较高。其缺点是产品的分散性不好，设备投入较大，工艺复杂，由于表面比较清洁，未被修饰，在空气中容易氧化，甚至会发生爆炸等危险。方法二，电解法用金属铜作为阳极，铜盐的饱和水溶液添加一定比例的还原剂和分散剂作为电解液，通过电解在阴极室直接获得纳米铜粉。该方法的特点是生产设备简单， 成本低。但不适合规模化生产，生产的纳米颗粒粒径分布很大，粉体团聚严重。由于工艺比较难掌握，一般在实验室中应用较多。方法三，还原法直接用铜盐还原处理来制备，如用水合胼以及维生素C作为还原剂，在一定温度下可以直接将铜盐还原成纳米铜。该方法特点是制备工艺简单。实验室研究纳米铜的特性一般采取这种方法。由于生产工艺不成熟，粉末颗粒不均勻，大批量生产还有不少工艺条件有待解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种工业化生产方法，能大批量生产、颗粒分布均勻、分散性好、尺寸可调的纳米铜粉工业化生产技术。为了实现以上目的，本发明的技术方案的特点在于采用非水体系电解液，直接牺牲阳极铜的电化学方法，其具体过程为第一步，电化学反应过程在自制的特殊电解槽内，用金属铜作为阳极，导电材料作为阴极，电解液为有机醇，一般使用为对环境友好的酒精，加上比例为0.01% -100%的可溶于电解液的铵盐为电解质，在电化学反应中，铵盐不参加化学反应，阳极铜与有机醇结合，生成铜和有机醇的压稳态物质R-Cu，称为纳米铜的前驱体；第二步，还原热处理将纳米铜前驱体与有机醇或其它饱和烃以及非饱和烃液体按1 0.05-100的比例混合，将混合后的纳米铜前驱体密封在高压釜中进行还原处理，还原温度控制在150-300 摄氏度之间，在20-150大气压力下还原，还原时间控制在10-300分钟之间，最佳时间为 120-180分钟，及可得到纳米铜粉，该纳米铜粉表面被有机醇所包覆，因此所得到的纳米铜粉可以很容易分散在有机溶剂或水中；
第三步，分离，干燥将还原后得到的纳米铜粉和有机溶剂的混合物，通过工业离心机装置将纳米铜粉分离出来，再用工业酒精进行清洗，就可以得到湿的纳米铜粉，粉体干燥是把高速离心出来的纳米铜粉放入真空干燥箱中，真空干燥箱内的温度设定在-5-400摄氏度之间，最佳的温度为50摄氏度，分离出的溶剂可以再进入电解槽内，添加电解质，继续使用；第四步，产品包装将干燥的纳米铜粉在真空包装机内，按照一定的重量进行真空包装，从而完成纳米铜粉的生产工艺。在自制的特殊电解槽内，用金属铜作为阳极，导电材料作为阴极，电解液为有机醇，一般都使用对环境友好的酒精，加上可溶于电解液的铵盐为电解质，在电化学反应中， 铵盐不参加化学反应，阳极铜与有机醇结合，生成铜和有机醇的压稳态物质R-Cu，称为纳米铜的前驱体，这个过程都是在密封状态下完成的，其化学反应过程为Cu-le+R — R-Cu ；Cu-2e+2R — I 2-Cu，其中 R 为有机醇，R-Cu ；R2-Cu 为铜离子和有机醇结合的前驱体。在此过程中导电材料是指可以作为电极的材料，如金属镍、铜、金银、玻璃碳等。在这个过程中提到的电解液为有机醇，包括甲醇，乙醇，丙醇，异丙醇等醇类，及所选的醇类一般都具有一定的极性这是该方法得以成功制备纳米铜粉的必要条件。在这个过程中提到的电解质为铵盐，这种按盐为无机铵盐或有机铵盐，如氯化铵， 溴化铵，四乙基氯化铵，四丙基氯化铵直到四X基氯化铵，其中X为可能的烃基链，以及四乙基溴化铵，四丙基溴化铵直到四X基溴化铵，其中X为可能的烃基链，其中的氯离子和溴离子在电化学反应中起到加快阳极铜离子的剥落作用，减少阳极表面的钝化，增加电化学反应的进行。将纳米铜的前驱体CUR1+、CUR2+与有机醇或其它饱和烃以及非饱和烃液体混合，将混合后的纳米铜前驱体密封在高压釜中进行还原处理，还原温度控制在200摄氏度，在30 大气压力下还原，还原时间控制在120-180分钟内，及可得到纳米铜粉，该纳米铜粉表面被有机醇所包覆，因此所得到的纳米铜粉可以很容易分散在有机溶剂或水中。在这个过程中提到的纳米铜粉的前驱体是铜离子和具有一定极性的醇的结合体。 该前驱体在有机醇中被还原，铜离子被还原形核长大，当达到一定的尺寸，表面能降低被有机醇包覆，纳米铜粉就不在长大，从而达到纳米铜粉。还原所需的温度应该大于150摄氏度以上，保温2小时以上，所用的容器为特种高压釜，还原是在密封条件下进行。本发明与其它方法的对比该发明方法与方法一“等离子加热蒸发”法比较，具有设备成本低，工艺简单，成本低，能耗低，一次性投入小等特点。同时解决了“等离子加热蒸发”法生产的纳米铜粉表面容易氧化的关键问题。该发明与方法二 “直接电解还原”法比较，具有生产的纳米铜粉分散性好，颗粒分布窄，结局直接还原法生产的纳米铜粉团聚的致命弱点。并且工艺容易控制，产品质量温度可靠。该发明与方法三比较，生产过程没有副产品出现，无废水废气排放，属于环保型方法，产品纯度高等特点。本发明具有以下明显的优势和有益效果1)该方法无任何废水和副产品排放，属于环保型工业化制备纳米铜粉的好方法；2)投资小、成本低、可适用于任何生产规模；3)产品分散性好、无论从化学成分、物理性能都能达到国家标准；4)能大批量生产，颗粒分布均勻，分散性好，尺寸可调。
具体实施例方式实施例1 第一步，电化学反应在自制的特殊电解槽内，用1. 2公斤金属铜板作为阳极，负极材料采用玻璃碳，电解液为环境友好型试剂工业酒精，纯度为99. 9%无水酒精10升，加入500克四庚基氯化铵作为导电剂，在正负极之间通以3伏直流电，经过M小时，得到纳米铜粉的前驱物5公斤；Cu-le+R — R-Cu ；Cu-2e+2R — I 2-Cu，其中 R 为有机醇，R-Cu ；R2-Cu 为铜离子和有机醇结合的前驱体。第二步，热还原处理将第一步得到的5公斤纳米铜粉的前驱物，放入10升高压釜内，加入5升酒精。加热到200摄氏度保温2小时。自然冷却至室温取出纳米铜粉和酒精混合物；CuR加热一Cu+R ；R2-Cu加热一Cu+2R，其中的R为有机醇。第三步，分离，干燥将第二步获得的纳米铜粉的混合物在离心机过滤下，再经过纯的酒精清洗得到半干状态下的纳米铜粉，将半干状态下的铜粉直接放入真空干燥箱中干燥，即得到纳米技术铜粉的粉体；第四步，产品包装将第三步得到的纳米铜粉成品，在真空包装机里进行真空包装，经过称量可得到1 公斤纳米铜粉。实施例2 第一步，电化学反应在自制的特殊电解槽内，用5. 5公斤金属铜板作为阳极，负极材料采用玻璃碳，电解液为环境友好型试剂工业酒精，纯度为99. 9%无水酒精50升，加入2000克四庚基氯化铵作为导电剂，在正负极之间通以3伏直流电，经过M小时，得到纳米铜粉的前驱物25公斤；Cu-le+R — R-Cu ；Cu-2e+2R — I 2-Cu，其中 R 为有机醇，R-Cu ；R2-Cu 为铜离子和有机醇结合的前驱体。第二步，热还原处理将第一步得到的25公斤纳米铜粉的前驱物，放入50升高压釜内，加入15升酒精， 加热到200摄氏度保温2小时，自然冷却至室温取出纳米铜粉和酒精混合物；CuR加热一Cu+R ；R2-Cu加热一Cu+2R，其中的R为有机醇。第三步，分离，干燥
将第二步获得的纳米铜粉的混合物在离心机过滤下，再经过纯的酒精清洗得到半干状态下的纳米铜粉，将半干状态下的铜粉直接放入真空干燥箱中干燥，即得到纳米技术铜粉的粉体；第四步，产品包装将第三步得到的纳米铜粉成品，在真空包装机里进行真空包装，经过称量可得到5 公斤纳米铜粉。实施例3 第一步，电化学反应在自制的特殊电解槽内，用16公斤金属铜板作为阳极，负极材料采用玻璃碳，电解液为环境友好型试剂工业酒精，纯度为99. 9%无水酒精100升，加入3000克四庚基氯化铵作为导电剂，在正负极之间通以3伏直流电，经过M小时，得到纳米铜粉的前驱物75公斤；Cu-le+R — R-Cu ；Cu-2e+2R — I 2-Cu，其中 R 为有机醇，R-Cu ；R2-Cu 为铜离子和有机醇结合的前驱体。第二步，热还原处理将第一步得到的75公斤纳米铜粉的前驱物，放入100升高压釜内，加入50升酒精，加热到200摄氏度保温2小时，自然冷却至室温取出纳米铜粉和酒精混合物；CuR加热一Cu+R ；R2-Cu加热一Cu+2R，其中的R为有机醇。第三步，分离，干燥将第二步获得的纳米铜粉的混合物在离心机过滤下，再经过纯的酒精清洗得到半干状态下的纳米铜粉，将半干状态下的铜粉直接放入真空干燥箱中干燥，即得到纳米技术铜粉的粉体；第四步，产品包装将第三步得到的纳米铜粉成品，在真空包装机里进行真空包装，经过称量可得到 15公斤纳米铜粉。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种纳米铜粉的制备方法，其特征在于采用电化学方法，其具体过程为第一步，电化学反应过程在自制的特殊电解槽内，用金属铜作为阳极，导电材料作为阴极，电解液为有机醇，一般使用为对环境友好的酒精，加上比例为0.01% -100%的可溶于电解液的铵盐为电解质， 在电化学反应中，铵盐不参加化学反应，阳极铜与有机醇结合，生成铜和有机醇的压稳态物质R-Cu，称为纳米铜的前驱体；第二步，还原热处理将纳米铜前驱体与有机醇或其它饱和烃以及非饱和烃液体按1 0.05-100的比例混合，将混合后的纳米铜前驱体密封在高压釜中进行还原处理，还原温度控制在150-300 摄氏度之间，在20-150大气压力下还原，还原时间控制在10-300分钟之间，最佳时间为 120-180分钟，及可得到纳米铜粉；第三步，分离，干燥将还原后得到的纳米铜粉和有机溶剂的混合物，通过工业离心机装置将纳米铜粉分离出来，再用工业酒精进行清洗，就可以得到湿的纳米铜粉，粉体干燥是把高速离心出来的纳米铜粉放入真空干燥箱中，真空干燥箱内的温度设定在-5-400摄氏度之间，最佳的温度为 50摄氏度，得到干燥的纳米铜粉；第四步，产品包装将干燥的纳米铜粉在真空包装机内，按照一定的重量进行真空包装。
2.根据权利要求1所述的一种纳米铜粉的制备方法，其特征在于所述的导电材料是指可以作为电极的材料，如金属镍、铜、金、银、玻璃碳。
3.根据权利要求1所述的一种纳米铜粉的制备方法，其特征在于所述的特殊电解槽为密封电解槽。
4.根据权利要求1所述的一种纳米铜粉的制备方法，其特征在于所述的阀体两端设置有热水管和冷水管，阀体的下端设置有出水管，在阀体上、出水管处设置有温度传感器。
全文摘要
本发明公开了一种纳米铜粉的制备方法，在自制的特殊电解槽内，用金属铜作为阳极，导电材料作为阴极，电解液为有机醇，加上可溶于电解液的铵盐为电解质，铵盐不参加化学反应，阳极铜与有机醇结合，生成纳米铜的前驱体；将纳米铜的前驱体与有机醇或其它饱和烃以及非饱和烃液体混合，将混合后的纳米铜前驱体密封在高压釜中进行还原处理，及可得到纳米铜粉；将还原后得到的纳米铜粉和有机溶剂的混合物，通过工业离心机装置将纳米铜粉分离出来，再用工业酒精进行清洗，就可以得到湿的纳米铜粉，纳米铜粉放入真空干燥箱中，处理后即可得到符合国家标准的纳米铜粉。本发明反应过程无污染、投资小、成本低、产品分散性好、分布均匀、可实现不同量的生产的优点。
文档编号B22F9/20GK102586800SQ20111000944
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月17日 优先权日2011年1月17日
发明者李小毛 申请人:李小毛