化學(xué)鍍法制備銀包覆鋁復(fù)合粉體

余鳳斌， 陳 瑩

(天諾光電材料股份有限公司，山東濟(jì)南 250300)

化學(xué)鍍法制備銀包覆鋁復(fù)合粉體

余鳳斌， 陳 瑩

(天諾光電材料股份有限公司，山東濟(jì)南 250300)

為了改善鋁粉表面易氧化問題，采用置換反應(yīng)對(duì)鋁粉表面進(jìn)行化學(xué)鍍銀，制備出包覆致密完整的鍍銀鋁粉。利用掃描電子顯微鏡、X-射線能量色散光譜儀對(duì)粉體表面形貌及成分進(jìn)行分析，利用析氫曲線分析粉體的包覆完整性。結(jié)果表明，鋁粉表面包覆一層致密的銀鍍層。研究了鍍液pH及NH4F質(zhì)量濃度對(duì)粉體性能的影響，表明在接近中性條件下可以獲得包覆完整的復(fù)合粉體，粉體銀的質(zhì)量隨NH4F質(zhì)量濃度增加而提高，隨后緩慢下降。

鍍銀鋁粉;置換反應(yīng);復(fù)合粉體

引 言

銀具有導(dǎo)電性好、抗氧化性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。金屬鋁具有相對(duì)密度小、顏色淺以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在電子、航空及電子漿料等領(lǐng)域。但鋁粉表面活性大，不穩(wěn)定，容易在空氣中發(fā)生氧化反應(yīng)，以致失去其本身的優(yōu)點(diǎn)。如果用銀包覆鋁粉，制備的材料在保持鋁粉優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還能提高其導(dǎo)電性與抗氧化性，并且降低成本。鍍銀鋁粉作為一種功能性導(dǎo)電填料，可添加于涂料、粘合劑、油墨、塑料及橡膠中制成導(dǎo)電、電磁屏蔽和防靜電等制品，也可應(yīng)用于電子、機(jī)電、通訊、印刷及航空航天等部門的導(dǎo)電、電磁屏蔽和防靜電領(lǐng)域［1-3］。

制備金屬包覆型復(fù)合粉末的工藝有溶膠凝膠法、化學(xué)鍍法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)及球磨法等［4］。化學(xué)鍍法具有工藝簡(jiǎn)單，制備的粉體包覆效果好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。由于鋁是兩性金屬，在酸性和堿性條件下都不穩(wěn)定，因此鋁粉在鍍液中迅速發(fā)生溶解的傾向很大，并易于造成鍍液不穩(wěn)定，與其他被鍍材料相比，鍍覆難度大［5］。為解決上述問題，本研究引入氟離子作為鋁的絡(luò)合物，使反應(yīng)在接近中性條件下進(jìn)行，制備出了性能穩(wěn)定的鍍銀鋁粉。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)所用試劑有聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、鋁粉(平均d為40μm)、硝酸銀、氟化銨、去離子水和丙酮。

實(shí)驗(yàn)所用儀器有pHB-8型筆式pH計(jì)、JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器、HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，JSM-6700F掃描電鏡(日本電子株式會(huì)社)進(jìn)行樣品表面形貌及成分分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

將PVP溶解于50mL水中，然后在劇烈攪拌下加入鋁粉，待鋁粉分散均勻后加入一定濃度的NH4F溶液攪拌至有少量氣體產(chǎn)生為止，加入5%的硝酸銀溶液，反應(yīng)約15min后將產(chǎn)物離心分離。用去離子水和丙酮將產(chǎn)物洗滌干凈后室溫下干燥備用。

取1g粉體置于錐形瓶中，加入50mL0.1mol/L的鹽酸溶液，用排水法收集釋放出來的H2，用析氫速率表示鋁粉的包覆性［6］。

2 結(jié)果與討論

2.1 F－作用機(jī)制

由于鋁粉表面有一層致密的氧化鋁薄膜，阻礙置換反應(yīng)的發(fā)生，一般要在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件下才能去除，但由于鋁的活性很高，使用強(qiáng)酸(堿)去除氧化膜的同時(shí)還將導(dǎo)致鋁粉嚴(yán)重腐蝕，使得金屬粒子難以沉積在鋁粉表面。為解決此問題，引入F-作為鋁的配位離子，使之與溶液中的Al3+絡(luò)合生成穩(wěn)定的［AlF6］3-，從而降低溶液中 Al3+的濃度，適當(dāng)加速氧化鋁薄膜的溶解，實(shí)現(xiàn)鋁粉表面的Al2O3膜在弱酸性介質(zhì)中以一個(gè)適中的速度逐漸溶解，使活性鋁逐步暴露于溶液中，保證置換過程順利進(jìn)行［7］。

2.2 粉體的形貌表征

圖1為原料鋁粉及包覆產(chǎn)物的掃描電鏡(SEM)照片。圖1(a)為化學(xué)鍍前鋁粉的表面形貌，從圖1(a)可以看出，鋁粉表面吸附有少量的小顆粒。圖1(b)為化學(xué)包覆處理后，粒子表面被一層連續(xù)的細(xì)小顆粒緊密包覆，且存在少量的團(tuán)聚。為檢驗(yàn)樣品表面的元素，采用X-射線能量色散光譜儀(EDX)對(duì)制備出的粉體進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，復(fù)合粒子表面沒有氧化層，只有銀、鋁兩種元素，其中χ(銀)為78.14%，表明鋁粉表面大部分被銀包覆，與SEM照片中的包覆情況一致。

圖1 化學(xué)鍍銀前后鋁粉的SEM照片

圖2 銀包鋁粉的EDX能譜圖

2.3 粉體的析氫分析

由于鋁粉在酸或堿條件下容易發(fā)生析氫反應(yīng)，對(duì)其表面進(jìn)行包覆可以減緩并降低該反應(yīng)的進(jìn)行。因此可以用氫氣析出量來評(píng)價(jià)包覆效果。

圖3為包覆前后粉體的析氫曲線圖。從圖3中可以看出，粉體析氫都存在一段潛伏期，這是由于鋁粉表面包覆一層致密的氧化層，需要消耗一定的酸。包覆后的粉體析氫較未包覆粉體明顯下降，表明銀包覆層有效降低了鋁粉腐蝕析氫能力，析氫穩(wěn)定性提高，證明粉體的包覆性較好［8］。

圖3 化學(xué)鍍銀前后鋁粉的析氫曲線

2.4 pH 影響

由于鋁是兩性金屬，在酸或堿性條件下都會(huì)發(fā)生反應(yīng)放出氫氣而影響銀的沉積，并且降低鍍層與基體的結(jié)合力，因此鍍液的pH是一個(gè)相當(dāng)關(guān)鍵的工藝參數(shù)。

圖4為在不同pH條件下，制備的鍍銀鋁粉表面形貌的SEM照片。由圖4(a)可以看出，鋁粉表面只有部分包覆，這是由于鋁粉在強(qiáng)堿性條件下(pH=12.5)腐蝕速度很快，釋放出大量氫氣，造成銀難以沉積在鋁粉表面。圖4(b)是在pH為6.5條件下制備的Ag/Al復(fù)合粉體的SEM照片，從圖4(b)中可以看出，鋁粉表面包覆上比較均勻的銀層。

圖4 鍍銀鋁粉SEM照片

置換法制備Ag/Al復(fù)合粉體的關(guān)鍵是要減少鋁粉表面腐蝕和氣體的釋放。由于鋁粉在pH為6～10時(shí)腐蝕速度相對(duì)較慢，在此范圍之外鋁粉的反應(yīng)均比較劇烈。沉積速度隨pH升高而加快，但是當(dāng)鍍液pH過高時(shí)，鋁粉在鍍液中腐蝕速度加快，釋放出大量氫氣并發(fā)生團(tuán)聚，使銀在鋁粉表面沉積不均勻甚至部分表面無(wú)沉積或鍍層脫落。實(shí)驗(yàn)將Al3+的配位離子 F-引入到反應(yīng)體系中，F(xiàn)-能與Al3+形成穩(wěn)定的［AlF6］3-絡(luò)合物，解決了 Al2O3只能在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿介質(zhì)中才能溶解的問題，保證鍍銀鋁粉反應(yīng)在接近中性條件下進(jìn)行，對(duì)鋁粉的腐蝕較小。

2.5 F－質(zhì)量濃度的影響

F-質(zhì)量濃度對(duì)置換反應(yīng)起到了至關(guān)重要的作用，圖5為F-質(zhì)量濃度對(duì)鍍銀鋁粉質(zhì)量的影響。從圖5可以看出，當(dāng)ρ(F-)低于0.2g/L時(shí)，置換反應(yīng)幾乎沒有發(fā)生。這是由于ρ(F-)過低無(wú)法溶解掉鋁粉表面的氧化膜，當(dāng)ρ(F-)增加到0.8g/L時(shí)，鋁粉表面的銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步增大，粉體顏色也逐漸過渡到銀白色，但是當(dāng)ρ(F-)超過0.8g/L時(shí)，由于鍍液pH較低，鋁粉發(fā)生腐蝕析氫反應(yīng)，導(dǎo)致部分銀鍍層脫落，使得粉體的銀有所降低。

圖5 ρ(NH4F)對(duì)復(fù)合粉體中銀的影響

3 結(jié)論

采用置換反應(yīng)方法制備了鍍銀鋁粉，利用掃描電鏡、能譜分析及析氫曲線分析了粉體的包覆性，討論了pH和F-質(zhì)量濃度等對(duì)粉體包覆性的影響。結(jié)果表明，采用F-作為絡(luò)合離子可以實(shí)現(xiàn)在接近中性條件下制備包覆性較好的鍍銀鋁粉。隨F-質(zhì)量濃度增加，粉體的銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大而后緩慢下降。

［1］熊曉東，翟玉春，田彥文，等.鋁粉化學(xué)鍍純鎳的機(jī)理［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1996，17(5):512-516.

［2］張振華，郭忠誠(chéng)，肖紅亮.銀包鋁粉工藝研究［J］.電鍍與涂飾，2007，26(1):23-25.

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［5］賴雪飛，游賢貴，謝克難，等.金屬包覆型復(fù)合粉末的研究進(jìn)展［J］.四川有色金屬，2005，(3):24-28.

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Fabrication of Ag/Al Composite Powder by Electroless Plating

YU Feng-bin，CHEN Ying
(Tiannuo photoelectric material Co.Ltd，Jinan 250300，China)

In order to improve oxidation resistance of aluminum powder，Ag/Al composite powder was prepared by replacement reaction.Surface morphology and component of the composite powder were investigated by SEM and EDX respectively.And the powder coating integrity was analyzed by hydrogen evolution curves.Results show that the aluminum powder was coated with a layer of dense silver coating.And effects of pH value and NH4F concentration on the powder performance were also discussed.Results showed that the dense coating could be obtained in near-neutral condition and the silver content was increased firstly and then declined slowly with the increasing of NH4F concentration.

silver-coated aluminium powder;replacement reaction;composite powder

TQ153.16

A

1001-3849(2012)09-0017-03

2012-04-23

2012-05-17