一种可批量化生产的银纳米短棒及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及金属纳米材料技术领域，尤其是一种可批量化生产的银纳米短棒及其制备方法、应用。

背景技术

微米级银粉在电子封装领域具有不可替代的作用，但其性能提升空间有限，已无法满足电子封装领域热界面层高导热高服役可靠性的发展需求，而纳米银材料具有低熔点特性，将其复合添加或全面替代微米级银粉作为导电填料是热界面材料性能提升的重要研究方向。纳米银线长度可达30-50μm，使用过程会堵针头或网版，严重影响点胶和印刷性能，而纳米银颗粒分离提纯困难，使用成本高，且易团聚、有机物含量高。因此，开发一种可批量化稳定生产的的高产率银纳米短棒具有重大的理论研究意义和应用价值。

目前纳米银颗粒、纳米银线，纳米银片的制备工艺较为成熟，但银纳米短棒的研究还较少，而已有的银纳米短棒制备方法存在产量低、尺寸跨度大(0.1-10μm)、副产物多(蜡烛状、立方体、颗粒、长线)、直径太小导致分离提纯困难且易团聚等问题。

发明内容

本发明提供一种可批量化生产的银纳米短棒及其制备方法、应用，用于克服现有技术中产量低、尺寸跨度大、副产物多、直径太小等缺陷。

为实现上述目的，本发明提出一种可批量化生产的银纳米短棒的制备方法，包括以下步骤：

S1：在室温条件下，将多元醇、浓度为0.5～3mol/L的聚乙烯吡咯烷酮溶液、浓度为0.01～10mmol/L的形核控制剂溶液加入到等径玻璃反应容器中，边搅拌边以2～20℃/min的速率升温至150～180℃，反应液温度场波动小于5℃，关闭搅拌装置；

S2：将浓度为0.2～1.0mol/L的硝酸银溶液加入到等径玻璃反应容器中，在150～180℃下反应0.5～5h，然后以1～40℃/min的速率冷却反应液，过滤，得到银纳米短棒。

为实现上述目的，本发明还提出一种可批量化生产的银纳米短棒，由上述所述制备方法制备得到；所述银纳米短棒的直径为30～150nm、长度为1～5μm。

为实现上述目的，本发明还提出一种可批量化生产的银纳米短棒的应用，将上述所述制备方法制备得到的银纳米短棒或者上述所述银纳米短棒应用于集成电路或印刷电路中陶瓷、金属及玻璃电子元器件间的封装互连领域、光催化领域和抗菌医疗器械中。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的可批量化生产的银纳米短棒的制备方法采用一步多元醇还原法，各个原料的加入速度及用量不需严格控制，有利于减少人为操作对反应过程的影响；另外，在氧化还原反应过程中不施加搅拌等外力，使得反应体系对体积不敏感，从而可通过微调各反应物浓度和反应条件使得不同反应体积的银纳米短棒产物尺寸均匀一致。此外，一步多元醇还原法，工序简洁、设备成本及工艺成本低、批次稳定性好、产物尺寸均匀可控、可批量化生产、分离提纯工艺简单，且产率大于85％。

2、本发明提供的制备方法通过综合调控银源与包覆剂的浓度、形核控制剂的种类及用量、反应温度与时间、反应液的升温速率及降温速率等条件，以制得直径为30～150nm、长度为1～5μm的银纳米短棒，该银纳米短棒的尺寸跨度小、副产物少，直径适中便于提纯且不易团聚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1中制备得到的银纳米线的扫描电子显微镜(SEM)照片，标尺为3μm；

图2为实施例1中制备得到的银纳米线的扫描电子显微镜(SEM)照片，标尺为1μm；

图3为实施例2中制备得到的银纳米线的扫描电子显微镜(SEM)照片，标尺为2μm；

图4为实施例2中制备得到的银纳米线的扫描电子显微镜(SEM)照片，标尺为1μm。

图5为实施例3中制备得到的银纳米线的扫描电子显微镜(SEM)照片，标尺为2μm；

图6为实施例3中制备得到的银纳米线的扫描电子显微镜(SEM)照片，标尺为1μm。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。

本发明提出一种可批量化生产的银纳米短棒的制备方法，包括以下步骤：

S1：在室温条件下，将多元醇、浓度为0.5～3mol/L的聚乙烯吡咯烷酮溶液、浓度为0.01～10mmol/L的形核控制剂溶液加入到等径玻璃反应容器中，边搅拌边以2～20℃/min的速率升温至150～180℃，关闭搅拌装置；

S2：将浓度为0.2～1.0mol/L的硝酸银溶液加入到等径玻璃反应容器中，在150～180℃下反应0.5～5h，然后以1～40℃/min的速率冷却反应液，过滤，得到银纳米短棒。

采用等径玻璃反应容器以将反应液温度场波动≤5℃。纳米银对反应温度十分敏感，要想尺寸均匀必须严格控制温度波动。多元醇法制备纳米银一般是将反应容器放置于油浴锅中，或者反应容器自带外部加热循环装置，当外部温度场足够大或反应设备功率大时，反应液的温度波动可以控制在很小的范围内。

优选地，所述硝酸银溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液的摩尔比为1:4～1:8。控制银源与包覆剂的比例，以更好控制得到的银纳米短棒的尺寸。

优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为30000～1500000。聚乙烯吡咯烷酮定向包覆在银的特定晶面上使其定向生长，聚乙烯吡咯烷酮的分子量太小时，无法实现有效包覆，产物为颗粒；当聚乙烯吡咯烷酮分子量太大，分子链长太长时，会将银的所有晶面都包裹上，无法实现定向生长，产物仍是颗粒。

优选地，所述多元醇为分析纯，不含有酒精、甲醇、卤化物等杂质。

优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮溶液的溶剂为多元醇；所述形核控制剂溶液的溶剂为多元醇。

优选地，所述形核控制剂为氯化钠、溴化钠、氯化钾、溴化钾、碘化钾、氯化铜、氯化铁和氯化锰中的至少一种。

优选地，在步骤S1中，所述搅拌速率为50～200r/min。

优选地，在步骤S2中，所述硝酸银溶液的加样速率为1～6L/min，硝酸银加样速度的快慢直接影响银离子的还原和生长速度，同时对反应液温度的变化影响较大，故加样速度需综合考虑。

本发明还提出一种可批量化生产的银纳米短棒，由上述所述制备方法制备得到；所述银纳米短棒的直径为30～150nm、长度为1～5μm，产率大于85％。

本发明还提出一种可批量化生产的银纳米短棒的应用，将上述所述制备方法制备得到的银纳米短棒或者上述所述银纳米短棒应用于集成电路或印刷电路中陶瓷、金属及玻璃等电子元器件间的封装互连领域、光催化领域和抗菌医疗器械。

实施例1

本实施例提供一种可批量化生产的银纳米短棒的制备方法，包括以下步骤：

在室温条件下，将乙二醇、浓度为1.5mol/L的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的乙二醇溶液、浓度为1mmol/L的FeCl

实施例2

本实施例提供一种可批量化生产的银纳米短棒的制备方法，包括以下步骤：

在室温条件下，将乙二醇、浓度为1.5mol/L的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的乙二醇溶液、浓度为1mmol/L的CuCl

实施例3

本实施例提供一种可批量化生产的纳米短棒的制备方法，包括以下步骤：

在室温条件下，将丙三醇、浓度为3mol/L的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的丙三醇溶液、浓度为8mmol/L的NaCl的丙三醇溶液一次性加入到直筒玻璃反应容器中，将玻璃容器放入温度为170℃的油浴锅中，在200r/min搅拌条件下使各组分充分混合均匀，待反应液温度升高到170℃后，关闭搅拌装置，将浓度为1.0mol/L的硝酸银溶液以4L/min快速加入到反应液中，反应时间为0.5h，以1-5℃/min的速率冷却后得到纳米短棒母液，过滤，得到银纳米短棒，其产率约为85％。图5和图6为本实施例制得银纳米短棒的扫描电子显微镜(SEM)照片，图5中标尺为2μm，纳米短棒的长度为1-2μm，图6中标尺为1μm，纳米短棒直径为50-100nm。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。