纳米银材料的制备及其在导电墨水中的应用研究

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银纳米材料作为金属纳米材料的代表,具有优异的导电、导热性、耐弯曲性能和良好的化学稳定性被广泛应用于印刷线路板、传感以及可穿戴电子设备等领域。纳米银的这些性能主要依赖于其形貌、粒径、尺寸分布及分散稳定性等。因而银纳米材料的制备成为纳米科学研究中的热点之一。目前,各种形貌的纳米银已经被大量制造,然而现有制备方法所得纳米银产物分散稳定性待提高、纯度较差、质量较难控制等导致在实际应用无法被高效利用。因此,探索银纳米材料的高质量制备方法,研究其在产业化中的应用具有重要的意义。本文主要围绕纳米银颗粒、纳米银线的高质量制备及其在导电墨水中的应用研究开展工作,具体研究内容包含以下三个部分:(1)采用液相化学还原法,以自制绿色环保的丁二酰化壳聚糖(SCS)为稳定剂,葡萄糖醛酸作还原剂制备纳米银颗粒。探究SCS取代度以及用量对纳米银粒径、分散程度的影响,并考察纳米银溶液的稳定性,分析稳定机理。通过SEM、UV-vis、FT-IR、TGA、马尔文粒度分析等手段对产物进行表征,获得了粒径约26 nm,可稳定储存一个月不团聚、表面有机物(SCS)含量为4.18%的单分散纳米银颗粒。红外分析表明SCS分子中羧基和酰胺基团与纳米银存在络合配位作用,促使SCS吸附在银粒子表面,进而稳定纳米银粒子和阻止粒子团聚。最后,基于SCS稳定体系下,探究了反应温度、时间及反应物浓度等对产物粒径、尺寸分布及产量的影响,获得了小粒径、分布均匀且较高产量纳米银粒子的最佳制备工艺参数。(2)在传统多元醇法的基础上,以丙三醇和一缩二乙二醇(DEG)混合做溶剂兼还原剂,选择PVP作表面活性剂,Na Cl为阴离子控制剂来制备纳米银线。系统探究了混合多元醇体积比、PVP与Ag NO3摩尔比、PVP分子量、Na Cl浓度、反应温度及时间等对产物形貌和尺寸的影响。通过SEM、UV-Vis、XRD、TGA等表明所得产物为分散均匀的高纯度纳米银线,几乎无纳米颗粒生成;银线直径在35~50 nm,长度在8~12?m,长径比可达300;纳米银线表面有机物(PVP)含量为3.9%。实验发现,调整丙三醇和DEG的体积比可以控制银原子的还原速率及生长阶段银的迁移速率,从而控制银线形貌。体系中引入适量的DEG有利于提高纳米银线的纯度,降低银线直径。当丙三醇和DEG体积比为1:1,PVP(Mw=58000)与Ag NO3的质量比为4:1,氯化钠浓度为10.2m M,在200℃下仅反应30 min,即可获得直径较细且均一性好的高质量纳米银线。(3)为了考察通过上述合成方法所得纳米银材料在具体实际中的应用效果,将自制具有优异性能的纳米银颗粒和纳米银线作导电相,添加适量助剂与溶剂配置导电墨水,通过静置固含量实验测试墨水的分散稳定性;将墨水在相纸上进行涂覆,控制烧结工艺及导电填料形貌配比,测定导电墨水涂层的方块电阻值;最后对涂层进行撕拉及弯曲测试,探究其在应用中的力学性能。结果表明,在不额外添加分散剂的情况下,30天内导电墨水保持良好的分散稳定性。同时,烧结工艺及混合形貌(银颗粒与银线)配比对墨层的导电性能产生显著影响。其中,银颗粒与银线质量比为1:3的混合墨层经120℃烧结30min后,方阻低至0.88Ω,是同等质量下纳米银颗粒导电墨水方阻的1/17。撕拉和弯曲实验表明,混合形貌导电墨层同样具有较好的质量耐用性和弯曲柔韧性,有望作为印刷电子材料应用于RFID射频识别、智能穿戴、柔性传感等电子领域。
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