银纳米粒子的制备与导电墨水应用研究

摘要

金属纳米导电材料是现代电子工业中新型的一类导电材料，广泛应用于印刷电子线路板、电磁屏蔽材料以及太阳能电池等领域。其中纳米金、银、铜材料的应用最为广泛。金由于成本极高，只能在部分特殊领域中使用。铜的成本相对不高，但在空气中会产生氧化，致使导电性明显下降。目前最为广泛应用的为银纳米材料，常用的制备方法为化学法，即通过多步化学还原反应制备出尺寸小，粒径均匀的银粒子。但利用化学法制备不仅需要使用大量化学试剂，原料利用率低，并且在制备过程中为了防止粒子的自身团聚，需要额外添加保护剂，从而使得产物不纯净；同时粒子的生产速率较低，实验室规模的粒子制备中，制备一次纳米粉末可能需要数小时的时间，这样的生产速率难以满足大范围的实际应用需要。因而探究新的制备方法以满足银纳米粒子的量产需求，并探究所制备的银纳米粒子的导电性能及其具体的工程应用具有重要的研究价值和实际意义。本文通过采用直流电弧等离子体法在多种条件下制备纯净的纳米银粒子，并利用多种手段表征其本征物理性能。挑选出适合具体应用的银粒子并对其改性处理，最终将其配制为具有优良电学性能的导电墨水，从而探究其导电性能。具体实验内容如下： 一、利用直流电弧等离子体法以块体银为原料，控制气氛、气压及电流等参数，设计正交实验，制备银纳米粒子。通过XRD、TEM、电阻率测试等手段，表征分析银粒子的粒径、堆积密度、生产速率以及电学性能等特征。实验表明，通过等离子体法制备的银纳米粒子生产速率高并且产物纯净无污染，分散性较好，而且可以制备熔点低、堆积密度高、电阻率低的银粒子，使其可以应用于具体应用。 二、通过上述实验结果选取适合工程应用的银纳米粒子，采用非离子型表面活性剂对银粒子进行表面处理以改善其分散稳定性。利用Zeta电位测试、粒子粒径分布测试、静置固含量测定等手段表征改性后的银粒子在分散液中的分散性能。实验结果表明，经聚乙烯吡咯烷酮（PVP）改性后的银纳米粒子的分散性能最好，银粒子分散液的分散稳定性得到明显改善。利用XRD、TEM及FTIR等分析手段分析表征了改性剂与银粒子间形成了有效的键结合。 三、以上述实验结果为基础，以去离子水、乙醇、乙二醇混合溶液为分散相，以改性后的银粒子为导电相，添加适量辅助试剂，通过控制各成分的含量配制出具有综合性能的银纳米导电墨水。通过粘度测试、TGA分析表征墨水的物理特性。随后将墨水在柔性基底上划线涂膜，控制烧结工艺来固化烧结，最后利用四探针电阻仪测定烧结样品的电阻值，从而探究自制银粒子在导电墨水应用中的导电性。实验结果表明，通过控制银粒子含量、分散液与辅助剂的含量与种类可以配制黏度合适的墨水，并控制后期的烧结工艺以及成分含量可以使烧结样品具有优异的导电性能。

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