超细银粉在有机介质中的分散及其稳定性

超细银粉在有机介质中的分散及其稳定性

字体: 小中大| 打印发表于: 2007-3-31 19:56 作者: anndi 来源: 电子胶水●中国

超细银粉在有机介质中的分散及其稳定性

韦群燕，潘云昆（昆明贵金属研究所，云南昆明650221）

摘要：研究了银粉对银浆的分散及稳定性的影响，对浆料中粒子间的作用进行了探讨，找出了影响超细银粉在有机载体中分散的若干关键因素。根据对银粉团聚程度的分析和银浆流变学行为研究的结果，以及对有机介质链接特性的改进，可制出印刷特性优良，分散稳定的电子浆料。

关键词：银粉；分散性；有机介质；稳定性；表面改性

固体颗粒在一定环境下，分离散开的过程，主要包括掺合、浸湿、颗粒群（团块和团粒）的解体以及已分散颗粒的再凝集4个阶段。它主要受两种基本作用支配，即颗粒与环境介质的作用（即润湿）和在环境介质中颗粒之间的相互作用。电子银浆中的超细银粉，在有机载体中的分散程度，对印刷质量及生产工艺的适应性有很大影响。超细银粉巨大的表面能及表面效应引起的团聚现象，使超细银粉的优势难以发挥。为解决这一问题，需对粉体表面特性，以及如何根据粉体表面特性，使银粉末有效地分散在有机载体中作进一步的研究。前人的研究大都集中在如何制备出更细的，甚至能达到纳米级的银粉上，而有关其分散性和稳定性方面的报道，目前尚不多见。

银颗粒的表面性质和有机介质的特性对粉末的分散性影响很大〔1〕，从而也必然影响体系的沉降特性。在银浆的实际应用中，高浓度银浆的印刷不适应性是一个较常见的问题。当银浆分散液浓到一定程度，质点相互接触时，由于银粉颗粒形状不规则、表面不均匀，极易形成团聚结构，导致在一定剪切速度下黏度过高，达不到要求的分辨率和印刷膜的连续平滑性。

1固体颗粒在介质中的分散作用

固体颗粒在液相中的分散，本质上受固体颗粒与液相介质的润湿作用和在液相中颗粒间的相互作用的影响。润湿性通常用固体与液体的接触角θ度量。固体颗粒被浸润后，在液体中以两种形式存在：形成团聚或分散悬浮。被广泛接受的描述分散与团聚的经典理论是DLVO理论〔2〕。该理论认为，颗粒的团聚与分散取决于颗粒间的分子作用能与双电层排斥作用能的相对关系，即体系总位能VT由吸力位能VA和斥力位能VR所组成。

当颗粒彼此接近时，斥力位能与引力位能同时增大，但增长速率不同，产生一个最大值和两个最小值。在第一最小值发生聚结，是不可逆的；在第二最小值产生絮凝，是可逆的，通过搅拌可再分散。通常要使浆料稳定，必须使相互作用能表现出斥能。d介于AB之间时，颗粒自发地互相排斥，形成的分散状态浆料的稳定性较好。增加势垒高度可起到防止颗粒团聚和絮凝作用〔3〕。当两颗粒靠近，越过势垒Vmax时，颗粒自发地互相接近，最终形成团聚。如果颗粒间除了上述两种作用力外，还存在其他作用力，如颗粒表面吸附有无机或有机聚合物时，聚合物吸附层将在颗粒接近时产生一种排斥作用，所以颗粒间作用总势能是范德瓦尔斯（van der waals）引力位能、双电层排斥位能和空间位阻排斥位能3种作用能的总合。VT＝VA′＋VR′＋VSR（4）

式中：VA′是范德瓦尔斯引力位能；VR′是双电层排斥位能；VSR是空间位阻排斥位能。

由上式看出，要使颗粒分散，就必须增强颗粒间的排斥作用能。这可以通过以下3种方式实现：（1）增大颗粒表面电位的绝对值，以提高颗粒间静电排斥作用；（2）通过高分子分散剂在颗粒表面形成吸附层，产生并强化位阻效应；（3）增强颗粒表面对分散介质的润湿性，以提高界面结构化，加大溶剂化膜的强度和厚度，增强溶剂化排斥作用。

2浆料的稳定机理

静电稳定是通过增加势垒高度实现的；位阻稳定是通过加入聚合添加物（目前多采用阿拉伯树胶、桃胶、明胶等作分散剂），在颗粒表面形成保护层，调整颗粒表面间距离实现的〔4～5〕。静电位阻稳定是静电稳定和位阻稳定共同起作用的结果，常用的分散剂为高分子有机表面活性剂。体系中物质相互作用主要包括：溶剂与分散剂的相容性；溶剂与颗粒的润湿；分散剂与颗粒的吸附；颗粒与颗粒的相互作用。利用有机分子中的极性官能团在粉料表面吸附或化学反应对颗粒表面进行包覆使其有机化的方法可增加空间位阻稳定效应。产生空间位阻稳定效应必须满足两个条件：（1）吸附基团在颗粒表面覆盖率较大且发生强吸附；（2）溶剂化链充分伸展，形成一定厚度的吸附位阻层。

3银粉分散及稳定性

在有机介质中，经过轧机分散，由于金属化超细微粉比其他一般材料的比表面积更大，表面能更高，一些粉末混入液体后往往会聚结而下沉，因而银粉仍易处于团聚状态，依靠吸附和缔结方式连接于不同连接相，既增加了结构黏度，又改变了银浆的流变特性。而加入某些表面活性剂后，便能使颗粒稳定地悬浮在溶液中，这是表面活性剂的分散作用产生静电位阻稳定效应所致。图2是我所制备的三种银粉的透射电镜结果。从图可看出：不加表面活性剂的银粉，颗粒之间无明显界面，粉体表面不均匀，有团聚颗粒体；经过表面活

性剂处理的银粉，银粉颗粒表面上化学吸附一层有机单层分散剂，表面活性剂的极性官能团与银粉表面质子形成化学键，形成界面区，粉体表面基本处于带一定链长度的有机基团吸附，有效改善银粉对有机溶剂的浸润性。

粉体在有机载体中良好浸润对于银浆的性能有较大的影响。图3所示系两种改性银粉及原粉在同样的有机载体介质中的流变特性曲线。

从浆料的流变性质，可估计颗粒的大小、形状以及质点与介质的相互作用。由图可见：样品有机改性后，黏度明显降低，说明改性后，粉体与有机介质的润湿性能大为提高，减弱了粒子间的聚结倾向，从而减少了流动阻力，使黏度降低。未改性银粉，外观是向各方向伸展的树枝状颗粒硬团聚体，表面粗糙。颗粒孔隙处仍存在气体与有机溶剂争夺的表面，其表面对有机溶剂浸润性较差，使得整个银浆体系处于不均匀状态，高含量的银浆，颗粒团聚体容易互相嵌合，增大流动阻力，导致印刷性能变差。经改性的银粉，表面有极性基团，颗粒之间有一定位阻，同时表面活性剂降低了银粉的表面能，粉体的表面平滑。在剪切流动中，颗粒间的运动阻力较小，剪切速率加快时，黏度随之下降，表现出优良的触变特性。

传统使用的增稠剂有纤维素、聚丙烯酸类高分子等。在有机溶剂中除氢键缔合处，还存在分子链缠绕，添加表面活性剂可使这些极性基团的骨架或支链有疏水基团，如多元醇分子上的聚氧乙烯亲油基更能与粉体表面吸附极性有机官能团形成网络结构，以分子间配向效应吸附缔结，形成立体网状结构。将静置的银浆瓶子倒置，银浆并不流出，如将银浆激烈搅动，银浆的黏度就变的较小，印刷的银膜流平及分辨率就很高。实践证明，综合超细银粉的表面处理与有机载体的调配，可使各种有机助剂互补不足，大大提高了银粉在浆料中增塑、润滑、交联、分散等多种功能，配制出的银浆料，印刷特性优良且贮存期不易发生沉降，絮团等现象。

4结论

通过银粉末表面改性，高分子聚合物的锚固基团吸附在固体颗粒表面，其溶剂化链在介质中充分伸展形成位阻层，阻碍颗粒的碰撞和相互接近。在有机载体中添加少量表面活性剂，能使粉体表面吸附极性有机官能团形成立体网状结构，增强颗粒表面对分散介质的润湿性，颗粒自发地互相排斥形成稳定性较好的分散状浆料。

参考文献：〔1〕WeiQunyan．Effect of surfactant on silver paste rheological be

－havior〔A〕．International Symposium on Precious Metals＇99〔C〕．Yunnan ：Science and Technology Press，1999．177～180．

〔2〕郑忠，李宁．分子力与胶体的稳定和聚沉〔M〕．北京：高等教育出版社，1995．92～