CC BY
11
УДК 544.773:546.74:665.93
Магжанов Р.Х., Яровая О.В., Чжо Зин Хтве
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИСХОДНОЙ СОЛИ НА РАЗМЕР ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО НИКЕЛЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗ ЖИДКОЙ ФАЗЫ
Магжанов Рушан Халитович, аспирант 2-го года обучения кафедры коллоидной химии, e-mail: [email protected];
Яровая Оксана Викторовна, к.х.н., доцент кафедры коллоидной химии; Чжо Зин Хтве, магистр 1 курса факультета естественных наук
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д.9
Методом химического восстановления из жидкой фазы были получены высокодисперсные частицы металлического никеля при разной концентрации исходной соли. С помощью оптической микроскопии были сделаны микрофотографии синтезированных частиц. На основании этих микрофотографий были рассчитаны и построены зависимости эквивалентного диаметра частиц от разной концентрации хлорида никеля при разном времени хранения. Благодаря полученным результатам была показана возможность получения частиц металлического никеля с требуемыми размерами.
Ключевые слова: никель, высокодисперсные частицы, электропроводящие клея, оптическая микроскопия
ESTIMATION OF THE ORIGINAL SALT CONCENTRATION EFFECT ON THE SIZE OF THE HIGHLY DISPERSED PARTICLES OF METAL NICKEL OBTAINED BY THE CHEMICAL RECOVERY FROM A LIQUID PHASE
Magzhanov R.K., Yarovaya O.V., Kyaw Zin Htwe
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Fine particles of metallic nickel at different concentrations of the initial salt were obtained using the method of chemical reduction of the liquid phase. Micrographs of the synthesized particles were made using optical microscopy. On the basis of these microphotographs, the dependences of the equivalent particle diameter on different concentrations of nickel chloride at different storage times were calculated and constructed. Thanks to the obtained results, it was shown that it is possible to obtain particles of metallic nickel with the required dimensions.
Keywords: nickel, highly dispersed particles, electrically conductive adhesives, optical microscopy
В последние десятилетия использование электропроводящих клеев (ЭПК) получило широкое распространение в микроэлектронике. ЭПК могут использоваться для уплотнения, электрического экранирования, соединения различных электронных компонентов, крепления и пайки. В отличие от других типов клеев, электропроводящие клеи помимо связывания двух поверхностей, должны образовывать между ними электрическое соединение. Эта двойная функциональность обычно достигается в композитной форме путем диспергирования проводящих частиц в изолирующую клеевую матрицу [1].
По сравнению с традиционной технологией пайки оловом/свинцом ^п^Ь) технология проводящего клеевого соединения предлагает много преимуществ, таких как: более низкая чувствительность к термомеханическим
напряжениям из-за более высокой гибкости, чем у соединений с припоем; более низкая температура отверждения, позволяющая использовать
термочувствительные или нерастворимые
материалы; простая обработка и, следовательно, более низкая стоимость; а также экологичность [1].
Электропроводящие клеевые композиции можно разделить на два типа: изотропные и анизотропные. Анизотропные проводящие клея демонстрируют однонаправленную проводимость и могут принимать форму пасты или пленки, так как имеют низкие концентрации проводящего наполнителя. По мере увеличения концентрации проводящего наполнителя в полимерной матрице начинает формироваться сдвиг в направлении проводимости от 1-мерной к 3-мерной. ЭПК, которые демонстрируют проводимость в трех направлениях, называют изотропными [2]. Проводящие частицы в обоих типах композиций должны обладать определенным комплексом свойств. Одной из важнейших характеристик (особенно для анизотропных клеев) является размер таких частиц, который определяет толщину клеевого соединения.
В качестве наполнителя в электропроводящих клеях в основном используются частицы серебра. Однако в последние годы ведется разработка полной
или частичной замены серебра на другой более дешевый проводящий металл. Одним из таких металлов является никель [3]. В современных клеевых композициях используются частицы металлов диаметром от 1 до 10 мкм. По классической классификации такие системы относятся к микрогетерогенным и их синтез представляет собой достаточно сложную задачу. Хорошо отработаны методы синтеза грубодисперсных систем, также в литературе описаны методики синтеза золей металлов. Нахождение простой и удобной методики синтеза высокодисперсных частиц металлического никеля с заданными эксплуатационными свойствами является актуальной задачей.
Для получения высокодисперсных частиц металлического никеля был выбран метод химического восстановления из жидкой фазы. Данный метод является одним из основных для получения наночастиц металлического никеля, поскольку позволяет получать системы с воспроизводимыми свойствами и узким распределением частиц по размерам [4]. В общем виде данный метод получения состоит из следующих стадий: приготовление системы, содержащей соль никеля и при необходимости раствор полимера и/или ПАВ в качестве стабилизатора и добавление восстанавливающего агента, также возможно применение солей
благородных металлов в качестве
зародышеобразователей.
В работах, посвященных синтезу высокодисперсных частиц металлического никеля, приведены результаты экспериментов, проведенных в присутствии различных стабилизаторов [5 - 10], однако данные о синтезе частиц при их отсутствии крайне отрывочны. Данная работа была посвящена изучению влияния условий синтеза и времени хранения полученных систем на размер частиц никеля при отсутствии стабилизаторов.
В качестве источника никеля в данной работе использовался хлорид никеля, в качестве восстановителя - боргидрид натрия, который для предотвращения гидролиза стабилизировали добавками гидроксида натрия. Частицы получали в водной среде без использования стабилизаторов. Предыдущими экспериментами было установлено, что для обеспечения максимально полного восстановления ионов никеля необходим избыток боргидрида натрия 3,5 моль/моль [11].
Была проведена серия экспериментов с девятью концентрациями раствора хлорида никеля, лежащими в диапазоне от 1 до 20 ммоль/л. С помощью оптического микроскопа марки «Биомед», оснащенного камерой «Levenhuk С310 NG», были получены микрофотографии синтезированных частиц никеля при разном времени прошедшем после синтеза: после 20 минут, 40 минут, через 2 дня и неделю (рисунок 1).
Рис. 1. Микрофотографии частиц никеля, полученных при концентрации хлорида никеля - 12,5 ммоль/л: а) 20 минут после синтеза, б) 40 минут после синтеза, в) 2 дня после синтеза, г) неделя после синтеза
На основании полученных микрофотографий были рассчитаны размеры частиц.
Репрезентативность результатов обеспечивалось использованием нескольких фотографий,
полученных в разных участках нанесенного образца. В качестве величины размера частиц был выбран эквивалентный диаметр [12]. Была проведена статистическая обработка рассчитанных
эквивалентных диаметров и получены гистограммы распределения частиц по размерам.
На основании гистограмм были рассчитаны наивероятнейшие диаметры частиц и построены зависимости наивероятнейших размеров от концентрации исходной соли (на рисунке 2 приведен пример такой зависимости для частиц, выдержанных в течение недели после синтеза). По полученным результатам можно сделать вывод о том, что в диапазоне концентраций исходной соли от 5 до 20 мМ спустя неделю после синтеза размер частиц никеля не превышает 10 мкм.
Рис. 2. Зависимость наивероятнейших эквивалентых диаметров частиц никеля от концентрации хлорида никеля спустя неделю после синтеза
Таким образом, в ходе работы была показана принципиальная возможность получения частиц металлического никеля с требуемыми размерами методом химического восстановления. Получены данные о влиянии концентрации исходной соли на размер высокодисперсных частиц металлического никеля, полученных методом химического восстановления из жидкой фазы в отсутствии стабилизаторов.
Список литературы
1. Erol Sancaktar. Electrically Conductive Epoxy Adhesives / Lan Bai // Polymers - 2011, 3. - P. 427466.
2. Ephraim Trinidad. Evaluation of Hybrid Electrically Conductive Adhesives // A thesis presented to the University of Waterloo in fulfillment of the thesis requirement for the degree of Master of Applied Science
in Chemical Engineering (Nanotechnology) - 2016. -125 p.
3. Chang-Kyu Chung. Effects of Conductive Particles on the Electrical Stability and Reliability of Anisotropic Conductive Film Chip-on-Board Interconnections / Gi-Dong Sim, Soon-Bok Lee, and Kyung-Wook Paik // IEEE Transactions on components, packaging and manufacturing technology - 2012, Vol. 2, № 3. - P. 359 - 366.
4. Bonnemann H. Nanoscopic Metal Particles -Synthetic Methods and Potential Applications / Richards R. M. // Eur. J. Inorg. Chem. - 2001. - P. 2455 - 2480.
5. Vidyadhar Singh. Structural and magnetic properties of polymer-stabilized tetragonal Ni nanoparticles / V. Srinivasa and S. Ram // Philosophical Magazine - April 2010, Vol. 90, No. 11. - P. 14011414.
6. Tanushree Bala. Block copolymer mediated stabilization of sub-5 nm superparamagnetic nickel nanoparticles in an aqueous medium / Robert Denis Gunning, Munuswamy Venkatesan, Jeffrey F Godsell, Saibal Roy and Kevin M Ryan // Nanotechnology -2009, 20. - 11 p.
7. Giselle G. Couto. Nickel nanoparticles obtained by a modified polyol process: Synthesis, characterization, and magnetic properties / Joao J. Klein, Wido H. Schreiner, Dante H. Mosca, Adilson J.A. de Oliveira, Aldo J.G. Zarbin // Journal of Colloid and Interface Science - 2007, 311. - P. 461-468.
8. Ajeet Kumar. Controlled synthesis of size-tunable nickel and nickel oxide nanoparticles using water-in-oil microemulsions / Amit Saxena, Arnab De, Ravi Shankar and Subho Mozumdar // Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. - 2013, 4. - 9 pp.
9. Нарсеева, Г.В. Получение наночастиц никеля / Г.В. Нарсеева, А.Л. Новожилов, А.В. Серов // Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии. VII Международная конференция / Кисловодск - Ставрополь: СевКавГТУ - 2007. - 510с.
10. K. M. A. Haque. Synthesis of nano-nickel by a wet chemical reduction method in the presence of surfactant (SDS) and a polymer (PVP) / M. S. Hussain, S. S. Alam and S. M. S. Islam // African Journal of Pure and Applied Chemistry - May 2010, Vol. 4(5). - P. 5863.
11. Магжанов Р.Х., Яровая О.В., Соколова А.Н. Выбор экспериментальных методов для исследования кинетики формирования высокодисперсных частиц металлического никеля в процессе химического восстановления / Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том ХХХП, №7. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева
12. Гаврилова Н. Н. Микроскопические методы определения размеров частиц дисперсных материалов: учеб. пособие / Н. Н. Гаврилова, В. В. Назаров, О. В. Яровая. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2012. - 52 с.
