[发明专利]纳米金属3D打印墨水及其应用

说明书

本发明提供一种纳米金属3D打印墨水及其应用。本发明通过双还原剂的协同作用，其中强还原剂如水合肼用于金属纳米颗粒的快速形成，弱还原剂如二乙醇胺用于小颗粒金属纳米颗粒的表面金属粒子缓慢还原团聚，实现金属纳米粒子的可控合成，达到尺寸大小可控、单分散性的效果。本发明制备的纳米金属粒子在溶液中能够均一分散，此类浆料可用于10μm以下高精密直写3D打印工艺。

技术领域

本发明涉及导电墨水制造领域，具体地说，涉及一种纳米金属3D打印墨水及其应用。

背景技术

近些年，随着金属3D打印工艺的日渐成熟，与传统工艺相比，其在缩短新产品研发及实现周期、可高效成形更为复杂的结构、实现一体化、轻量化设计、实现优良的力学性能等方面表现出了无法比拟的优势。而随着金属3D打印产业化规模的扩大，市场上金属粉末材料种类偏少、品质偏低、供给不足等问题也日渐明显。如市场上最为常见的商用银浆，一般采用的均是微米级别的银片，采取丝网印刷工艺时，线宽、线距已达到60-70μm，而采用激光雕刻技术，线宽、线距依然会在30-40μm。由于商用银浆自身存在的颗粒尺寸大、易团聚、难分散等问题，目前均无法满足10μm以下高精密直写3D打印工艺。

因此开发尺寸小于1μm的单分散性金属纳米粒子，可以有效提升高精密直写3D打印工艺的适用范围。

发明内容

本发明针对现有金属浆无法满足10μm以下高精密直写3D打印工艺，且纳米金属浆料常出现易团聚、难分散，制造工艺重复性差，无法实现商业化等问题，开发一类新型的纳米金属3D打印墨水，并提供其制备方法与应用。

本发明构思如下：本发明通过双还原剂的协同作用，并对还原剂、聚合物的用量及反应温度加以控制，实现单分散性金属纳米粒子的合成。其中，强还原剂如水合肼用于金属纳米颗粒快速形成晶核，通过对强还原剂的用量控制，可以得到粒子尺寸在1～10纳米之间的金属纳米颗粒，在此过程中，由于反应温度较低，弱还原剂一般不会参与反应，只起到稳定1～10纳米的金属纳米颗粒的作用；之后，随着反应温度的升高，弱还原剂的活性会显著变强，从而能够进一步还原反应体系中的金属盐，使后续还原出来的金属颗粒，能够均匀地生长在上述晶核表面；另外，能在该反应过程中，减缓金属纳米颗粒的团聚速率。聚合物在此反应过程中，亦能通过对大尺寸金属纳米粒子的包覆，抑制其尺寸的进一步变大，在弱还原剂以及高分子聚合物的协同作用下，能够有效抑制1μm的大颗粒金属纳米粒子的出现，最终实现金属纳米粒子的可控合成，达到尺寸大小可控、单分散性的效果。

为了实现本发明目的，第一方面，本发明提供一种用于纳米金属3D打印的金属纳米材料，所述金属纳米材料由金属纳米颗粒及其表面的配体组成；金属纳米颗粒的粒径大小分布区间为X±Y，其中，X为50-500nm，Y≤20％X。

所述配体可选自聚丙烯酸(PAA)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、曲拉通、聚乙二醇(PEG)等中的至少一种。

所述金属纳米材料可以是纳米银、纳米铜、纳米金等。

第二方面，本发明提供所述金属纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

A、将金属盐溶于去离子水中，加入还原剂I和高分子聚合物，混匀；

B、向步骤A所得反应体系中滴加还原剂II溶液，滴加完毕后，升温至特定温度进行反应；

C、反应结束后，降至室温，向体系中加入不良溶剂，使产物析出，产物经晾干后，复溶在去离子水中，用合适孔径滤网过滤1～5次；

D、产物经干燥后即得。

所述不良溶剂可以是碳原子数为1～6的醇或酮。

进一步地，步骤A和B步骤之间还包括用碱液将反应体系的pH调至9-10的步骤。

优选地，所述碱液为氨水，也可以使用其他碱性物质。