阴极旋转式电解机的设计及制备纳米铜粉.pdf

5 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第8 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 8 ．0 1 7 阴极旋转式电解机的设计及制备纳米铜粉 谷晴晴，李成威，陈兰，王飞飞，马壮，陈雪婷，姚丹 辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁鞍山1 1 4 0 5 1 摘要设计了一种制备微细金属粉末的阴极旋转式电解机。该电解机的阴极板可以旋转并且转速可调。 通过控制适当的工艺参数，可以制备粒度2 0 ～5 0n m 、形态近球形的铜纳米粉末。 关键词旋转阴极；超细粉末；电解制粉 中图分类号T F l 2 3 ．1 3文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 8 0 0 5 6 0 3 D e s i g no fR o t a t i n gC a t h o d eE l e c t r o l y z e ra n dP r e p a r a t i o no f C o p p e rN a n o m e t e rP o w d e r G UQ i n g q i n g ，L IC h e n g w e i ，C H E NL a n ，W A N GF e i f e i ，M AZ h u a n g ，C H E NX u e t i n g ，Y A OD a n S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ，L i a o n i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，A n s h a n1 1 4 0 5 1 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t A ne l e c t r o l y t i cm a c h i n ew i t hr o t a t i n gc a t h o d ep l a t ea n da d ju s t a b l er o t a t es p e e dt op r e p a r es u p e r f i n em e t a lp o w d e r sw a sd e s i g n e d ．T h ec o p p e rn a n o m e t e rp o w d e rw i t hs i z eo f2 0 ～5 0n mi nn e a r l ys p h e r i c a l f o r mw a sp r e p a r e dw i t ha p p r o p r i a t et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r su n d e rc o n t r 0 1 ． K e yw o r d s r o t a t i n gc a t h o d e ；s u p e r f i n ep o w d e r ；e l e c t r o l y t i cp o w d e rp r o c e s s i n g 微细金属粉末作为一种新兴材料，受到人们广 泛的关注，并产生了许多制备方法，每种方法都有明 显的优缺点。电解法制备的粉末纯度高、压制性能 好、粒度容易控制，可以得到其它方法难以制备的微 细金属粉末，更适用于制备电负性大的金属粉末，也 是最有希望实现产业化的方法之一。 在常规电解生产中，需要周期性地刮粉，从而降 低了生产效率，同时金属粉末会在阴极板上不断长 大，难以制得微细粉末。为了得到微细金属粉末，人 们对电解法制备微细粉末进行了一些研究，包括对 电解设备和工艺进行设计[ 1 { ] ，也有的加入超声波和 添加剂[ 6 嵋] 。制得的粉末粒度达到了纳米级，取得了 良好的效果。但电解法仍处在研制阶段，要实现规 模化生产还需要做更多的工作。 本文设计了一种阴极旋转动态电解设备，并以 纳米级铜粉的制备为例，对工艺参数进行优化。 1 电解机的设计 自行设计的阴极旋转动态电解机如图1 所示。 阴极板为一组串联结构的不锈钢板制成，等距 离地固定在导电主轴上。导电主轴由不锈钢材料制 备，外部涂覆耐酸绝缘材料，两端由耐酸密封陶瓷轴 承支撑。导电主轴一端与集电器连接，可以实现阴 极动态导电过程，顶端与绝缘联轴器连接，由调速电 机提供驱动力，带动阴极组板一起旋转，其转速可以 调节。在每块阴极板两侧有固定在电解槽上、用工 程塑料制备的滚动刮粉刷，及时将生成的粉体刮掉。 在每相邻的阴极板中间有一个工程塑料制备的阳极 筐，筐内衬装耐酸滤布。电解时直接把铜屑放进阳 极筐，经石墨电极与导线相连。电解后的粉液混合 物由电解槽下部的放水阀门排出并进入粉液分离 槽。分离出来的铜粉再经洗涤、真空干燥、还原。分 收稿日期2 0 1 3 0 1 2 7 作者简介谷晴晴 1 9 9 0 一 ，女，安徽人，硕士研究生；通信作者李成威 1 9 6 6 一 ，男，辽宁人，教授． 万方数据 2 0 1 3 年第8 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 7 1 一粉液分离槽；2 一耐酸泵；3 一商位槽；4 一电解槽； 5 一阴极板；6 一阳极筐；7 一支架；8 一陶瓷密封轴承； 9 一集电器；1 0 一联轴器；1 1 一调速减速电机； 1 2 一导电主轴；1 3 一刮粉刷 图1电解装置示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o l y z e r 离后的电解液经耐酸泵进入高位槽并返回电解槽循 环使用。 该阴极旋转动态电解设备保留了常规电解法制 备粉末的优点，解决了常规电解生产中需要周期性 刮粉的缺点，提高了生产效率、可以制得微细粉体。 并具有以下特点 1 阴极板采用多组串联布置，具有结构紧凑、节 约空间优点。在很小的电解槽内可以获得比较大的 阴极面积，更适合于规模化生产的要求。 2 阴极筐设计为可移动式，内衬耐酸滤布，可以 使用细小块粒材料如铜米、车屑等为原料，这样不仅 降低了对阳极材料的要求，还可以扩大接触面积，有 利于电解的进行。耐酸滤布保证了碎屑不会落人电 解液中。 3 电解槽内衬采用高分子材料制成，降低制造 成本，满足了耐酸、绝缘的工艺技术要求。 2 纳米铜粉的制备 2 ．1 试验原料与设备 以电解铜粉为研究对象，主要原料与设备有五 水硫酸铜，硫酸，六偏磷酸钠 均为分析纯 ，废紫铜 碎屑，Z E T A S I Z E R3 0 0 0 H S A 型纳米粒度仪，J S M 一 6 4 8 0 L V 型扫描电镜，J E M 一2 1 0 型透射电镜，E D A X 型能谱仪，P G S T A T 3 0 ／F R A 型电化学工作站等。 2 ．2 试验方法与条件 设计四水平三因素正交试验，研究铜离子浓度、 电解液p H 、电流密度对粒度的影响，结果见表1 。 表I 正交试验结果 T a b l e1 R e s u l t so fo r t h o g o n a lt e s t 序号羔青普羔置普器等 试验得出的最佳工艺条件为铜离子浓度0 ．0 8 m o l ／L 、p H 一3 、电流密度2 0A ／d i n 2 ，分散剂六偏磷 酸钠的添加量为0 ．1 ％。 按此条件配制电解液，以废紫铜碎屑为牺牲阳 极，3 1 6 不锈钢板为阴极，温度2 7 ～3 3 ℃，极板间距 4 0 ～6 0m m ，在设计的设备中研究阴极转速对制粉 粒度的影响，并对得到的铜粉进行表征。 2 ．3 试验结果及分析 阴极转速在3 ～1 0r ／m i n 时得到的电解铜粉 T E M 形貌和能谱图如图2 所示。 由图2 可知，铜粉颗粒形态近似球形，粒度2 0 ～5 0n m ，纯度较高，被氧化部分极少。 在其它电解条件不变的条件下，阴极板不旋转 相当于传统的静态电解法，在电解过程中，新生的铜 粉颗粒会在原来的铜粉颗粒上逐渐长大；另一方面 铜粉颗粒在阴极板上沉积会使阴极有效工作面积逐 渐增加致使电流密度变小，得到的铜粉颗粒较大。 而阴极板旋转时新生出的粉末颗粒会随即被刮下 来，避免了铜粉颗粒的长大，所以得到了微细铜粉。 电解时在阴极板上开始析出的是致密金属层， 一直要到阴极板附近的阳离子浓度降低到某一定值 C 0 时才开始析出松散的粉末。阴极板附近的阳离 万方数据 5 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第8 期 子浓度主要由电解消耗和扩散补充两个过程决定， 在电流密度一定时，转速越快阴极板附近的阳离子 扩散加快，此时的扩散补充速度大于电解消耗的速 度，阴极附近的阳离子浓度有可能不能降低至C 。， 所以转速太快时不能电解出铜粉。 2345678 E 他e V 图2 纳米铜粉的T E M 形貌 a 和能谱图 b F i g ．2 T E Mm i c r o s t r u e t u r e a a n dE D Sp a t t e r n b o fc o p p e rn a n o m e t e rp o w d e r 3 工艺过程4 结论 电解法制取铜粉的工艺过程为电解一动态刷 粉一过滤一收取铜粉一洗涤一防氧化处理一洗涤一 过滤一真空干燥一研磨一筛分一成品铜粉。具体操 作过程如下 1 按工艺要求配制硫酸铜电解液，注入电解槽 和高位槽内； 2 将“铜米”或紫铜车屑进行清理，然后用去离 子水清洗； 3 清洗好的铜原料作为牺牲阳极直接装入电解 框内，通过石墨电极导电进行电解处理，随着电解过 程的进行，定期加入铜原料； 4 在电解开始的同时，启动调速减速电机，阴极 开始旋转，滚刷开始工作，产生的铜粉落人电解槽的 底部； 5 定期放出铜粉和电解液的悬浊溶液，过滤分 离铜粉，电解液经高位槽返回电解槽； 6 沉淀分离的铜粉立即用去离子水清洗，之后 加入防氧化剂，再清洗3 次。 7 在1 2 0 ℃真空干燥1h ，真空度4 0P a ； 8 机械研磨并过0 ．0 4 7m m 筛。筛下粉末为产 品，筛上物重新电解； 9 粉末成分和性能分析与检测。 上述粉末按G B ／T5 2 4 6 1 9 8 5 标准进行检验， 结果如下铜含量9 9 ．6 ％，氧含量0 ．3 ％，粒度2 0 ～5 0 a m ，松装密度0 ．5g ／c m a 。完全符合该标准的要求。 采用阴极旋转电解装置可以连续制备出粒径2 0 ～5 0n m 的纳米铜粉，阴极适宜的转速为3 ～1 0 r ／m i n 。本装置结构紧凑、可以连续制备微细粉末，有 利于实现制粉的自动化生产，大幅度提高工作效率， 降低劳动强度。适用于铜、镍等微细粉末的生产。 参考文献 E l i 文瑾，李洁．纳米铜粉的研究进展[ J ] ．金属功能材料， 2 0 1 1 ，1 8 1 5 5 5 9 ． [ 2 ] L O O IM i n g H o o n g ，L E ES h u k T o n g ，S h a r i f a hB e e A B D - H A M I D ．U s eo fC i t r i cA c i di nS y n t h e s i z i n ga H i g h l yD i s p e r s e dC o p p e rC a t a l y s tf o rS e l e c t i v eH y d r o g e n o l y s i s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fC a t a l y s i s ，2 0 0 8 ，2 9 6 5 6 6 5 7 0 ． [ 3 ] 徐瑞东，常仕英，郭忠诚．电解法制备超细铜粉的工艺 及性能研究[ J ] ．电子工艺技术，2 0 0 6 ，2 7 6 3 5 5 3 5 9 ． [ 4 3 徐建林，陈纪东，张定军，等．电化学法制备纳米铜粉 [ J ] ．兰州理工大学学报，2 0 0 8 。3 4 3 9 - 1 1 ． [ 5 ] 李成威，孙本良，卢艳青，等．动态电解机的研制[ J ] ．鞍 山科技大学学报，2 0 0 3 ，2 6 5 3 6 6 3 6 8 ． [ 6 ] L uL e i ，S u iM a n l i n g ，L uK e ．S u p e r p l a s t i ce x t e n s i b i l i t y o fn a n o c r y s t a l l i n ec o p p e ra tr o o mt e m p e r a t u r e [ J ] ．S c i e n c e ，2 0 0 0 ，2 8 7 1 4 6 3 1 4 6 6 ． [ 7 ] 何峰，张正义，肖耀福，等．制备超细金属粉末的新型电 锵法[ J ] ．金属学报，2 0 0 0 ，3 6 6 6 5 9 6 6 1 ． [ 8 ] 朱协彬，段学臣．超声电解法制备纳米铜粉[ c ] ／／2 0 0 3 年 全国粉体设备一技术一产品信息交流会，2 0 0 3 3 6 4 0 ． ▲国l；；．，上 万方数据