超细铜粉表面改性研究现状及展望
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超细铜粉由于其优异的导电性能、低价易得、化学稳定性较好等特点，与金、银、铝、铁、锌等金属相比有着独特的优势，目前在导电涂料、聚合物防静电填料、高能电容材料、微电子材料、电磁屏蔽材料等多方面都有应用。不过超细铜粉也有着明显的不足：铜粉粒径越小越易被氧化腐蚀，而铜粉一经氧化就失去了许多优异的性质如导电性能；由于表面界面效应超细铜粉颗粒容易团聚；铜粉在高分子聚合物中的分散性也不理想。这些不足严重限制了超细铜粉的深入广泛应用。因此，在不影响导电性的前提下，削弱颗粒团聚性，增强微粒抗氧化性，提高其与有机物、高分子的亲合性是众多表面改性方法的方向。
超细铜粉的表面改性主要有两大类方法：一为表面转化，它是用物理化学方法处理表面，使材料本身组成结构发生变化，从而使性能得到改变，常见的技术有磷化、钝化、辐射处理、超声处理、热处理等。该类技术可以用于提高超细铜粉的耐腐蚀抗氧化、分散等性能，不过它们应用到超细铜粉改性方面的实例尚不多。二为表面包覆法，它是用合适的物质将粉体包覆，以赋予或加强基材的一些物理化学性质。如果考虑到保持铜粉优良的导电性，现有已见的包覆材料有金属、偶联剂、导电聚合物、缓蚀剂及表面活性剂、无机半导体等，其中金属、偶联剂、表面活性剂及缓蚀剂已有文献报道用于超细铜粉的包覆，导电聚合物半导体金属及金属氧化物尚少应用。本文将按此分类方法介绍各种已经应用于或者有可能应用于超细铜粉表面改性的方法技术及其最新进展，以期指出超细铜粉表面改性的研究发展方向。
表面转化法
磷化。磷化是用含磷酸、磷酸盐和其他金属盐溶液处理金属，使金属表面通过化学反应，产生完整的、具有中等防腐蚀作用的磷酸盐层的过程。为了提高磷化保护膜的致密性，通常在磷化液中加入氧化剂，如亚硝酸钠、硝酸钠和双氧水。磷化工艺简单，处理方便，在已有成熟的化学表面转化处理工艺中，占有重要地位。该技术在超细铜粉表面处理中仍然适用。刘志杰等发现经磷化后的铜粉具备高于220℃的抗氧化性能。用该法对处理超细铜粉优点是可以提高铜粉的耐候性，但处理后铜粉外观，导电性均会受到影响。
钝化。钝化又称铬酸盐处理，它是指使金属表面转化成为铬酸盐为主要组成的膜的工艺，实现这一转化所用的介质一般是以铬酸、碱金属的铬酸盐或重铬酸盐为基本成分的溶液。铜件经钝化处理后可以得到耐蚀性良好的转化膜，典型的工艺是将铜在重铬酸钠（180g/L）、氯化钠（10g/L）、硫酸钠（50g/L）、硫酸（6mL/L）混合溶液中18～25℃下处理5～15min。尽管目前仍未见钝化技术应用于超细铜粉表面改性的报道，但经适当改进后应亦可用于提高超细铜粉的耐蚀性。
物理表面修饰。常见的物理表面修饰有超声、辐射、热处理等技术。超声波可产生强烈的振动及对介质空化，使材料的特性和状态发生变化。低频超声波在降低表面张力方面有一定效应。辐射技术是用高能射线与物质相互作用，在极短的时间内把自身的能量传递给介质，使介质发生电离和激发等变化，从而产生各种效应。研究表明经过辐射处理后一些物质接触角有变大的趋势。这些技术有望用于削弱超细铜粉自团聚以及增强其在高分子聚合物中的分散性。
表面包覆法
表面镀金属。采用化学镀、真空蒸镀等方法在铜粉表面镀上导电性好的惰性金属如金、银或钛可以防止铜粉氧化，并保持原有金属粉末的高电导性。
镀银：镀银处理超细铜粉研究比较多比较成熟，主要有置换法和还原法。置换法是将铜粉加入到银离子溶液中，通过铜自身的还原作用使银在铜粉表面生成从而包覆铜粉。通过向反应液中加入一些络合剂如氨盐使其与银离子络合控制反应速度可以使镀层均匀。本法的优点是可以获得结构均匀、厚度可控的包覆层。不过研究发现该法也有不足，超细铜粉的表面积极大，反应中会吸附大量的反应产物铜氨配离子，阻碍置换反应的进行，致使一次镀银反应只能得到点缀结构的铜银双金属粉；而点缀结构的镀层又使体系中形成大量的微电池，微电池反应的结果使得镀层变为多分子层。还原法是外加还原剂使欲镀金属还原。没有铜离子生成从而消除了镀银铜粉表面吸附的铜氨配合物的影响，制得包覆结构的铜银双金属粉。有研究用甲醛还原银氨络合离子制备镀银铜粉，另有用酒石酸钾钠作还原剂，制得了包覆效果良好的镀银铜粉。
包覆后抗氧化效果与镀银量有关，研究发现35 m球状铜粉表面银含量达到15.22%具备常温抗氧化性，达38.84%时具备250℃抗氧化性，93.53%时具备700℃抗氧化性，3.4 m球状铜粉包覆银含量超过20%时具备150℃抗氧化性。枝状铜粉（35 m）表层银含量达45.05%才有常温抗氧化作用，随着银含量的提高其抗氧化温度也有提高趋势。
镀银主要优点前已叙及，该法不足在于不能削弱颗粒团聚性，提高其与有机物、高分子的亲合性，此外该法成本也比较高。
渗钛：渗钛是国内外十分重视的研究课题，目前在大尺寸物质方面应用较多。有固体渗、液体渗、气体渗、感应加热膏剂渗、粉末渗等方法。在应用于大尺寸铜基改性的实例中，通过固体渗镀技术将铜基片表面渗钛。结果发现渗钛后表面分三层，最外为含 -TiTi2Cu的 -Ti层，中间为TiCu、Ti2Cu层，内层为钛在铜中掺杂结构。三层厚约30 m，该表层增进了基片在700℃下的抗氧化性。渗钛铜耐蚀性可以与钛相当，而其导电性基本未变。但粉体渗硅尚需新的技术支持。张跃飞等介绍了加弧辉光离子渗镀技术可以为铜粉的改性提供参考。
偶联剂包覆。偶联剂理包覆处理，可以提高铜粉与有机聚合物的亲和力，改善其机械性能，电、磁、气性能以及耐候、耐水性能，难燃分散性，加工性和抗氧化等性能。其基本过程首先是Si—X水解生成多羟基化合物，随后一方面Si—OH之间脱水缩合成含Si—O—Si的低聚硅氧烷，另一方面，硅烷与基材表面羟基脱水缩合形成共价键，随着水解缩合的不断进行，基材逐渐被包覆。偶联剂包覆主要有以下五种技术工艺：干式处理；浆料处理；喷雾处理；直接整体掺混和；母料法整体掺混。常见偶连剂有硅烷偶连剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂。
G.Kane Jennings等用自组装技术在铜表面先形为一层长链硫醇（alkanethiol）膜，再由偶联剂包覆处理最终形成了双层包膜结构。改性后铜在干湿环境中都有良好的抗氧化腐蚀性。闰军等用干式处理法、直接整体掺混和法用两种硅烷偶联剂处理铜粉并对其导电性能进行了研究，探讨了不同型号偶联剂处理铜粉的差别。李正莉等采用直接整体掺混和法用钛酸酯偶联剂对铜粉进行表面处理。
用偶连接包覆有很多优点但也有不足，由于形成的包覆层导电性差，制得的复合粒子导电性较包覆前将有所降低。
导电聚合物及其它聚合物包覆。经导电聚合物包覆后的复合粒子抗氧化性、耐腐蚀性有所改进，与有机物亲和力较强，表面能比较小不易团聚，而且由于导电聚合物的导电性，复合粒子的电导性没有太大损失。
常见的导电聚合物有聚苯胺（PAn）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）等。常用的技术有溶解涂覆、化学沉淀、原位聚合等。溶解涂覆是将聚合物或掺杂后的聚合物溶于某种溶液，将预处理物质在该溶液中浸泡一段时间后取出烘干，使溶质析出涂覆于基材表面的技术。包覆厚度可以通过浸泡条件及浸泡次数控制。该技术的主要缺点是能溶解导电聚合物的溶剂不多。有实验旨在合成水溶性PAn和PPy，将进一步扩展该法的应用。化学沉淀是将基材放入聚合物单体的溶液中，然后加入引发剂使单体聚合，生成的聚合物沉积在金属颗粒表面将其包覆，最后再对聚合物掺杂以提高其导电性。原位聚合是将聚合物单体分散于颗粒表面然后再使表面单体聚合，或者先用引发剂包覆基材，然后在单体溶液中使单体在基材表面聚合。另外为使聚合物更好地包覆金属粒子有实验先用偶连剂对金属粒子进行处理然后再包覆导电聚合物。目前该方面的研究尚不多，W. Prissanaroon等用电化学沉淀法制备了聚吡咯包覆的铜电极，Vandana Shinde等用循环伏安法制备了聚茴香胺包覆表面的铜基，可以为进一步用聚合物包覆铜粉提供参考。Vandana Shinde等制备了聚邻甲基苯胺包覆的铜粉。研究结果显示聚甲基苯胺与铜粉结合牢固。复合物在抗氧化耐腐蚀方面均强于未处理铜粉，其在氯化物环境中更有显著的抗腐蚀性。
导电聚合物包覆有许多预计的优点。但目前这方面的理论尚不成熟，没有明确的理论指导，同时包覆后的粒子最高使用温度在200℃左右，满足不了高温抗氧化要求。
其它聚合物包覆主要作用是改善铜粉抗氧化、耐腐蚀性。Jeonghwan Kim等用机械球磨技术，先后加入聚酰胺、蓖麻油脂与铜粉一起研磨，最终形成两种物质共包覆的复合物。改性后铜粉抗氧化性得到了提高。
缓蚀剂处理。在腐蚀介质中添加少量（1%左右）阻止基体腐蚀继续进行的介质称为缓蚀剂。缓蚀剂种类很多，已用于铜粉改性的有咪唑化合物和有机酸。咪唑化合物与金属铜有很好的配位反应活性，能瞬间吸附在铜表面，生成致密的防氧化、抗腐蚀薄膜。该法的优点是处理过后铜在空气、水或弱酸、稀碱中具有耐腐蚀性。水中存储100天不被氧化，强酸强碱中完全不腐蚀时间最长可达数十小时。其与铜粉表面作用是复杂的化学反应，主要经历了三个阶段，最终形成了以一价铜粉络合物为主的保护薄膜。另外咪唑化合物种类很多，对含烷基支链苯骈三氮唑（BTA）进行研究发现，烷基支链长短对铜的在NaCl溶液和NaClO3溶液中的抗蚀效果有一定影响。有机酸是另一种常用缓蚀剂，具体用油酸钝化铜粉可以使铜粉具备较好的抗氧化性和分散性。用该法处理的超细铜粉有良好的分散性和抗氧化性，但处理后铜粉导电性下降，同时将处理后铜粉用于环氧-聚酰胺树脂中抗氧化能力也比较差。因此用油酸处理比较适合于铜粉的存储。
表面活性剂处理。经表面活性剂处理后的铜粉表面能减小，表面由亲水性变为亲油性的，从而可以改善其与有机物的亲和性，提高它在塑料、橡胶、胶粘剂等高聚物基复合材料填充时的相容性和分散性；另外，表面活性剂包覆可以使铜粉与空气隔绝，也能起到一定的抗氧化作用。金寿日等用油酸醇蒸汽对超细铜粉进行表面处理，使其表面包覆一层致密的膜，样品再经真空烧制最终得到导电性膜，改善了铜粉的抗氧化和分散性能。
无机半导体包覆。渗硅：渗硅目前用于超细铜粉改性的报道尚不多，但已有文章在400～500℃下使硅烷气体分解制备了包覆结构的大尺寸铜件。渗硅处理能增加铜件的耐磨性，同时使其具备常温及高温抗氧化性。该法经改进后有望实现对超细铜粉的改性，形成耐磨，耐腐蚀，具有高温抗氧化性而且导电性良好的复合超细粉末。
半导体化合物包覆：可用于包覆的半导体氧化物很多，比如炭化硅、二氧化钛、三氧化铬、三氧化铁、氧化锌等。用这些物质包覆的铜粉在保持较高导电性前提下可以使铜粉具备高温抗氧化性，同时也能改变金属表面活性，方便进一步处理。可以实现这方面包覆的技术也很多，如溶胶-凝胶法、沉淀法、非均相成核法、乳液法等。但具体实现对铜粉的实例不多。V.D.Stankovic等将半导体MoS2、C、SiC、Al2O3包覆于铜基片表面，并对包覆后表面结构形貌，表面硬度，及包覆后伸展性进行了研究，可以为铜粉处理提供参考。
针对同样的目的，用于实现的方法、技术很多，超细粒子的改性与大尺寸改性不同，根据其差异，可将表面改性方法技术大致分为三类：完全针对大尺寸物质，不能用来实现超细粒子表面改性的技术，如电镀、热喷涂、堆焊等；针对大尺寸物质但改进后可以应用于超细粉末的技术，如化学涂镀，气相沉淀包覆等；针对微细粒子改性的技术，如微乳液法、超临界膨胀法等。文中叙及的超细铜粉表面改性的两类方法，表面转化涉及到的技术方便、易行，在大尺寸物质改性方面已广泛成熟应用，不过较少见用于微细粒子改性方面的实例，属于可以改进后应用于超细粉体改性的技术；表面包覆中的一些方面研究较多技术成熟如化学镀银、偶联剂处理，另一些方面尚未有很多研究，有待进一步开发研究以拓展铜粉的应用范围。总的来说对于超细铜粉改性，目前的理论、方法、技术还不完善，有很大研究的余地。因此，对于铜粉表面改性进行系统深入的研究，在实际应用与理论研究方面都有很大的意义。
【作者简介】李晨泓，1980.12.2，男，汉族，天津市塘沽区，大学本科，职称：中级职称，研究方向：油气田开发与开采，从事的工作：海上油气田及陆岸终端生产管理。
[1]钱苗根，姚寿山，张少宗.现代表面技术﹒北京：机械工业出版社，1994
[2]邓舜扬.金属防腐蚀对话.北京：冶金工业出版社，1987
[3]刘志杰，等.超细铜粉表面磷化及抗氧化性能研究无机化学学报1996.6
[4]李金桂.防腐蚀表面工程技术.北京：化学工业出版社，2003.01
[5]毋 伟，陈建峰，卢寿慈.超细粉体表面修饰.北京：化学工业出版社，2004.03
[6]高保娇，蒋红梅，张忠兴﹒用银氨溶液对微米级铜粉镀银反应机理的研究﹒无机化学学报，2000.07
[7]钟莲云，吴伯麟，贺立勇﹒导电涂料用片状镀银铜粉的研究﹒涂料工业，2003.09
[8]Xinrui Xu， etc﹒Electroless silver coating on fine copper powder and its effects on oxidation resistance﹒Materials Letters 57
[9]高保娇，等﹒微米级铜-银双金属粉镀层结构及其抗氧化性﹒物理化学学报，2000.04
[10]程 原，高保娇，梁 浩﹒微米级镀银铜粉复合导电涂层的导电性研究﹒应用基础与工程科学学报，2001.09
[11]M.R. Bateni，etc. Improving the tribological behavior of copper throughnovel Ti–Cu intermetallic coatings. Wear 253 ，2002
[12]张跃飞，等﹒纯铜离子渗镀钛层的耐蚀性﹒中国有色金属学报，2001.11
[13]高红云，张招贵﹒硅烷偶联剂的偶联机理及研究现状﹒江西化工，2003.02
[14]普 文.硅烷偶联剂在无机填料表面处理上的应用.化工物资，1992
[15]G.Kane Jennings，Paul E.Laibinis. Self-assembled monolayers of alkanethiols on copper provide corrosion resistance in aqueous environments. Colloids and Surfaces（A），1996
[16]闰 军，等﹒偶联剂对环氧-铜粉复合导电涂料导电性能的影响﹒弹性体，2003.04
[17]李正莉，刘祥萱，王煊军.导电涂料用铜粉防氧化处理研究.涂料工业，2004.34
[18]林 硕，吴年强，李志章﹒偶联剂对铜系复合涂料导电稳定性的影响﹒复合材料学报，1999.10
[19]Bhattacharya A， De A. Prog Solid State Chem ，1996
[20]A. Malinauskas .Chemical deposition of conducting polymers﹒Polymer 42 ，2001
[21]S.P.Armes，M.Aldissi，J.Chem.Soc.，mun.1989
[22]J.Stejskal，P.Kratochvil，N.Gospodinova，L.Terlenezyan， P.Mokreva，Polymer33，1992
[23]P.Banerjee，M.L.Degar，S.N. Bhattacharyya，B.M. Mandal，Eur.Polm.J.1994
[24]S.P.Armes，M.Aldissi，Polymer 31.1990
[25]P.M. Beadle，L. Rowan，J.Mykytiuk，N.C. Billingham，S.P.Armes，Polymer 34 ，1993
[26]R.B.Bjorklund，B.Liedberg，J.Chem.Soc.，mun.1986
[26]金绪刚，黄承亚，龚克成﹒本征导电聚合物涂层及界面﹒化学研究与应用， VoL 9 No 4 ，1997
[27]A.Bhattachrya，A.De and S.N. Bharracharyya，Synth.Met 65 35，1994
[28]A.Mohammadi，D.W.Paul， O.Inganas， J.O. Nilsson and I.Lundstrom， J.Polymer.Sc.Parl A Polymer.Chem，1994
[29]W. Prissanaroon， etc. Electropolymerisation of pyrrole on copper in aqueous media. Synthetic Metals，2004
[30]Sonal Patil， S.R. Sainkar， P.P. Patil. Poly（o-anisidine） coatings on copper： synthesis， characterization. Applied Surface Science， 2004
[31]Vandana Shinde ，etc. Corrosion protective poly（o-toluidine） coatings on copper. Corrosion Science，2005
[32]Jeonghwan Kim，etc.Mechanical-dry coating of wax onto copper powder by ball milling﹒Materials Science and Engineering﹒A：342 （2003）
[33]于丽华，钟俊波.纳米铜粉的制备及保存.大连铁道学院学报，2004.25
[34]郑水林.粉体表面改性.北京：中国建材工业出版社，2003.08
[35]赵永生，庞正智﹒咪咄化合物在铜表面的成膜过程与机理﹒材料保护，2003
[36]L.TOMMESANI，etc. On the protective action of 1，2，3-benzotriazole derivative films against copper corrosion. Corrosion Science vol 39 no， 1997
[37]周全法，等.抗氧化纳米铜粉的制备及表征.稀有金属材料与工程，2004.33
[38]薛奇，等.CN 104467A. 1990.08
[39]金寿日，等.有机包覆铜超微粒子的研究.粉体技术.1998.04
[40]甘正浩，等﹒铜的气体表面渗硅新工艺研究﹒材料科学与工程，Vo1.14 No.4，1996.12
[41]甘正浩，等﹒铜的表面含硅渗层的结构与性能﹒材料科学与工程，VOl.15 NO.l，997.3
[42]V.D.Stankovic，etc﹒Electrodeposited composite coatings of copper with inert，semiconductive and conductive particles﹒Surface and Coatings Technology 81，1996