稳定化纳米粒子和所述稳定化纳米粒子的分散液以及应用方法技术

通过封端剂使纳米粒子的组合物稳定化，所述封端剂由具有疏水性部分和亲水性部分以及低分子量的甲基丙烯酸和甲基丙烯酸正丁酯无规共聚物构成。纳米粒子组合物具有低粘度、高纳米粒子载荷并且可以通过例如喷墨、气雾剂和电纺丝的方法选择性施用于衬底。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及稳定化纳米粒子和所述稳定化纳米粒子的分散液以及应用方法。更具体来说，本专利技术涉及稳定化纳米粒子和所述稳定化纳米粒子的分散液以及应用方法，其中所述纳米粒子的稳定剂是具有亲水性区段和疏水性区段以及低分子量的甲基丙烯酸和甲基丙烯酸正丁酯的无规共聚物。
技术介绍
纳米粒子具有在各种应用(例如生物学、化学、材料科学、电子、成像以及药品)中有价值的特性。在电子行业中，纳米粒子通常用作催化剂，例如在无电金属电镀中；它们用于形成电磁干扰(EMI)屏蔽涂层、射频干扰信号(RFI)屏蔽涂层以及用以形成用于透明传导性材料(TCM)的金属网。然而，纳米程度的粒子(例如金属粒子)具有高表面能并且降低粒子表面上的熔点，并且因此，纳米粒子容易结块在一起，因此导致储存稳定性差。因此，必需用封端剂保护纳米粒子以使纳米粒子稳定化并且保持其分散于介质中或将其重新分散于介质中。纳米粒子上封端剂的性质会影响其物理特性和化学特性。纳米粒子上的封端剂决定纳米粒子的表面特性。因此，纳米粒子上所用的封端剂的类型可以是使用纳米粒子的应用的赋能因子。在电子领域中，存在向电子装置上越来越小的特征尺寸的持续推进。为了解决这一问题，电子领域使用例如丝网印刷、喷墨印刷、气雾剂喷射和电纺丝的方法做好准备，所述方法将含有封端纳米粒子的墨水使用到多种衬底以减小电子装置上的组件的特征尺寸。此类方法有益于印刷型电子产品应用、印刷天线、触摸显示器感测器、替代能量装置(一般来说例如太阳能电池、发光二极管(LED)、光伏打装置)以及增材制造(即3D印刷)微电子和其它电子相关应用。理想地，纳米粒子墨水包括：1)高粒子载荷，使得每滴沉积更多体积的金属，这减少建造指定厚度的沉积特征所需的程数，2)在烧结以使每单位体积的沉积特征的导电性最大之后接近金属体电阻率，3)低温烧结以避免破坏施加墨水的衬底，以及4)适当流变特性(例如低粘度)以允许更容易的处理。另外，纳米粒子墨水需要小心控制纳米粒子尺寸或粒径分布和纳米粒子稳定性。然而，如上文所述，纳米粒子上的封端剂影响纳米粒子的物理特性和化学特性。许多聚合封端剂(例如聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇)可以满足一些上述要求，但不满足纳米粒子墨水行业需要的全部或大部分要求。强效结合于纳米粒子表面的封端剂提供纳米粒子的大部分稳定性，然而，用此类封端剂稳定化的纳米粒子需要更多的能量来进行烧结。另一方面，用温和结合的封端剂封端的纳米粒子的稳定性可能不足以提供墨水特性的良好控制。用温和结合的封端剂合成纳米粒子也相当具有挑战，因为合成期间需要使用过大量的封端剂，封端剂需要随后用多个洗涤步骤去除以回收纯纳米粒子。另外，这些合成仅提供每单位合成体积少量纳米粒子产物，使其工业上不可行。因此，需要用于纳米粒子的改良封端剂。
技术实现思路
组合物包括包含金属的纳米粒子和一种或多种封端剂，所述封端剂由甲基丙烯酸和甲基丙烯酸正丁酯的具有亲水性区段和疏水性区段的无规共聚物构成。方法包括提供衬底；提供组合物，其包括包含金属的纳米粒子和一种或多种封端剂，所述封端剂由甲基丙烯酸和甲基丙烯酸正丁酯的具有亲水性区段和疏水性区段的无规共聚物构成；以及在衬底上沉积组合物以涂覆衬底。与仅使用亲水性封端剂时的仅水性系统或仅使用疏水性封端剂时的仅有机系统相比，无规共聚物中的亲水性区段和疏水性区段的组合允许在再分散纳米粒子时使用混合的有机溶剂和水性溶剂。在混合溶剂中再分散的能力允许优化分散介质极性和蒸气压以符合应用要求，同时避免纳米粒子聚集或分散液瓦解。随机排列的疏水性和亲水性区段的组合使封端剂链能够在水和有机溶剂混合物存在下良好溶剂化，这甚至可以使用低分子量封端剂共聚物提供用于纳米粒子稳定的较厚空间屏障。可以在比许多常规封端剂显著高的纳米粒子前驱体和纳米粒子浓度下使用甲基丙烯酸和甲基丙烯酸正丁酯无规共聚物制造纳米粒子。另外，因为合成期间对粒径分布的良好控制，所以在分散液中并入较大尺寸的纳米粒子与许多常规封端剂相比相当容易。由于较高最大装填比例可能具有较广分布以及由于具有相同粒子重量载荷的分散液中纳米粒子的有效体积比例降低，纳米粒子分散液中具有宽范围的粒径使能够制造相较于具有单分散粒径的那些具有低粘度的分散液。具有疏水性区段和亲水性区段的不同单体部分沿主链随机分布导致纳米粒子稳定性相较于均聚物或嵌段共聚物改良。低重量平均分子量的无规共聚物可用于降低纳米粒子表面上的封端剂厚度，使相等重量分率和粒径的纳米粒子分散液相较于许多常规封端剂能够具有较低粘度，其中使用低分子量聚合物的小纳米粒子的合成存在挑战。较低粘度允许纳米粒子分散液通过喷墨和电纺丝以及低纳米粒子分散液粘度有利的其它常规方法施加。封端剂的低重量平均分子量也降低沉积的纳米粒子结构中的隔离有机材料的比例并且相较于在相等烧结条件下具有较高分子量封端剂的纳米粒子提高烧结的体电阻率。低烧结温度允许纳米粒子沉积在多种衬底上而不在烧结期间破坏衬底。烧结的纳米粒子具有低电阻率，因此其高度导电。全部上述参数的组合提供改良的纳米粒子分散液。附图说明图1为如通过SEM图像分析测定的用无规甲基丙烯酸/甲基丙烯酸正丁酯共聚物封端的银纳米粒子的纳米粒子数对比纳米粒子直径的粒径分布条形图，其中平均粒径为56nm。图2为用无规甲基丙烯酸/甲基丙烯酸正丁酯共聚物封端的70重量％银纳米粒子分散液的以mpas为单位的粘度对比剪切速率[1/s]的曲线。图3为重量平均分子量为4000g/mol的用无规甲基丙烯酸/甲基丙烯酸正丁酯共聚物封端的70重量％银纳米粒子对比重量平均分子量为20,000g/mol的用无规甲基丙烯酸/甲基丙烯酸正丁酯共聚物封端的69重量％银纳米粒子的以mpas为单位的粘度对比剪切速率[1/s]的曲线。图4为重量平均分子量为20,000g/mol的用无规甲基丙烯酸/甲基丙烯酸正丁酯共聚物封端的66重量％和69重量％银纳米粒子的以mpas为单位的粘度对比剪切速率[1/s]的曲线。图5A为用丙烯酸均聚物封端剂制备的银纳米粒子的100,000倍SEM显微照片。图5B为用丙烯酸/顺丁烯二酸共聚物封端剂制备的银纳米粒子的100,000倍SEM显微照片。图5C为用甲基丙烯酸/甲基丙烯酸正丁酯无规共聚物封端剂制备的银纳米粒子的100,000倍SEM显微照片。具体实施方式如整个说明书中所用，除非上下文另外明确指示，否则以下缩写具有以下含义：℃＝摄氏度；g＝克；L＝升；mL＝毫升；μL＝微升；rpm＝每分钟转速；msec＝毫秒；D.I.＝去离子水；Hz＝赫兹；mpas＝毫帕秒；s＝秒；Mw＝重量平均分子量；m＝米；mm＝毫米；μm＝微米＝微米；cm＝厘米；nm＝纳米；Ω＝欧；Ωm＝欧米；kV＝千伏特；UV＝紫外光；IR＝红外光；SEM＝扫描电子显微照片；TGA＝热解重量分析；剪切速率＝1/s或-s；重量％＝重量百分比；以及体积％＝体积百分比。术语“单体”意思是形成均聚物或共聚物的基本单元的分子。术语“部分”意思是可以包括整个官能团或官能团的一部分作为子结构的分子或聚合物的一部分。术语“部分”、“基团”和“区段”在本说明书通篇可互换使用。术语“膜”、“层”和“涂层”在本说明书通篇可互换使用。除非另外规定，否则所有百分比值都是重量％。所有数值范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含纳米粒子和一种或多种封端剂的组合物，所述纳米粒子包含金属并且所述一种或多种封端剂由甲基丙烯酸和甲基丙烯酸正丁酯的具有疏水性区段和亲水性区段的无规共聚物构成。

【技术特征摘要】
2015.07.16 US 14/8009321.一种包含纳米粒子和一种或多种封端剂的组合物，所述纳米粒子包含金属并且所述一种或多种封端剂由甲基丙烯酸和甲基丙烯酸正丁酯的具有疏水性区段和亲水性区段的无规共聚物构成。2.根据权利要求1所述的组合物，其中甲基丙烯酸部分为47摩尔％到83摩尔％并且甲基丙烯酸正丁酯部分为17摩尔％到53摩尔％。3.根据权利要求2所述的组合物，其中所述甲基丙烯酸部分为47摩尔％到62摩尔％并且所述甲基丙烯酸正丁酯部分为38摩尔％到53摩尔％。4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述一种或多种封端剂的重量平均分子量为3000g/mol到小于20,000g/mol。5.根据权利要求4所述的组合物，其中所述一种或多种封端剂的重量平均分子量为3500g/mol到10,000g/mol。6.根据权利要求5所述的组合物，其中所述一种或多种封端剂的重量平均分子量为3500g/mol到5500g/mol。7.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物进一步包含水和...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·巴希尔，M·A·迪格拉夫，L·卜，K·斯可尔尼卡，M·P·克里默，
申请(专利权)人：陶氏环球技术有限责任公司，罗门哈斯电子材料有限责任公司，罗门哈斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US