Edelmetallpulver und -präparate

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Edelmetallpulver

Edelmetallpulver kommen als Ausgangsprodukte für zahlreiche technische Anwendungen oder auch für medizinische und dekorative Zwecke zum Einsatz. Dazu zählen z.B. die Herstellung von Silber-Verbundwerkstoffen für elektrische Kontakte (Ag/Ni, Ag/Metalloxid, Ag/C, Ag/W u. a.), Katalysatoren, Elektroden oder Dentalprodukte. Darüber hinaus sind Edelmetalle in Pulverform Grundbestandteile für Präparate, Leitlacke und -klebstoffe.

Edelmetallpulver bestehen aus kleinen Partikeln von ca. 1 - 100 μm Durchmesser, die durch Kornform, -größe und -größenverteilung charakterisiert sind. Entsprechend dem gewählten Herstellungsverfahren weisen die Silber-Partikel eine unterschiedliche Morphologie auf, z.B. kugelig, kristallin oder dentritisch. Je kleiner der Partikeldurchmesser ist, um so größer ist die spezifische Oberfläche der Pulver.

Die scheinbare Dichte (Schütt- und Klopfdichte) der Pulver ist aufgrund der Zwischenräume zwischen den Partikeln niedrig, verglichen mit der Dichte erschmolzener Edelmetalle. Sie variiert in einem weiten Bereich von ca. 3 0,5 - 6 g/cm³, abhängig von der Morphologie der Partikel und ihrer Neigung zur Agglomeratbildung. Edelmetallpulver lassen sich pressen und sintern; ein gewisser Porenanteil bleibt jedoch erhalten.

Verschiedene Formen von Silber-Pulvern a) kugelig; b) abgerundete Kristallagglomerate

Edelmetallpulver werden nach verschiedenen Verfahren, z.B. durch Elektrolyse, Verdüsen aus der Schmelze, chemische Fällung oder durch Zementation mit unedleren Metallen, hergestellt. Je nach Herstellungsverfahren weisen Silber- Pulver unterschiedliche Eigenschaften auf (Table 1 und Qualitätsmerkmale verschieden hergestellter Silber-Pulver). So erhält man beim Verdüsen aus der Schmelze ein Pulver mit hoher Klopfdichte, das sich aus kugeligen Partikeln zusammensetzt. Durch Elektrolyse von Silbersalzlösungen entstehen im allgemeinen unregelmäßige, dentritische bis kristalline Formen. Bei chemischen Prozessen können sehr feine Pulver mit großen spezifischen Oberflächen erzeugt werden. Figure 1 zeigt exemplarisch REM-Aufnahmen von verdüstem Silber-Pulver mit kugeliger Kornform (a) und zementiertem Pulver aus abgerundeten Kristallagglomeraten (b).

Table 1: verschiedene Typen von Silber-Pulvern

Powder type	GE	GN1	ES	V
Manufacturing Process	chemical	chemical	electrolytic	atomized
Particle shape	agglomerated	agglomerated	dentritic	spherical
Avg. particle diameter (median) [µm]	10 - 15	20 - 40	-	32 - 60
Medium particle size (FSS - Fisher Sub Sieve Size) [µm]	-	-	4.0 - 6.0	-
Tap density (DIN/ISO 3953) [g/cm3]	0.7 - 1.1	2.0 - 2.5	2.0 - 3.0	4.0 - 6.7
Specific surface area (B.E.T.) [m2/g]	0.5 - 0.9	-	-	-

Edelmetallpräparate

Während früher Glas, Porzellan und Keramik vor allem für dekorative Zwecke mit Gold oder Platin überzogen wurden, dienen Edelmetalle bereits seit Jahren in weit größerem Masse dazu, verschiedene nichtmetallische Werkstoffe, wie Keramik, Glas oder Kunststoff elektrisch leitend zu machen. Zur Aufbringung auf das Grundmaterial wird das Edelmetall in feinpulveriger Form in einem organischen Träger dispergiert, der Lackbindemittel und spezielle Lösungsmittel enthält. Solche Präparate können über Siebdruck, Tampondruck, Spritztechnik, Tauchen oder mit einem Pinsel aufgetragen werden.

Edelmetall-Einbrennpräparate

Die in flüssiger oder pastenartiger Form vorliegenden Einbrennpräparate haben in der Elektrotechnik und Elektronik, insbesondere in der Dickschichttechnik ein breites Anwendungsfeld gefunden Table 2. Als edelmetallhaltiger Füllstoff wird wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit meist Silber eingesetzt. Nach dem Einbrennen, das in oxidierender Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 400°C bis 850°C erfolgt, entsteht eine festhaftende, hochleitende Schicht. Bei der Verarbeitung im Siebdruckverfahren können beliebige Leiterbahnen aufgebracht werden Figure 2. Auf diese Weise entstehen Strompfade mit guten elektrischen Eigenschaften und hoher Temperaturbeständigkeit.

Solar cell with print pattern of ARGONOR N920

Table 2: Flüssige Silber-Präparate zum Einbrennen (ARGONOR)

Preparation	Substrate Material	Application by	Firing Temperature [°C]	Properties	Silver Content [wt%]
Argonor N92	glass, ceramics	paint brush, spray gun	530 - 650	Viscosity 500 – 1.000 mPa·s, good solderability	65
Argonor	glass, ceramics	screen printing	530 - 650	Viscosity 10 – 15.000 mPa·s, good solderability	65

Conductive Paints and Adhesives

Conductive paints are precious metal preparations in liquid or paste form. They contain the metal filler material, fine silver particles as conductive pigments mostly in flake form, a paint compound on artificial resin basis, and an organic solvent Table 3. The solvent evaporates during drying in air or by aging at slightly elevated temperatures. This allows the silver particles to connect metallically and form conductive paths Figure 3.

Conductive adhesives are used mostly for mechanical bonding with low thermal impact. As the adhesive components high-polymer organic substances such as epoxy resins and mixed polymers are mostly used. They are made electrically filler materials such as flake shaped silver powders (70 – 80 wt%). Silver based conductive adhesives are available as single or two component adhesive systems. Both types are hardening without the application of pressure.

Table 3: Silver Paints, Conductive Pastes, and Conductive Adhesives

Preparation	Substrate Material	Application by	Drying [°C]	Properties	Usage Amount [g/100 cm2]	Area Resistance [Ω/m2]
AROMAL 38	glass, plastics	spraying, immersion, paint brush	RT, 30 min 100°C	hard well conducting Ag layer for broad applications	0.5 - 2	< 0.1
AROMAL 50	glass, wax, plastics	spraying, immersion, paint brush	10 min RT	very flat surface, especially for electrolytic build-up	0.5 - 2	< 0.2
AROMAL 70T	plastics	tampon printing	60 min RT	hard and well conductive coating		< 0.1
AROMAL 141	plastics, paper- based plastics	screen printing	45 min 120°C	mechanically very strong coatings		< 0.05
AROMAL 170	plastics	screen printing	30 min 100°C	flexible layers, well suited for foil materials		< 0.05
AROMAL K 5 A+B	metal, glass	dispenser, screen printing	24h RT, 3h 80°C	mechanically very strong bond connection as alternative to soldering		< 0.1
AROMAL K 20	metal, plastics, ceramics	dispenser, screen printing	15 min 150°C	flexible bonds which help decrease thermal stresses		< 0.1
DOSILAC	Silver conductive paints in spray cans; can be spray painted; properties similar to those of AUROMAL 50

Conductive paints and adhesives have broad applications in electrical and electronic engineering. They are used for example for the contacting of film resistors, mounting of terminal wires, conducting electrostatic electricity, or contacting components at low temperatures.

The mechanical strength of the bond connections depends mostly on the selected hardening temperature Figure 4 .

Flexible keyboard contact pattern printed with AUROMAL 170

Shear force of an adhesive joint (silver adhesive AUROMAL K 20) as a function of the hardening temperature

Precious Metal Flakes

To obtain certain desired physical properties of preparations the dispersed precious metals in flat flake-like particles (generally called "flakes") are needed. These are produced by milling fine metal powders in the presence of milling additives or agents. The properties of these metal flakes, i.e. silver flakes (ability to disperse easily, flow characteristics, electrical conductivity) are strongly dependent on the particle shape and size as well as on the type of milling agents used. Figure 5 illustrates through SEM photos a type of rather fine silver flake (medium particle size 4 – 6 µm) (a) and another one with relatively large flat but thin flake shapes (particle size 8 – 11 µm) (b). Typical commercial silver flake types are listed with their respective properties in Table 4. Gold and platinum can also be produced as powder flakes. By volumes used they are however of lesser commercial importance.

SEM photos of silver flakes (a) fine grain (b) large flat

Table 4: Typical Commercial Silver Flake Types

Type of Flake	F56	B190	ES4
Main characteristics	Low tap density	Very fine	Pure, wide grain size distribution
Silver content [wt%]	> 99.0	> 99.0	> 99.7
Med. Grain size [μm] Tap density	3 - 8	4 - 6	9 - 13
DIN/ISO 3953 [g/cm3]	0.7 - 1.1	2.1 - 2.7	2.7 - 3.6
Spec. Surface area B.E.T. [m2/g]	0.7 - 1.1	0.3 - 0.7