纳米银复合材料的制备与表征及其相关性能

论文摘要

目前，纳米技术在纳米粒子的制备、对纳米粒子的基本物理和化学性能的理解以及利用非共价键相互作用的纳米组装方面正取得重大进展。金属纳米粒子具有与块状金属显著不同的特殊的电学、光学和催化性质。特别是金属复合粒子，由于它们在表面增强拉曼光谱、催化、光电学装置、超敏感化学及生物传感器等领域有潜在的应用前景，因此金属复合粒子的制备成为当前一个非常引人注目的研究领域。由于纳米银复合材料不仅具有高导热性、高导电性，还具有较高的表面活性和催化性能，因此近年来引起了广泛的关注。纳米银复合材料在电学、催化及生物化学等领域的应用研究有较多报道。然而，银复合材料的形态控制是非常重要的，同时也是该材料领域具有挑战性的课题之一。本论文以银为基本原料，分别与不同的材料如烯烃聚合物、天然高分子淀粉以及天然凹凸棒土进行复合，制备了一系列的银复合材料。并且研究了银复合材料结构与性能的关系。主要内容分为以下五个部分：（1）提出了制备Ag／PMMA核／壳复合纳米粒子的新方法。该方法的特点在于：（a）一步化学还原法原位制备复合纳米粒子；（b）纳米复合粒子的制备过程中，单体的聚合不需要外加传统的引发剂。与目前报道的相关制备方法相比，本文报道的方法更简单和更有效，它为金属／聚合物核／壳复合材料的制备提供了一种新思路。ESR研究结果表明，MMA单体聚合遵循自由基聚合机理。银纳米粒子起到稳定自由基、并延长其寿命的作用。TEM和AFM观察可知，Ag／PMMA复合乳胶粒具有明显的核／壳形态。DLS粒径测量表（1）明，粒子的尺寸与硝酸银浓度、乳化剂类型及硝酸银与乙硫醇的摩尔比等因素有关。进一步用相同的方法制备出粒径分布更均匀的Ag／PS核壳复合纳米粒子。（2）采用化学改性的天然高分子淀粉微粒作为核材料，通过原位化学还原法制备出淀粉／银核／壳复合微粒。FTIR和XPS分析了复合材料的化学组成。XRD和POM分析了复合材料的结晶结构。并用SEM和TEM观察了复合材料的形态。（3）建立了一种制备银中空球的新方法。它包括以下三个步骤：（a）淀粉的巯基改性：（b）银纳米粒子在淀粉核表面的沉积；（c）α-淀粉酶分解淀粉核，以获得银中空球。据我们所知，用生物分解法制备银中空球尚未见报道。TEM和AFM观察可知，淀粉／银复合粒子具有核壳结构，复合粒子的尺寸在50-160nm之间，壳厚为10nm。淀粉／银复合粒子经α-淀粉酶处理后，TEM观察到了完整的中空银球。（4）天然凹凸棒土是一种针状的水合镁硅酸盐矿石。利用凹土作刚性的支撑体，制备了银／凹土纳米复合材料。首先用3-巯丙基三甲氧基硅烷或巯基乙酸对凹土进行改性使其带有能绑缚银离子的巯基，然后银离子被还原沉积在凹土的表面。AFM和TEM观察可知，银纳米粒子在凹土棒晶的表面有很好的沉积。紫外分析表明，凹土／银复合纳米粒子对硝基苯酚还原成胺基苯酚的反应有催化作用。（5）将所制备的银复合粒子作为导电填料填充到高聚物中，并讨论了粒子形态对填充高聚物导电性的影响。结果发现，与其它几种银复合粒子相比，凹土／银复合粒子对高聚物导电性的改善效果更好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米银简介
• 1.2.1 纳米银的分类
• 1.2.2 纳米银颗粒的制备方法
• 1.2.3 纳米银的形态
• 1.2.4 纳米银的应角
• 1.3 核/壳结构高聚物/金属复合材料
• 1.3.1 核壳结构高聚物/金属复合材料的制备
• 1.3.2 核壳结构复合材料的作用机理
• 1.3.3 核壳结构材料衍生物——中空球材料
• 1.4 一维金属纳米复合材料
• 1.4.1 制备方法
• 1.4.2 表征方法
• 1.5 本论文的研究思路，主要工作及创新
• 第二章 一步化学还原法制备 Ag/PMMA核/壳复合纳米粒子
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 试样的制备
• 2.2.3 测试方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 结构表征
• 2.3.2 反应机理的探讨
• 2.3.3 制备条件对粒子尺寸的影响
• 第三章 Ag/PS核/壳复合纳米粒子的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 试样的制备
• 3.2.3 测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 红外光谱分析
• 3.3.2 X-射线衍射分析
• 3.3.3 紫外吸收测量
• 3.3.4 透射电镜观察
• 3.3.5 原子力显微镜观察
• 3.3.6 动态光散射测量
• 第四章 淀粉/银核/壳复合微粒的制备与表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 制备原理
• 4.3.2 红外光谱分析
• 4.3.3 X-射线衍射分析
• 4.3.4 X光电子能谱分析
• 4.3.5 扫描电镜观察
• 4.3.6 透射电镜观察
• 4.3.7 偏光显微镜观察
• 第五章 银中空球的制备与表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原料
• 5.2.2 制备方法
• 5.2.3 测试方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 巯基化淀粉的表征
• 5.3.2 淀粉/银核壳复合粒子的表征
• 5.3.3 银中空球的表征
• 第六章 银/凹凸棒土纳米复合材料的制备与表征
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 材料及试剂
• 6.2.2 制备方法
• 6.2.3 测试方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 凹土的表面化学改性
• 6.3.2 凹土/银复合物的表征
• 6.4 MPTS-ATP/Ag复合粒子在硝基苯酚还原反应中的催化作用
• 6.4.1 紫外光谱追踪反应过程
• 6.4.2 反应动力学的研究
• 第七章 纳米银复合粒子改性高聚物导电性的研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 复合膜的制备
• 7.2.2 电阻测试
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 Ag/PMMA复合乳胶粒对 PU导电性的影响
• 7.3.2 Ag/PS复合乳胶粒对 PU导电性的影响
• 7.3.3 淀粉/银复合微粒在改善聚合物导电性方面的应用
• 7.3.4 凹土/银复合粒子在改善聚合物导电性方面的应用
• 参考文献
• 总结
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢