微纳米核壳及中空结构粒子的制备与性能研究

论文摘要

核壳结构微纳米粒子具有不同于或优于单组分的性能,可以实现人们在纳米尺度对粒子结构、性能的设计和优化,一直是新材料领域的研究热点。将核壳粒子中的核体去除所得到的中空结构粒子具有比表面积大、密度低及表面渗透性好等特点,在很多高新技术领域具有广阔的应用前景。目前关于微纳米核壳结构粒子的制备与性能研究较多,但以聚合物为核的核壳结构粒子的系统性研究较少。鉴于微纳米核壳及中空结构粒子的巨大发展潜力,论文以聚合物/金属核壳结构复合微球的制备为切入点,开展了这两种结构粒子的制备方法与性能的研究,为新型结构微纳米粒子的制备及应用研究提供了实验和理论依据。本文的主要研究内容如下:（1）聚合物微球的制备研究聚合物微球具有制备方法简单、形貌可控性强等优点,是制备核壳结构复合粒子的良好基体。论文对形貌可控微米级聚合物微球的制备方法进行了研究,通过对合成因素的分析,确定了最佳工艺条件,制备了形貌可控的微米级聚合物微球,为后续的研究提供良好的基体。首先采用分散聚合法制备聚合物微球:讨论了反应体系中单体浓度、引发剂用量、稳定剂用量、溶剂极性、温度、聚合时间以及共聚单体配比等因素对产物形貌、粒径大小和粒径分布的影响,确定了最佳实验配方,制备了出了粒径较小的微米级PS、P（St-MMA）微球;然后以分散聚合法制备的PS微球为种子微球,进行种子溶胀聚合,通过对反应体系中单体浓度、引发剂用量、稳定剂用量、溶剂极性和温度等因素分析,确定了最佳工艺条件,制备出了平均粒径约为7μm、表面光滑、单分散性好的PS微球。（2）聚合物/金属核壳结构粒子的制备及性能研究化学镀是制备核壳结构粒子的重要方法,惰性聚合物微球化学镀的关键技术在于对其表面的预处理。论文通过对聚合物表面预处理方法的研究,提出了一种简单、有效的直接活化法。分别采用传统敏化-活化法和直接活化法对微球进行了“活化”处理在微球表面引入了Pd催化活性中心,为后续化学镀提供了条件;对聚合物微球表面化学镀镍的影响因素进行了分析,通过对实验条件的调控,可以制备出包覆层形貌可控、分散性好的PS/Ni核壳结构微球;对所制备的几种聚合物/金属核壳结构粒子的应用方向进行了探索:分别讨论了纳米PS/Ni复合微球对AP的催化作用、Au/Ni/PS复合微球的导电性能、纳米Pd/PMMA复合微球对Heck反应的催化作用及PS/Ni复合微球的磁性能。结果表明,以聚合物为核体的复合粒子在电、磁和催化等领域具有广阔的应用前景。（3）中空结构粒子的制备及性能研究研究了聚合模板法制备中空粒子的可行性:以PS/Ni核壳粒子为前驱体,分别采用煅烧、溶解聚合物核体的方法制备出了中空结构粒子。鉴于聚合物模板法过程繁琐,本文提出了一种制备中空结构金属粒子的新方法,即“氢氧化物模板法”。该方法以金属氢氧化物（Ni（OH）2、Co（OH）2）为模板,以化学镀为沉积手段在模板表面包覆一层合金,然后采用合适的络合剂对模板进行消融,制备出了微纳米级中空结构的Ni-P、Ni-B、Co-B非晶态粒子。与其他制备中空结构粒子的方法相比,氢氧化物模板法具有工艺简单、反应迅速、普适性强等特点,可以制备多种金属或金属合金空心粒子。研究了中空粒子对AP热分解的催化性能,结果表明:该结构的粒子可显著降低AP高温热分解峰的峰温,对AP的热分解有显著的催化效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 微纳米核壳结构复合粒子概述
• 1.1.1 微纳米核壳结构复合粒子的定义
• 1.1.2 核壳结构复合粒子特点及应用
• 1.1.2.1 改善核体材料性能
• 1.1.2.2 改善壳体材料的性能
• 1.1.2.3 增强核壳材料的协同效能
• 1.1.3 微纳米核壳结构复合粒子的制备方法
• 1.1.3.1 机械化学法
• 1.1.3.2 化学气相沉积法
• 1.1.3.3 溶胶-凝胶法
• 1.1.3.4 共沉积法
• 1.1.3.5 化学镀法
• 1.1.3.6 乳液聚合法
• 1.1.3.7 层层自组装法
• 1.1.4 核壳结构复合粒子的发展前景
• 1.2 中空结构粒子概述
• 1.2.1 中空结构粒子的定义及特性
• 1.2.2 中空结构粒子的应用
• 1.2.2.1 中空结构粒子在催化领域应用
• 1.2.2.2 中空结构粒子在光电领域的应用
• 1.2.2.3 中空结构粒子在电磁屏蔽领域的应用
• 1.2.2.4 中空结构粒子在生物医学领域的应用
• 1.2.2.5 中空结构粒子在其他领域的应用
• 1.2.3 中空结构粒子的制备方法
• 1.2.3.1 模板法
• 1.2.3.2 非模板法
• 1.2.4 中空结构粒子的发展前景
• 1.3 本课题的研究背景、研究思路和主要研究内容
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 研究思路
• 1.3.3 主要研究内容
• 1.3.3.1 聚合微球的制备
• 1.3.3.2 聚合物/金属核壳粒子的制备与性能研究
• 1.3.3.3 中空结构粒子的制备与性能研究
• 2 聚合物微球的制备及表征
• 2.1 本章实验试剂与仪器
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验及测试仪器
• 2.2 分散聚合法制备聚合物微球
• 2.2.1 实验过程
• 2.2.1.1 样品的制备
• 2.2.1.2 样品的表征
• 2.2.2 分散聚合法制备PS微球
• 2.2.2.1 单体浓度的影响
• 2.2.2.2 引发剂用量的影响
• 2.2.2.3 反应温度的影响
• 2.2.2.4 稳定剂用量的影响
• 2.2.2.5 醇水比的影响
• 2.2.2.6 反应时间的影响
• 2.2.3 分散聚合法制备P（St-MMA）微球
• 2.2.3.1 加料方式的影响
• 2.2.3.2 总单体浓度的影响
• 2.2.3.3 引发剂用量的影响
• 2.2.3.4 反应温度的影响
• 2.2.3.5 稳定剂用量的影响
• 2.2.3.6 醇水比的影响
• 2.2.3.7 单体投料比的影响
• 2.2.4 最佳实验配方
• 2.2.4.1 微米级单分散PS微球
• 2.2.4.2 微米级P（St-MMA）微球
• 2.3 种子聚合法制备聚合物微球
• 2.3.1 实验过程
• 2.3.1.1 样品的制备
• 2.3.1.2 样品的表征
• 2.3.2 种子聚合法制备交联PS微球
• 2.3.2.1 单体浓度的影响
• 2.3.2.2 溶胀时间的影响
• 2.3.2.3 溶胀剂种类的影响
• 2.2.3.4 溶胀剂用量的影响
• 2.2.3.5 单体配比的影响
• 2.2.3.6 超声功率的影响
• 2.3.3 最佳实验配方
• 2.4 本章小结
• 3 聚合物/金属核壳结构粒子的制备及性能研究
• 3.1 本章实验试剂与仪器
• 3.1.1 实验药品
• 3.1.2 实验及测试仪器
• 3.2 敏化-活化预处理法制备聚合物/金属复合微球
• 3.2.1 实验过程
• 3.2.1.1 样品的制备
• 3.2.1.2 样品的表征
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.2.1 PS微球粗化处理
• 3.2.2.2 PS微球敏化-活化预处理
• 3.2.2.3 化学镀镍机理分析
• 3.2.2.4 化学镀镍影响因素分析
• 3.2.3 敏化活化法制备聚合物/金属复合微球的性能研究
• 3.2.3.1 聚合物/纳米Ni复合微球的催化性能研究
• 3.2.3.2 聚合物/金属（Ni-Au）复合微球的导电性能研究
• 3.3 直接活化法制备聚合物/金属复合微球
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.1.1 样品的制备
• 3.3.1.2 样品的表征
• 3.3.2 活化过程机理分析
• 3.3.3 直接活化法制备聚合物/金属复合微球的性能研究
• 3.3.3.1 聚合物/纳米Pd复合微球的催化性能研究
• 3.3.3.2 聚合物/Ni复合微球的磁性能研究
• 3.4 本章小结
• 4 中空结构粒子的制备及性能研究
• 4.1 本章实验试剂与仪器
• 4.1.1 实验试剂
• 4.1.2 实验及测试仪器
• 4.2 聚合物模板法制备中空结构Ni粒子
• 4.2.1 煅烧聚合物模板法制备中空Ni粒子
• 4.2.1.1 样品的制备
• 4.2.1.2 结果与讨论
• 4.2.2 溶剂溶解聚合物模板法制备中空Ni粒子
• 4.2.2.1 样品的制备
• 4.2.2.2 结果与讨论
• 4.3 氢氧化物模板法制备中空（Ni-B、Ni-P、Co-B）粒子
• 4.3.1 反应机理探讨
• 4.3.2 影响因素讨论
• 4.3.2.1 影响模板的因素分析
• 4.3.2.2 影响中空结构形成的因素分析
• 4.3.3 产物的表征
• 4.3.3.1 Ni-B中空粒子的表征
• 4.3.3.2 Ni-P中空粒子的表征
• 4.3.3.3 Co-B中空粒子的表征
• 4.4 中空粒子对AP热分解的催化性能研究
• 4.4.1 中空Ni-B粒子对AP热分解的影响
• 4.4.2 中空Ni-P粒子对AP热分解的影响
• 4.4.3 中空Co-B粒子对AP热分解的影响
• 4.4.4 中空粒子对AP热分解的催化机理
• 4.5 本章小结
• 5 全文结论和主要创新点
• 5.1 全文结论
• 5.2 全文主要创新点
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻博期间完成的论文及其它工作