金属纳米粒子/聚苯乙烯复合微球的制备及其性能的研究

摘要

近年来，以金属为壳层、聚合物为核的核壳式复合微球由于其特殊的结构和优异的综合性能引起了人们的关注，其中金属/聚合物杂化材料和多级分层结构的聚合物涂层的改性是目前研究的热点之一。以聚合物基材为支撑体，负载不同形貌的贵重金属的复合物可极大改善金属纳米粒子易团聚和氧化的问题，同时，降低复合材料的密度和增强其可加工性能。虽然金属纳米粒子负载在聚合物上已得到广泛的应用，但其金属纳米粒子与聚合物基体间的界面结合力和结合机理以及结合牢度仍然是一个亟待解决问题。诸多研究表明引入多官能团的软链段的聚合物涂层，可克服疏水性聚合物核与贵重金属壳之间弱的相互作用，从而利用材料的协同效应改善不同属性的分层结构复合物的性能。本课题主要从改性核壳结构的金属/聚合物复合物的制备着手，对其结构和性能进行详细的分析，并探究其潜在的应用。同时，探究金属纳米粒子与聚合物链间相互作用的机理以及这些复合物在SERS和催化等领域的应用。主要研究结果如下： 1、采用分散聚合法制备出微米级聚苯乙烯 (PS) 微球。实验探究单体浓度、分散剂浓度和引发剂浓度等因素对PS微球形貌和粒径分布的影响。通过合理调控聚合反应条件，成功制备出直径为 ~ 2 μm的单分散PS微球。然后，采用化学改性的方法先对PS微球进行氨基改性，通过原位还原的方法将金纳米粒子包覆在PS微球的表面。制备出的复合微球用于罗丹明6G的表面增强拉曼散射的检出限为10-6 M。此外，该复合微球还可以用于催化4-硝基苯酚的还原反应，反应时间约36 min，反应速率常数为0.052 min-1。 2、通过引入聚吡咯 (PPy) 功能改性层，旨在有效改善聚合物基体与金属纳米粒子之间结合力，致力于克服前章中直接化学改性法制备复合微球的金纳米粒子装载量低和形貌不可控等缺点。探讨 PPy的加入量对微球表面改性效果的影响。此外，为进一步改善金属与聚合物间的结合牢度，引入巯基乙酸在 PPy/PS微球表面，并采用原位还原的方法在Au/PPy/PS表面继续生长致密且均匀的金壳层。另外，该复合微球对罗丹明6G表面增强拉曼散射检出限由10-7 M降低至10-9 M。同时，该法制备的复合微球也可用于催化4-硝基苯酚的还原反应，反应完全的时间可由27min缩短至13min，其相应的反应速率常数由0.091 min-1增加至0.186 min-1。 3、为改善聚合物与金属间的结合力和覆载率，实现室温条件下制备出金纳米粒子装载量较高的复合微球。本章采用聚多巴胺 (PDA) 涂层修饰聚合物微球用于包覆金纳米粒子，并探究不同多巴胺加入量对金属纳米粒子在聚合物基体上的包覆率的影响。此外，实验对比自组装法和原位还原法制备核壳结构金属/聚合物复合微球。原位还原法制备复合微球对罗丹明6G的检出限为10-7 M，而采用自组装法制备复合微球对罗丹明6G的检出限可进一步降低至10-9 M。同时，该复合微球用于催化4-硝基苯酚的催化，反应完全的时间由25 min缩短至14 min，其反应速率常数由0.101 min-1增加至0.215min-1。此外，由Arrhenius公式计算所得的复合微球催化4-硝基苯酚反应的表观活化能由29.1 kJ/mol降低至26.2 kJ/mol。该结果表明PDA涂层修饰制备出的Au/PDA/PS复合微球表现出优异的SERS增强和催化效果。 4、将PDA/PS微球拓展用于制备Ni/PDA/PS复合微球，并探讨NiSO4的浓度、还原剂浓度、施镀方式等在化学镀过程中对其形貌和金属装载量的影响。同时，对比该法与传统化学镀法制备复合微球形貌的差异。另外，实验测得采用传统化学镀法制备的Ni/PS微球的矫顽力为15.2Oe，其磁化强度为15.5emu g?1。与之相比较，采用聚多巴胺改性化学镀法制备出的复合微球的矫顽力为12.3 Oe，同时，其饱和磁化强度为39.6emu g?1，其值要比传统化学镀法制备的复合微球的要高24.1emu g?1，表明聚多巴胺改性化学镀法有益于制备出具有高的饱和磁场强度和低的矫顽力的铁磁复合材料。

目录

第一个书签之前