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微凝胶模板法制备多层核—壳结构复合微球材料研究

吴华涛  
【摘要】: 核-壳型材料是一类由中心粒子为核,不同组分为壳层而组成的复合材料,正是由于中心粒子和壳层的组成不同,复合材料最终将表现出与其对应的中心粒子完全不同的物理和化学性能(如光学、电学、磁性、机械性能等)。在各种组成的核-壳材料中,以金属为核的新型核-壳材料相对于单一金属具有突出的优点:即可以通过对金属表面进行外壳层的包覆作用使其性质发生改变;若在金属表面沉积上无机物后不但增加了金属的稳定性,而且还可以通过改变壳层的厚度来调节金属粒子之间的距离从而防止金属粒子团聚。 近年来,核-壳型材料的研究取得了一系列的引人瞩目的成就,人们相继制备出了以金属为核,外部包覆金属、聚合物、氧化物等多种核-壳结构的复合材料。在各种制备以金属为核的核-壳材料的方法中,模板法是一种极为有效的制备技术。高分子微凝胶是一类典型的具有三维网络结构的软固体微粒材料,它不仅制备方法简单、容易引入反应性基团,而且通过选择合适的聚合反应方法,其尺寸可以从纳米级到微米级得到有效控制,因此高分子微凝胶已成为制备核-壳型复合微球的优良的模板材料。以此研究思想为基础,本实验室提出了以高分子微凝胶为模板制备多种具有表面图案化结构的无机-高分子复合微球材料的新思路。在前期研究工作基础上,本论文主要开展了以高分子微凝胶为模板,重金属钨为内壳层材料,外部分别进行脲醛树脂、二氧化硅、银包覆的制备研究,共得到了三种具有多层核-壳结构的复合微球材料,主要研究内容包括以下三个方面: (1)以聚丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酸(MAA)为单体,通过反相悬浮聚合法制备了P(AM-co-MAA)共聚高分子微凝胶,先通过离心沉积法制备了具有核-壳结构的P(AM-co-MAA)-W复合微球;再将经甲醛和尿素溶液溶胀后的复合微球置于反相悬浮体系中,从而制备得到具有三层核-壳结构的P(AM-co-MAA)-W-UF的复合微球。利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)等手段对复合微球的形貌、无机物的晶形等进行了表征。实验结果表明,P(AM-co-MAA)-W-UF复合微球的形貌和表面包覆树脂的包覆量可以通过改变甲醛和尿素溶液pH值、甲醛和尿素溶液的摩尔比、P(AM-co-MAA)-W复合微球在甲醛和尿素溶液中的溶胀时间等因素得到有效的控制。 (2)以P(AM-co-MAA)-W复合微球为模板,分别通过反相悬浮法和二氧化硅种子溶液吸附法制备了具有多层核-壳结构P(AM-co-MAA)-W-SiO_2的复合微球材料。实验结果表明,通过PVP的修饰可以有效地改善P(AM-co-MAA)-W复合微球表面的官能团结构,从而改变其表面性质,较为显著的增强了复合微球与二氧化硅之间的相互作用,基本实现了对P(AM-co-MAA)-W-SiO_2复合微球的形貌和表面二氧化硅沉积量的控制。 (3)以经PVP修饰后的P(AM-co-MAA)-W复合微球为模板,分别通过反相悬浮法、气相法、直接反应法制备具有核-壳结构的P(AM-co-MAA)-W-Ag双金属复合微球材料。实验结果表明,三种方法制备得到的P(AM-co-MAA)-W-Ag双金属复合微球的表面形貌和表面银的沉积量存在明显差异;通过改变反相悬浮法制备过程中的AgNO_3的浓度和PVP的量,可以实现对双金属复合微球材料的表面形貌和表面银的沉积量的控制;并结合实验结果初步提出了Ag~+的还原反应机理,并通过对比实验证实了P(AM-co-MAA)-W复合微球表面的钨的存在,对复合微球外层银的沉积反应起到很大的促进作用。


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