一种聚苯乙烯包覆金属纳米颗粒的方法与流程

本发明涉及有机无机复合纳米粒子制备领域，特别是涉及一种聚苯乙烯包覆金属纳米颗粒的方法。

背景技术：

近年来，纳米材料已经成为研究领域的前沿，由于尺寸效应带来的独特性能，使得其在电学、磁学、催化等各个领域具有重要的应用。到目前为止，虽然很多金属纳米材料的制备方法已经很成熟，但是还是无法很好地解决金属纳米颗粒表面强的相互作用而导致的团聚问题。更重要的金属纳米颗粒巨大的比表面积和表面能，使得金属纳米颗粒更容易被氧气氧化。因此，前人们开始通过在金属纳米颗粒表面进行表面修饰，来降低纳米颗粒的表面能，来试图解决团聚问题。但是这些表面修饰方法大多复杂，试剂也较昂贵。其中一种修饰方法就是利用高分子原位聚合的方法。这种方法反应条件温和、单体选择范围广，是一种新发展起来的可控“活性”聚合方法。这种高分子的有效包覆，不仅能改善金属纳米颗粒的团聚问题，还能有效的阻隔空气中的水分子和氧气跟金属纳米颗粒之间的作用，大大地拓宽了金属纳米颗粒在实际中的应用。

近些年来，以制备具有核壳结构的纳米颗粒已经成为研究热点。经对现有技术的文献检索发现，Liang等(Liang F，Zhang L，et al.[J].Appl.Phys.Lett.2016，108:072902)在Ag纳米颗粒外面包覆一层大约8～10纳米厚的TiO₂，制备了Ag@TiO₂核壳结构的纳米颗粒。Zhou等(Zhou Y.C，Wang L，et al.[J].Appl.Phys.Lett.2012，101:012903)制备了Ag@SiO₂核壳结构的纳米颗粒，其中SiO₂壳结构大约40纳米。尽管TiO₂、SiO₂等作为金属纳米颗粒的壳层，能够有效的阻隔金属纳米颗粒与空气接触，但是TiO₂、SiO₂表面能高，易于团聚，而且制备过程繁琐，生产成本高。开发一种常见的有机非极性，价廉、来源广泛并具有成熟的制备工艺的聚合物作为包覆金属纳米颗粒的材料，并且能够有效的防止金属纳米颗粒团聚和氧化，是目前研究的主要问题。

技术实现要素：

本发明是要解决现有方法不能有效的防止金属纳米颗粒团聚和氧化，且成本高的问题，而提供一种聚苯乙烯包覆金属纳米颗粒的方法。

本发明一种聚苯乙烯包覆金属纳米颗粒的方法具体是按以下步骤进行：

一、采用3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷对金属纳米颗粒进行功能化，得到功能化后的金属纳米颗粒；所述3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷与金属纳米颗粒的体积比为1:(1～2)；

二、将功能化后的金属纳米颗粒、蒸馏水、无水乙醇和聚乙烯吡咯烷酮混合，得到反应体系，然后将反应体系的温度从室温升温至45℃后，再向反应体系中加入苯乙烯和偶氮二异丁腈，将反应体系的温度从45℃升温至81℃～84℃，在温度为81℃～84℃、搅拌速率为200～400r/min的条件下搅拌2h，反应完成后，向反应体系中加入饱和氯化钠溶液进行破乳，对油相进行减压抽滤后先采用蒸馏水洗涤3～5次再采用无水乙醇洗涤3～5次，在温度为60℃的条件下真空烘干，得到聚苯乙烯包覆的金属纳米颗粒；所述功能化后的金属纳米颗粒与蒸馏水的体积比为1:(140～150)；所述无水乙醇与蒸馏水的体积比为1:(3～4)；所述聚乙烯吡咯烷酮与苯乙烯的质量比为1:(5～10)；所述功能化后的金属纳米颗粒与苯乙烯的体积比为1:(1.1～3.3)；所述偶氮二异丁腈和苯乙烯的质量比为1:(50～100)。

本发明的有益效果：本方法通过调整金属纳米颗粒和苯乙烯的体积比，来控制包覆在金属纳米颗粒表面聚苯乙烯壳层的厚度，来达到防止金属纳米颗粒团聚和氧化的作用，工艺简单，成本低廉，大大地拓宽了金属纳米颗粒在实际中的应用。

附图说明

图1为实施例一得到的聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒的透射电镜图；

图2为实施例二得到的聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒的透射电镜图；

图3为实施例三得到的聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒的透射电镜图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种聚苯乙烯包覆金属纳米颗粒的方法具体是按以下步骤进行：

一、采用3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷对金属纳米颗粒进行功能化，得到功能化后的金属纳米颗粒；所述3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷与金属纳米颗粒的体积比为1:(1～2)；

二、将功能化后的金属纳米颗粒、蒸馏水、无水乙醇和聚乙烯吡咯烷酮混合，得到反应体系，然后将反应体系的温度从室温升温至45℃后，再向反应体系中加入苯乙烯和偶氮二异丁腈，将反应体系的温度从45℃升温至81℃～84℃，在温度为81℃～84℃、搅拌速率为200～400r/min的条件下搅拌2h，反应完成后，向反应体系中加入饱和氯化钠溶液进行破乳，对油相进行减压抽滤后先采用蒸馏水洗涤3～5次再采用无水乙醇洗涤3～5次，在温度为60℃的条件下真空烘干，得到聚苯乙烯包覆的金属纳米颗粒；所述功能化后的金属纳米颗粒与蒸馏水的体积比为1:(140～150)；所述无水乙醇与蒸馏水的体积比为1:(3～4)；所述聚乙烯吡咯烷酮与苯乙烯的质量比为1:(5～10)；所述功能化后的金属纳米颗粒与苯乙烯的体积比为1:(1.1～3.3)；所述偶氮二异丁腈和苯乙烯的质量比为1:(50～100)。

本实施方式中步骤一所述采用3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷对金属纳米颗粒进行功能化具体是按以下步骤进行：3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷与金属纳米颗粒以体积比为1:(1～2)混合，搅拌24小时后离心，然后在0.01MPa的真空环境中60℃下烘干。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷与功能化后的金属纳米颗粒的体积比为1:1.5。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中所述聚乙烯吡咯烷酮与苯乙烯的质量比为1:8。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述偶氮二异丁腈和苯乙烯的质量比为1:60。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述所述偶氮二异丁腈和苯乙烯的质量比为1:80。其它与具体实施方式一至四之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种聚苯乙烯包覆金属纳米颗粒的方法具体是按以下步骤进行：

一、采用0.11g 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷对1.5g铜纳米颗粒进行功能化，得到功能化后的铜纳米颗粒；

二、将功能化后的铜纳米颗粒、25mL的蒸馏水、8mL的无水乙醇和0.02g聚乙烯吡咯烷酮混合，得到反应体系，然后将反应体系的温度从室温升温至45℃后，再向反应体系中加入0.1687g苯乙烯和0.0033g偶氮二异丁腈，将反应体系的温度从45℃升温至81℃～84℃，在温度为81℃～84℃、搅拌速率为200～400r/min的条件下搅拌2h，反应完成后，向反应体系中加入饱和氯化钠溶液进行破乳，对油相进行减压抽滤后先采用蒸馏水洗涤3～5次再采用无水乙醇洗涤3～5次，放入真空干燥箱抽真空至0.01MPa，并在温度为60℃的条件下烘干24小时后得到聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒。

实施例一是以铜纳米颗粒和苯乙烯的体积比为1：1.1的条件下合成的。图1为实施例一得到的聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒的透射电镜图，从图1中很清晰的看到在实施例一的条件下合成了聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒。聚苯乙烯能够均匀地包覆在铜纳米颗粒的表面，壳层厚度大约为10～20纳米左右。

实施例二：一种聚苯乙烯包覆金属纳米颗粒的方法具体是按以下步骤进行：

一、采用0.11g 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷对1.5g铜纳米颗粒进行功能化，得到功能化后的铜纳米颗粒；

二、将功能化后的铜纳米颗粒、25mL的蒸馏水、8mL的无水乙醇和0.04g聚乙烯吡咯烷酮混合，得到反应体系，然后将反应体系的温度从室温升温至45℃后，再向反应体系中加入0.3374g苯乙烯和0.0066g偶氮二异丁腈，将反应体系的温度从45℃升温至81℃～84℃，在温度为81℃～84℃、搅拌速率为200～400r/min的条件下搅拌2h，反应完成后，向反应体系中加入饱和氯化钠溶液进行破乳，对油相进行减压抽滤后先采用蒸馏水洗涤3～5次再采用无水乙醇洗涤3～5次，放入真空干燥箱抽真空至0.01MPa，并在温度为60℃的条件下烘干24小时后得到聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒。

实施例二是以铜纳米颗粒和苯乙烯的体积比为1：2.2的条件下合成的。图2为实施例二得到的聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒的透射电镜图，从图2中很清晰的看到在实施例二的条件下合成了聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒。聚苯乙烯能够均匀地包覆在铜纳米颗粒的表面，壳层厚度大约为20-40纳米左右。

实施例三：一种聚苯乙烯包覆金属纳米颗粒的方法具体是按以下步骤进行：

一、采用0.11g 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷对1.5g铜纳米颗粒进行功能化，得到功能化后的铜纳米颗粒；

二、将功能化后的铜纳米颗粒、25mL的蒸馏水、8mL的无水乙醇和0.06g聚乙烯吡咯烷酮混合，得到反应体系，然后将反应体系的温度从室温升温至45℃后，再向反应体系中加入0.5061g苯乙烯和0.0099g偶氮二异丁腈，将反应体系的温度从45℃升温至81℃～84℃，在温度为81℃～84℃、搅拌速率为200～400r/min的条件下搅拌2h，反应完成后，向反应体系中加入饱和氯化钠溶液进行破乳，对油相进行减压抽滤后先采用蒸馏水洗涤3～5次再采用无水乙醇洗涤3～5次，放入真空干燥箱抽真空至0.01MPa，并在温度为60℃的条件下烘干24小时后得到聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒。

实施例三是以铜纳米颗粒和苯乙烯的体积比为1：3.3的条件下合成的。图3为实施例三得到的聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒的透射电镜图，从图3中很清晰的看到在实施例三的条件下合成了聚苯乙烯包覆的铜纳米颗粒。聚苯乙烯能够均匀地包覆在铜纳米颗粒的表面，壳层厚度大约为40～85纳米左右。