CN103341643B - 表面包覆银壳层导电复合粒子的复合还原剂液相制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面包覆银壳层导电复合粒子的复合还原剂液相制备方法:在表面化学修饰过的玻璃微珠(GM)或SiO2内核粒子存在的条件下,采用由强还原剂和弱还原剂组成的复合还原剂溶液还原银盐溶液制备得到表面包覆银壳层导电复合粒子。本发明的主要优点:其一,银壳层致密而薄,银含量低,成本低;其二,易于大规模生产。本发明制备工艺、原料组成简单,且制备周期短,便于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及电磁屏蔽导电填料领域,特别是涉及一种表面包覆银壳层导电复合粒子的复合还原剂液相制备方法。
背景技术
随着科学技术和电子信息工业的迅速发展,电磁辐射污染已成为当今社会的一大公害。为减少电磁辐射所造成的危害,研究和开发新型电磁屏蔽复合材料至关重要。与传统的导电银粉体比较,在玻璃微珠(GM)或SiO2粒子表面包覆银壳层的复合粒子具有质量轻、外形规则、在聚合物基体中不易沉降、易分散且成本低等特点,已广泛用于聚合物基电磁屏蔽复合材料中的导电填料。
目前已有较多文献报道了GMAg复合粒子的制备。比如:Jun-Hyun Kim等提出的“Preparation,Characterization and Optical Properties of Gold,Silver and Gold-Silver AlloyNanoshells Having Silica Cores(Langmuir,2008,24:11147-11152,以种子生长法在APTMS胺基化的SiO2粒子表面以沉积直径2~3纳米的金晶种,再通过还原包覆金、银或金银合金壳层,通过减少沉积金晶种的数量可使壳层厚度由15nm增加至30nm,获得了包覆致密的SiO2Au及SiO2Au/Ag复合粒子,但SiO2Ag复合粒子表面粗糙难以包覆均匀致密。同时此方法需要胺基化修饰、沉积金晶种、还原包覆银壳层等三步,步骤繁琐,而金晶种的引入则使成本增高。Jianhui Zhang等提出的“Facile methods to coat polystyrene and silica colloidswith metal(Advanced functional materials,2004,14(11):1089-1096)”,使用种子生长法在SiO2表面包覆银壳,首先通过静电吸附在SiO2粒子表面吸附银离子后还原包覆一层小尺寸晶种,洗涤干燥后另配银氨溶液以甲醛还原使银粒子长大并覆盖整个SiO2球体表面,壳层厚度约100nm。该方法虽然不需表面处理但核壳结合力不强,且反应过程需多次洗涤干燥,步骤繁琐,原料利用率不高导致成本较高,银壳层较厚。Wencai Wang等提出的“Fabrication ofsilver-coated silica microspheres through mussel-inspired surface functionalization(Journal ofColloid and Interface Science,2011,358:567–574)”,采用对多巴胺改性过的SiO2球形粒子通过多巴胺自聚合以及液相还原的方法成功在SiO2粒子表面包覆了致密的银壳层。反应通过多巴胺上的自聚合在玻璃微珠表面包覆多巴胺层对玻璃微珠进行表面修饰,并通过多巴胺的氨基吸附银离子而实现原位化学还原银。多巴胺自聚合对玻璃微珠进行表面修饰的过程耗时36h,整个反应周期很长,成本较高。Xiaoyun Ye等提出的“Deposition of silver anoparticles onsilica spheres via ultrasound irradiation(Applied Surface Science,2007,253:6264–6267)”,采用超声辅助法,在超声作用下于DMF溶液中用PVP还原银离子溶液得银溶胶,采用大功率超声使银粒子与二氧化硅粒子连接,超声水洗后可重复此过程以提高银晶种负载量,再用甲醛还原Ag+得银壳,但银壳包覆并不很致密。可见,现有文献报道的GMAg复合粒子的制备方法大多数都存在工艺复杂,包覆效果不理想,壳层不够致密且较厚等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种表面包覆银壳层导电复合粒子的复合还原剂液相制备方法,解决现有制备GMAg或SiO2Ag复合粒子壳层连续性、致密度不高,银用量大、成本高,或工艺复杂等问题。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案:表面包覆银壳层导电复合粒子的复合还原剂液相制备方法,其特征在于:在表面化学修饰过的玻璃微珠(GM)或SiO2内核粒子存在的条件下,采用由强还原剂和弱还原剂组成的复合还原剂溶液还原银盐溶液制备得到表面包覆银壳层导电复合粒子。
按上述方案,将银盐溶液和强还原剂溶液分别同时以0.5~2mL/min的滴加速率滴入到含有20~200g/L表面化学修饰过的GM或SiO2内核粒子与弱还原剂组成的悬浮液中,搅拌10~120min,抽滤、洗涤、干燥,得到表面包覆银壳层导电复合粒子。
按上述方案,所述的弱还原剂为葡萄糖、甲醛、柠檬酸钠、抗坏血酸和酒石酸钾钠中的任意一种或它们的混合物,浓度为0.1~0.5mol/L;所述的强还原剂为硼氢化钠、次磷酸钠或水合肼中的任意一种或它们的混合物,浓度为2.5×10-4~2.5×10-3mol/L。
本发明提供了GMAg复合粒子或SiO2Ag复合粒子的制备方法,其制备原理是:清洗后的玻璃微珠或SiO2粒子表面含有丰富的羟基;玻璃微珠在γ-巯基-丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中回流,玻璃微珠或SiO2粒子表面的硅羟基与硅烷偶联剂水解产物中的羟基发生脱水反应,实现了对玻璃微珠或SiO2粒子表面进行巯基化修饰;修饰后的玻璃微珠或SiO2粒子加入到弱还原剂溶液中,配成悬浊液;另配制银盐溶液;将银盐溶液和强还原剂溶液分别同时滴入分散有修饰后玻璃微珠或SiO2粒子的弱还原剂混合液中搅拌并发生反应,银离子与玻璃微珠或SiO2粒子表面的巯基发生键合,银纳米粒子在玻璃微珠或SiO2粒子表面进行定向沉积;反应初期银离子被强还原剂还原,反应速率快,形核速率高获得大量银晶核,在玻璃微珠或SiO2粒子表面形成一层致密的小尺寸银晶核,反应后续阶段银离子被弱还原剂还原,反应速率适中,晶粒生长均匀,获得包覆致密且薄的银壳层,并最终得到银壳层致密、核壳结合力强且低银用量的GMAg复合粒子或SiO2Ag复合粒子。搅拌一定时间后,抽滤、洗涤、干燥,即得所述GMAg复合粒子或SiO2Ag复合粒子。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点:
其一,银壳层致密而薄,银含量低,成本低。本发明主要是通过复合还原剂对银前驱体进行还原,以控制银晶粒的成核和生长过程。通过强还原剂获得大量银晶核,再通过弱还原剂使晶粒生长均匀,从而获得包覆致密且薄的银壳层,此法制备的GMAg复合粒子具有良好的导电性,有望在导电、防电磁干扰和信息泄漏等方面得到广泛应用
其二,易于大规模生产。本发明制备工艺、原料组成简单,且制备周期短,便于推广应用。
附图说明
图1为本发明的实施例1合成的GMAg复合粒子的XRD谱;
图2为玻璃微珠的SEM图(放大倍数400倍);
图3为玻璃微珠的SEM图(放大倍数1000倍);
图4为本发明的实施例1合成的GMAg复合粒子的SEM图;
图5为本发明的实施例2合成的GMAg复合粒子的SEM图;
图6为本发明的实施例3合成的GMAg复合粒子的SEM图;
图7为本发明的实施例4合成的GMAg复合粒子的SEM图;。
图8为本发明的实施例5合成的GMAg复合粒子的SEM图;
图9为本发明的实施例6合成的GMAg复合粒子的SEM图;
图10为本发明的实施例7合成的GMAg复合粒子的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明,但不限定本发明。
实施例1
在200mL去离子水中加入20g玻璃微珠(D25μm),搅拌,放置30分钟,倒掉上清液,反复清洗,至上清液无漂浮物、沉降液澄清时,加入1%氢氧化钠水溶液进一步进行去油清洗,再以水清洗至沉降液pH值为7;抽滤,60℃干燥待用。取400mL无水乙醇,加入28mLγ-巯基-丙基三甲氧基硅烷,搅拌至均匀,加入20g清洗后的玻璃微珠,于80℃下,回流6小时;过滤,60℃干燥得到表面化学修饰后的玻璃微珠,待用。
配制弱还原剂溶液,取22.5g葡萄糖、2g酒石酸钾钠以及500mL去离子水,煮沸5分钟,冷却至室温待用(葡萄糖浓度为0.25mol/L,酒石酸钾钠浓度为0.14mol/L);取20mL还原液,然后加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),加入2g表面化学修饰后的玻璃微珠(玻璃微珠的质量体积浓度为100g/L),搅拌均匀配成还原混合体。另配40mL银盐溶液,其中硝酸银浓度0.1mol/L,氨水浓度为0.75mol/L,氢氧化钠浓度为0.125mol/L;另配5×10-4mol/L硼氢化钠乙醇溶液5mL;最后将上述的银盐溶液与硼氢化钠乙醇溶液以1ml/min的滴速同时滴入还原混合体中,在25℃下搅拌反应20min。抽滤,并用去离子水洗涤5次,在真空干燥箱中干燥完全,即得图1和图4所示的GMAg复合粒子。
对照Ag的JCPDS No.04-0783卡片,从图1可见,分别得到了fcc结构的Ag的(111),(200),(220)和(311)晶面衍射峰,并且均未发现其它杂相衍射峰。这说明本实施例1合成的复合粒子是由单质银所组成的。
由图4可知,经过液相化学还原后,本实施例1制备的GMAg复合粒子的形状与内核玻璃微珠的形状相同,尺寸改变不大,玻璃微珠的表面都是被均匀、致密的银壳层所包覆,且无游离或团聚的纳米Ag粒子。
实施例2
玻璃微珠的清洗和巯基化修饰步骤同实施例1。
配制弱还原剂溶液,取12.9g柠檬酸钠溶于100ml去离子水待用(柠檬酸钠浓度为0.5mol/L);取40mL还原液,然后加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),加入4.8g表面化学修饰后的玻璃微珠(玻璃微珠的质量体积浓度为120g/L),搅拌均匀配成还原混合体。另配25mL银盐溶液,其中硝酸银浓度0.4mol/L,氨水浓度为3mol/L,氢氧化钠浓度为0.5mol/L;另配5×10-4mol/L水合肼溶液5mL;最后将上述的银盐溶液与水合肼溶液以1.5ml/min的滴速同时滴入还原混合体中,在25℃下反应90min。抽滤,并用去离子水洗涤5次,在真空干燥箱中干燥完全,即得图5所示的GMAg复合粒子。
由图5可知,经过液相化学还原后,本实施例2制备的GMAg复合粒子的形状与内核玻璃微珠的形状相同,尺寸改变不大,玻璃微珠的表面都是被均匀、致密的银壳层所包覆,且无游离或团聚的纳米Ag粒子。
实施例3
玻璃微珠的清洗和巯基化修饰步骤同实施例1。
配制弱还原剂溶液,取4.5g葡萄糖、0.5g酒石酸钾钠、2.58g柠檬酸钠以及100mL去离子水、10ml无水乙醇煮沸5分钟,冷却至室温待用(葡萄糖浓度为0.25mol/L,酒石酸钾钠浓度为0.018mol/L,柠檬酸钠浓度为0.1mol/L);取20mL还原液,然后加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),加入4g表面化学修饰后的玻璃微珠(玻璃微珠的质量体积浓度为200g/L),搅拌均匀配成还原混合体。另配20mL银盐溶液,其中硝酸银浓度0.1mol/L,氨水浓度为0.75mol/L,氢氧化钠浓度为0.125mol/L;另配强还原剂混合乙醇溶液3mL,其中硼氢化钠和次磷酸钠浓度均为3×10-4mol/L;最后将上述的银盐溶液与强还原剂混合乙醇溶液以0.75ml/min的滴速同时滴入还原混合体中,在25℃下反应20min。抽滤,并用去离子水洗涤5次,在真空干燥箱中干燥完全,即得图6所示的GMAg复合粒子。
由图6可知,经过液相化学还原后,本实施例3制备的GMAg复合粒子的形状与内核玻璃微珠的形状相同,尺寸改变不大,玻璃微珠的表面都是被均匀、致密的银壳层所包覆,且无游离或团聚的纳米Ag粒子。
实施例4
玻璃微珠的清洗和巯基化修饰步骤同实施例1。
配制弱还原剂溶液,取1.5ml40%甲醛溶液溶于100ml去离子水待用(甲醛浓度为0.2mol/L);取50mL还原液,然后加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),加入7.5g表面化学修饰后的玻璃微珠(玻璃微珠的质量体积浓度为150g/L),搅拌均匀配成还原混合体。另配40mL银盐溶液,其中硝酸银浓度0.2mol/L,氨水浓度为1.5mol/L,氢氧化钠浓度为0.25mol/L;另配强还原剂混合乙醇溶液5mL,其中硼氢化钠浓度为4×10-4mol/L,水合肼浓度为1.5×10-3mol/L;最后将上述的银盐溶液与强还原剂混合乙醇溶液以1ml/min的滴速同时滴入还原混合体中,在25℃下反应10min。抽滤,并用去离子水洗涤5次,在真空干燥箱中干燥完全,即得图7所示的GMAg复合粒子。
由图7可知,经过液相化学还原后,本实施例4制备的GMAg复合粒子的形状与内核玻璃微珠的形状相同,尺寸改变不大,玻璃微珠的表面都是被均匀、致密的银壳层所包覆,且无游离或团聚的纳米Ag粒子。
实施例5
玻璃微珠的清洗和巯基化修饰步骤同实施例1。
配制弱还原剂溶液,取0.258g柠檬酸钠和1.76g抗坏血酸溶于100ml去离子水待用(柠檬酸钠浓度为0.01mol/L,抗坏血酸浓度为0.1mol/L);取80mL还原液,然后加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),加入6.4g表面化学修饰后的玻璃微珠(玻璃微珠的质量体积浓度为80g/L),搅拌均匀配成还原混合体。另配15mL银盐溶液,其中硝酸银浓度0.5mol/L,氨水浓度为3.75mol/L,氢氧化钠浓度为0.625mol/L;另配2.5×10-3mol/L次磷酸钠溶液5mL;最后将上述的银盐溶液与次磷酸钠溶液以2ml/min的滴速同时滴入还原混合体中,在25℃下反应120min。抽滤,并用去离子水洗涤5次,在真空干燥箱中干燥完全,即得图8所示的GMAg复合粒子。
由图8可知,经过液相化学还原后,本实施例5制备的GMAg复合粒子的形状与内核玻璃微珠的形状相同,尺寸改变不大,玻璃微珠的表面都是被均匀、致密的银壳层所包覆,且无游离或团聚的纳米Ag粒子。
实施例6
玻璃微珠的清洗和巯基化修饰步骤同实施例1。
配制弱还原剂溶液,取2g酒石酸钾钠和5.28g抗坏血酸溶于100ml去离子水待用(酒石酸钾钠浓度为0.075mol/L,抗坏血酸浓度为0.3mol/L);取50mL还原液,然后加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),加入10g表面化学修饰后的玻璃微珠(玻璃微珠的质量体积浓度为200g/L),搅拌均匀配成还原混合体。另配50mL银盐溶液,其中硝酸银浓度0.3mol/L,氨水浓度为2.25mol/L,氢氧化钠浓度为0.375mol/L;另配强还原剂混合乙醇溶液5mL,其中硼氢化钠浓度为1×10-3mol/L,次磷酸钠浓度为1.5×10-3mol/L;最后将上述的银盐溶液与强还原剂混合乙醇溶液以0.5ml/min的滴速同时滴入还原混合体中,在25℃下反应60min。抽滤,并用去离子水洗涤5次,在真空干燥箱中干燥完全,即得图9所示的GMAg复合粒子。
由图9可知,经过液相化学还原后,本实施例6制备的GMAg复合粒子的形状与内核玻璃微珠的形状相同,尺寸改变不大,玻璃微珠的表面都是被均匀、致密的银壳层所包覆,且无游离或团聚的纳米Ag粒子。
实施例7
玻璃微珠的清洗和巯基化修饰步骤同实施例1。
配制弱还原剂溶液,取4.5g葡萄糖、0.258g柠檬酸钠和1.76g抗坏血酸溶于100ml去离子水待用(葡萄糖浓度为0.2mol/L,柠檬酸钠浓度为0.01mol/L,抗坏血酸浓度为0.1mol/L);取50mL还原液,然后加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),加入4g表面化学修饰后的玻璃微珠(玻璃微珠的质量体积浓度为80g/L),搅拌均匀配成还原混合体。另配50mL银盐溶液,其中硝酸银浓度0.1mol/L,氨水浓度为0.75mol/L,氢氧化钠浓度为0.125mol/L;另配强还原剂混合乙醇溶液5mL,其中硼氢化钠浓度为3×10-4mol/L,次磷酸钠浓度为1×10-3mol/L,水合肼浓度为1×10-3mol/L;最后将上述的银盐溶液与强还原剂混合乙醇溶液以1ml/min的滴速同时滴入还原混合体中,在25℃下反应60min。抽滤,并用去离子水洗涤5次,在真空干燥箱中干燥完全,即得图8所示的GMAg复合粒子。
由图10可知,经过液相化学还原后,本实施例7制备的GMAg复合粒子的形状与内核玻璃微珠的形状相同,尺寸改变不大,玻璃微珠的表面都是被均匀、致密的银壳层所包覆,且无游离或团聚的纳米Ag粒子。
附表
表1复合还原剂液相制备GMAg复合粒子导电胶的电性能
附注:表1导电胶制备及电性能的测试方法
将环氧树脂、固化剂按一定比例混匀制备出导电涂料,再加入一定体积分数的不同GMAg复合粒子,调匀后涂于聚酯膜上,一定温度下固化,用接触式四点探针电阻测试仪测试其电性能。
Claims (1)
1.玻璃微珠表面包覆银壳层的GMAg导电复合粒子的复合还原剂液相制备方法,其特征在于:在200mL去离子水中加入20g玻璃微珠,搅拌,放置30分钟,倒掉上清液,反复清洗,至上清液无漂浮物、沉降液澄清时,加入1%氢氧化钠水溶液进一步进行去油清洗,再以水清洗至沉降液pH值为7;抽滤,60℃干燥待用;取400mL无水乙醇,加入28mL γ-巯基-丙基三甲氧基硅烷,搅拌至均匀,加入20g清洗后的玻璃微珠,于80℃下,回流6小时;过滤,60℃干燥得到表面化学修饰后的玻璃微珠,待用;配制弱还原剂溶液,取4.5g葡萄糖、0.5g酒石酸钾钠、2.58g柠檬酸钠以及100mL去离子水、10ml无水乙醇煮沸5分钟,冷却至室温待用,葡萄糖浓度为0.25mol/L,酒石酸钾钠浓度为0.018mol/L,柠檬酸钠浓度为0.1mol/L;取20mL前述所得的弱还原剂溶液,然后加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),加入4g表面化学修饰后的玻璃微珠,玻璃微珠的质量体积浓度为200g/L,搅拌均匀配成还原混合体;另配20mL银盐溶液,其中硝酸银浓度0.1mol/L,氨水浓度为0.75mol/L,氢氧化钠浓度为0.125mol/L;另配强还原剂混合乙醇溶液3mL,其中硼氢化钠和次磷酸钠浓度均为3×10-4mol/L;最后将上述的银盐溶液与强还原剂混合乙醇溶液以0.75ml/min的滴速同时滴入还原混合体中,在25℃下反应20min;抽滤,并用去离子水洗涤5次,在真空干燥箱中干燥完全,即得玻璃微珠表面包覆银壳层的GMAg导电复合粒子。
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