CN106117414A - 纳米氧化亚铜细乳液分散体的制备方法 - Google Patents

纳米氧化亚铜细乳液分散体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明纳米氧化亚铜细乳液分散体的制备方法,涉及聚合、分散和光电产业等领域。本发明是细乳液分散方法得到纳米级别的氢氧化铜颗粒,并且通温和还原的方法得到氧化亚铜。本发明采用溶液聚合方法合成了细乳液分散稳定剂,分散效果好,使用量小;采用细乳液分散方法获得氢氧化铜的分散液,粒径分布均匀;采用温和的方法还原得到氧化亚铜,分散体的浓度可以根据需要浓缩。

Description

纳米氧化亚铜细乳液分散体的制备方法
技术领域
本发明涉及以溶液聚合合成细乳液稳定剂,并采用反相细乳液分散的方法获得铜盐乳胶粒子,然后采用还原制备纳米氧化亚铜分散体。此方法涉及聚合、分散和光电产业等领域。
背景技术
纳米氧化物指的是粒径达到纳米级的氧化物,它的结构单元的一维尺寸介于1-100纳米范围之间。纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征,引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。它所具有的独特的物理和化学性质,使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。由于纳米粒子表面积大、表面活性中心多,所以是一种极好的熔点、磁性、光学、导热、导电材料。将普通的铁、钴、镍、钯、铂等金属催化剂制成纳米微粒,可大大改善熔点、磁性、光学、导热、导电效果。因此其所表现的特性往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
p型金属氧化物半导体材料如NiO、Cu2O和MoO3等具有优异的电学、磁学以及催化性能,近年来成为相关领域研究的热点。Cu2O是一种典型的p型半导体材料,禁带宽度为2.1eV,在可见光区的吸收系数较高,能量转化率理论上可达10%。此外,通过控制制备工艺可使Cu2O的电阻率在103-1013欧姆·厘米范围内变化,被认为是制备太阳能电池的潜在材料。纳米结构的氧化亚铜性质由于其纳米尺寸效应(表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应),明显有别与微米或更大尺寸的氧化亚铜性质。
在合成氧化亚铜的化学方法中,由于成本低的特点所以液相沉淀法一般普遍采用,但一般在微米级别尺寸。为了得到纳米级别的氧化亚铜,更有效的控制形态和尺寸,可以采用细乳液聚合/分散的方法获得纳米载体。细乳液聚合/分散的乳胶粒子/液滴的尺寸一般在50-500纳米之间,借助细乳液聚合/分散的方法可以得到纳米级别的氢氧化铜颗粒;并且从氢氧化铜还原成氧化亚铜的还原条件温和。采用此种方法获得氧化亚铜颗粒尺寸一般可达10纳米以下,分布均匀。
发明内容
本发明的目的是细乳液分散方法得到纳米级别的氢氧化铜颗粒,并且通温和还原的方法得到氧化亚铜。按照下述步骤进行:
(1)溶液聚合制备细乳液分散稳定剂/助稳定剂:
将定量的N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸羟乙酯单体、双官能团引发剂以及溶剂加入惰性气体置换过的反应釜中,升温聚合反应5小时后冷却备用。
(2)铜盐溶液细乳液分散和氢氧化铜细乳液分散体的产生:
A、室温下将铜盐水溶液和一定量步骤(1)合成的聚合物溶液混合,先用磁力搅拌机搅拌15min预乳化,然后用450W超声细胞粉碎机以90%的输出功率超声5min(冰水冷却),得到稳定的铜盐水溶液细乳液分散体;
B、将一价碱性物质的水溶液和一定量步骤(1)合成的聚合物溶液混合,用磁力搅拌机搅拌15min预乳化,然后用450W超声细胞粉碎机以90%的输出功率超声5min(冰水冷却),得到稳定的碱性物质细乳液分散体;
将上述将铜盐水溶液细乳液分散体和一价碱性物质细乳液分散体按照一定的比例混合,混合后升温至60℃维持搅拌2小时,形成氢氧化铜细乳液分散液。
(3)氧化亚铜细乳液分散体的形成:
一定浓度的还原剂溶液按照固定的速度缓慢滴加至步骤(2)获得氢氧化铜细乳液分散液,反应液温度维持在60℃,滴加完成后保温1小时,结束反应,形成氧化亚铜细乳液分散体,分散体的浓度可以通过薄膜蒸发器浓缩。
步骤(1)中N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸羟乙酯单体的质量比例为(5-10):1:(10-20):1;
其中步骤(1)中双官能团引发剂为2, 5-二甲基-2, 5-2(2-乙基-过氧化己酰)己烷,其用量为与甲基丙烯酸甲酯质量比例为0.05:1;
其中步骤(1)中使用的溶剂为苯、甲苯或二甲苯,其用量为与甲基丙烯酸甲酯质量比例为50-100:1;
其中步骤(1)中聚合反应温度为80℃。
步骤(2)中铜盐为硫酸铜、硝酸铜或氯化铜等水溶性铜盐,铜盐摩尔浓度为0.1-0.5mol/L,铜盐溶液和步骤(1)聚合物溶液体积比为1:2-10;
其中步骤(2)中一价碱性物质可以为氢氧化钠或氢氧化钾,摩尔浓度为0.2mol/L,一价碱性物质溶液和步骤(1)聚合物溶液体积比为2:10;
其中步骤(2)碱性物质细乳液分散体中铜盐和碱性物质细乳液分散体中一价碱性物质混合的摩尔比为1:2.05。
步骤(3)中还原剂溶液可以为亚硫酸氢钠或亚硫酸氢钠的水溶液,摩尔浓度为0.5mol/L,滴加速度为20毫升/小时,滴加还原剂总摩尔质量和氢氧化铜摩尔质量比为2:1。
本发明的优点在于本发明细乳液分散方法得到纳米级别的氢氧化铜颗粒,并且通温和还原的方法得到氧化亚铜。1、采用溶液聚合方法合成了细乳液分散稳定剂,分散效果好,使用量小;2、采用细乳液分散方法获得氢氧化铜的分散液,粒径分布均匀; 3、采用温和的方法还原得到氧化亚铜,分散体的浓度可以根据需要浓缩。
具体实施方式
下面结合实例,对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
(1)溶液聚合制备细乳液分散稳定剂/助稳定剂:
将质量比例为5克的N-乙烯基吡咯烷酮、1克丙烯酸、10克甲基丙烯酸甲酯、1克甲基丙烯酸羟乙酯单体、0.5克双官能团引发剂2, 5-二甲基-2, 5-2(2-乙基-过氧化己酰)己烷以及1000克苯溶剂加入惰性气体置换过的反应釜中,升温至80℃,聚合反应5小时后冷却备用。
(2)铜盐溶液细乳液分散和氢氧化铜细乳液分散体的产生:
室温下将0.5mol/L硫酸铜盐水溶液10mL和100mL步骤(1)合成的聚合物溶液混合,先用磁力搅拌机搅拌15min预乳化,然后用450W超声细胞粉碎机90%功率超声5min(冰水冷却),得到稳定的铜盐水溶液细乳液分散体。
将摩尔浓度为0.2mol/L氢氧化钠的51.25mL水溶液和256.25mL步骤(1)合成的聚合物溶液混合,用磁力搅拌机搅拌15min预乳化,然后用450W超声细胞粉碎机90%功率超声5min(冰水冷却),得到稳定的碱性物质细乳液分散体。
将以上制备铜盐水溶液细乳液分散体和氢氧化钠碱性物质细乳液分散体混合(铜盐和一价碱性物质混合的摩尔比为5:10.25),混合后升温至60℃维持搅拌2小时,形成氢氧化铜细乳液分散液。得到的分散液经过马尔文粒径分析仪测试,粒径为125纳米,粒径分布0.05。
(3)氧化亚铜细乳液分散体的形成:
摩尔浓度为0.5mol/L亚硫酸钠水溶液按照20毫升/小时速度缓慢滴加1小时(20mL亚硫酸钠水溶液)至步骤(2)获得氢氧化铜细乳液分散体,反应液温度维持在60℃,滴加完成后保温1小时,结束反应,形成氧化亚铜细乳液分散体,分散体的浓度可以通过薄膜蒸发器浓缩。氧化亚铜细乳液分散体旋涂成膜,干燥后采用X射线衍射分析后得到氧化银晶体尺寸在37纳米,成膜表面平整致密。
实施例2
(1)溶液聚合制备细乳液分散稳定剂/助稳定剂:
将质量比例为10克的N-乙烯基吡咯烷酮、1克丙烯酸、20克甲基丙烯酸甲酯、1克甲基丙烯酸羟乙酯单体、1.0克双官能团引发剂2, 5-二甲基-2, 5-2(2-乙基-过氧化己酰)己烷以及1000克苯溶剂加入惰性气体置换过的反应釜中,升温至80℃,聚合反应5小时后冷却备用。
(2)铜盐溶液细乳液分散和氢氧化铜细乳液分散体的产生:
室温下将0.1mol/L硫酸铜盐水溶液20mL和100mL步骤(1)合成的聚合物溶液混合,先用磁力搅拌机搅拌15min预乳化,然后用450W超声细胞粉碎机90%功率超声5min(冰水冷却),得到稳定的铜盐水溶液细乳液分散体。
将摩尔浓度为0.2mol/L氢氧化钠的20.5mL水溶液和102.5mL步骤(1)合成的聚合物溶液混合,用磁力搅拌机搅拌15min预乳化,然后用450W超声细胞粉碎机90%功率超声5min(冰水冷却),得到稳定的碱性物质细乳液分散体。
将铜盐水溶液细乳液分散体和一价碱性物质细乳液分散体混合(铜盐和一价碱性物质混合的摩尔比为2:4.1),混合后升温至60℃维持搅拌2小时,形成氢氧化铜细乳液分散液。得到的分散液经过马尔文粒径分析仪测试,粒径为60纳米,粒径分布0.04。
(3)氧化亚铜细乳液分散体的形成:
摩尔浓度为0.5mol/L亚硫酸钠水溶液按照20毫升/小时速度缓慢滴加24分钟(8mL亚硫酸钠水溶液)至步骤(2)获得氢氧化铜细乳液分散体,反应液温度维持在60℃,滴加完成后保温1小时,结束反应,形成氧化亚铜细乳液分散体,分散体的浓度可以通过薄膜蒸发器浓缩。干燥后采用X射线衍射分析后得到氧化银晶体尺寸在25纳米,成膜表面平整致密。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.纳米氧化亚铜细乳液分散体的制备方法,其特征在于按照下述步骤进行:
(1)溶液聚合制备细乳液分散稳定剂/助稳定剂:
将定量的N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸羟乙酯单体、双官能团引发剂以及溶剂加入惰性气体置换过的反应釜中,升温聚合反应5小时后冷却备用;
(2)铜盐溶液细乳液分散和氢氧化铜细乳液分散体的产生:
A、室温下将铜盐水溶液和一定量步骤(1)合成的聚合物溶液混合,先用磁力搅拌机搅拌15min预乳化,然后用450W超声细胞粉碎机以90%的输出功率超声5min(冰水冷却),得到稳定的铜盐水溶液细乳液分散体;
B、将一价碱性物质的水溶液和一定量步骤(1)合成的聚合物溶液混合,用磁力搅拌机搅拌15min预乳化,然后用450W超声细胞粉碎机以90%的输出功率超声5min(冰水冷却),得到稳定的碱性物质细乳液分散体;
将上述将铜盐水溶液细乳液分散体和一价碱性物质细乳液分散体按照一定的比例混合,混合后升温至60℃维持搅拌2小时,形成氢氧化铜细乳液分散液;
(3)氧化亚铜细乳液分散体的形成:
一定浓度的还原剂溶液按照固定的速度缓慢滴加至步骤(2)获得氢氧化铜细乳液分散液,反应液温度维持在60℃,滴加完成后保温1小时,结束反应,形成氧化亚铜细乳液分散体,分散体的浓度可以通过薄膜蒸发器浓缩。
2.根据权利要求1所述的纳米氧化亚铜细乳液分散体的制备方法,其特征在于步骤(1)中N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸羟乙酯单体的质量比例为(5-10):1:(10-20):1;
其中步骤(1)中双官能团引发剂为2, 5-二甲基-2, 5-2(2-乙基-过氧化己酰)己烷,其用量为与甲基丙烯酸甲酯质量比例为0.05:1;
其中步骤(1)中使用的溶剂为苯、甲苯或二甲苯,其用量为与甲基丙烯酸甲酯质量比例为50-100:1;
其中步骤(1)中聚合反应温度为80℃。
3.根据权利要求1所述的纳米氧化亚铜细乳液分散体的制备方法,其特征在于步骤(2)中铜盐为硫酸铜、硝酸铜或氯化铜等水溶性铜盐,铜盐摩尔浓度为0.1-0.5mol/L,铜盐溶液和步骤(1)聚合物溶液体积比为1:2-10;
其中步骤(2)中一价碱性物质可以为氢氧化钠或氢氧化钾,摩尔浓度为0.2mol/L,一价碱性物质溶液和步骤(1)聚合物溶液体积比为2:10;
其中步骤(2)碱性物质细乳液分散体中铜盐和碱性物质细乳液分散体中一价碱性物质混合的摩尔比为1:2.05。
4.根据权利要求1所述的纳米氧化亚铜细乳液分散体的制备方法,其特征在于步骤(3)中还原剂溶液可以为亚硫酸氢钠或亚硫酸氢钠的水溶液,摩尔浓度为0.5mol/L,滴加速度为20毫升/小时,滴加还原剂总摩尔质量和氢氧化铜摩尔质量比为2:1。
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