CN102206356A - 聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子及其制备方法 - Google Patents
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一种聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子及其制备方法，复合粒子结构是聚苯乙烯粒子（微球）表面上覆有聚苯胺的壳层，在该壳层中和表面嵌有贵金属纳米粒子。其制备方法是，0°C下将苯胺经搅拌和超声分散于水中，并与聚苯乙烯乳液混合，反应一定时间后加入贵金属纳米粒子溶胶，加入过硫酸铵水溶液，滴加盐酸，反应4小时后升至室温继续反应20小时，经过滤分离，洗涤，干燥后获得粉末状聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子。
Description
（一）技术领域 本发明属于纳米功能材料技术领域，具体涉及一种聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子及其制备方法。
（二）技术背景 导电聚合物乳胶纳米复合粒子材料集高分子自身的导电性与纳米颗粒的功能性于一体，具有分子结构可设计，电导率可调节以及形态特征可控制等优点。金等贵金属纳米粒子具有独特的光学性质和良好的化学稳定性，具有“麻团”型结构的聚苯乙烯/贵金属纳米复合粒子由于具有非常优越的催化、电学和光学性能，特别是它们在水相中可控的表面等离子体共振吸收，在电子学和光学器件、化学和生物学传感器、催化剂和医学成像等诸多领域都具有广阔的应用前景。将贵金属纳米粒子引入导电聚合物乳胶纳米复合粒子，不但可以增强贵金属纳米粒子和基底物之间的结合稳定性，消除其向环境的散逸，从而提高其使用寿命和增加其使用周期，而且对于粒子本身的催化、传感等性能也有明显的提高。其次，针对其功能性的发挥及实际应用而言，贵金属纳米粒子的尺度及其可控性是极为重要的特性之一，如J. C. Meredith等人制备并进而研究了金纳米粒子尺度对紫外光响应波长移动特征的影响（参考文献1：Chemistry of Materials, 2009, 21, 5654-5663）。而作为催化剂使用时，则希望这类复合粒子中贵金属纳米粒子达到更微细的尺度（参考文献2：Angewandte Chemie International Edition, 2007, 46, 4151-4154）。因此，提高贵金属纳米粒子的可控性是复合粒子制备技术中极为重要的一个方面。
对于制备以普通高分子为基体（如聚苯乙烯）的具有聚合物-导电高分子-贵金属纳米粒子三组份的复合粒子，Mangeney提出一种静电自组装的方法：采用吡咯和氨基吡咯在聚苯乙烯微球表面共聚，制备出表面富含氨基修饰的聚苯乙烯/聚吡咯复合粒子，然后加入柠檬酸钠稳定的金粒子，利用静电相互作用，得到表面附着了金粒子的聚苯乙烯/聚吡咯复合粒子（参考文献3：Langmuir, 2006, 22, 10163）。Armes等先制备了聚苯乙烯/聚吡咯复合粒子，然后利用Au（Ⅲ）离子和聚吡咯发生的氧化还原反应原位形成金纳米粒子（参考文献4：J. Mater. Chem.,2001, 11, 2363）。Fujii报导了一种聚吡咯-钯包覆的聚苯乙烯纳米乳胶粒子的合成过程：采用以聚乙烯基吡咯烷酮为稳定剂的聚苯乙烯粒子作为基底，加入的吡咯单体可以富集在粒子表面上聚乙烯基吡咯烷酮分子层内，然后加入前驱体PdCl2，通过氧化还原反应使其结合到聚苯乙烯粒子表面，得到复合粒子（参考文献5：Langmuir, 2010, 26, 6230）。Selvan在甲苯溶剂中用聚苯乙烯-聚二乙烯基吡啶嵌段共聚物形成囊泡，然后利用与聚二乙烯基吡啶的静电作用将氯金酸富集在囊泡的表面，随后加入的吡咯与氯金酸发生氧化-还原反应，同时产生的金纳米粒子和导电聚合物形成复合结构（参考文献6：Adv. Mater., 1998, 10, 132）。
上述报导所采用的制备过程的特点为，其一，采用氧化还原反应现场合成贵金属纳米粒子，粒子尺寸和单分散性通常难以有效的控制，且贵金属纳米粒子位于复合粒子的表面；其次，为了有效地形成复合结构，均需对基体表面进行预先设计或功能化，以提高基体与贵金属纳米粒子或其前躯体之间的相互作用。
（三）发明内容 本发明的目的在于提出一种聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子以及实现这一复合结构的制备方法。
本发明所提出的聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子的结构是：在聚苯乙烯粒子（微球）表面上覆有聚苯胺的壳层，在聚苯胺壳层中和表面，嵌有贵金属纳米粒子。本发明中，贵金属纳米粒子是金、银或钯纳米粒子；贵金属纳米粒子与聚苯乙烯粒子的重量比不超过3.40；聚苯胺与聚苯乙烯的重量比为 1 : 2~1 : 20；聚苯乙烯粒子（微球）的数均粒径不小于100纳米；聚苯乙烯粒子与贵金属纳米粒子的粒径比不小于10。
本发明所提出的具有上述结构的聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子，其制备方法为：将苯胺单体加入水中，与预先准备的聚苯乙烯乳液混合，再加入预先准备的单分散的贵金属纳米粒子溶胶，混合一定时间后，加入过硫酸铵水溶液、然后缓慢滴加盐酸，经反应一定时间后即可得到具有上述结构特征的粉末状聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子。具体制备过程如下：
1．粒子的准备
聚苯乙烯乳液的制备可采用分散聚合等常规的聚合方法，如，采用包含单体、醇介质或醇-水混合介质、非离子型两亲性大分子稳定剂和油溶性引发剂的聚合体系；亦可直接选用市售的聚苯乙烯粒子（微球），用水配制成聚苯乙烯乳液。
单分散的贵金属纳米粒子溶胶可采用化学还原法，由各自的前躯体和还原剂组成氧化还原体系，选择不同的反应体系和反应条件制备出粒径不同的各种贵金属纳米粒子溶胶；亦可直接选用市售的单分散的贵金属纳米粒子，用水配制成贵金属纳米粒子溶胶。
2．复合粒子的制备
将苯胺加入到重量为其100~1000倍的纯水中，冷却至0°C，搅拌下超声分散10~20分钟后，加入聚苯乙烯乳液，超声并搅拌10~20分钟，随后0°C 下继续搅拌 1~3小时。
在上述体系中加入贵金属纳米粒子溶胶，0°C下，搅拌0.5~1小时。
在上述体系中加入过硫酸铵的水溶液，然后滴加盐酸，滴加完毕后，0°C下反应4小时，升至室温继续反应20小时。停止反应后，用稀盐酸溶液多次离心洗涤，直至上层溶液变为无色为止，再经离心分离、真空干燥，获得粉末状复合粒子。
本发明中，贵金属纳米粒子是金、银或钯纳米粒子。
本发明中，选用的聚苯乙烯粒子（微球）的数均粒径不小于100纳米，聚苯乙烯粒子与贵金属纳米粒子的粒径比不小于10。
本发明中，贵金属纳米粒子和聚苯乙烯粒子的重量比不超过3.40。
本发明中，聚苯乙烯乳液的固含量为4~20 wt%；贵金属纳米粒子溶胶的固含量为0.1~1.0 wt%；苯胺和聚苯乙烯粒子的重量比为1 : 2～1 : 20；过硫酸铵与苯胺的摩尔比约为1:1；HCl与苯胺的摩尔比为1:1~1:2；盐酸的浓度范围为0.25~1.00 mol/L。
本发明所提出方法的特点为：①以聚苯乙烯粒子为基体，无需特别的表面设计或功能化，使整个制备过程简单化；②贵金属纳米粒子可采用已有技术进行预先制备，扩大了其形态、尺寸等参数的可调控范围，从而易于获得不同性能与特征的复合粒子。
（四）具体实施方式
实施例1
在四颈瓶中，将2.8 g聚乙烯基吡咯烷酮溶于160 ml异丙醇，升温至70°C。再将0.2 g偶氮二异丁腈溶于20 g苯乙烯单体，在氮气保护下，加入到上述溶液中。机械搅拌，恒温反应24小时后冷却至室温。所得乳液经离心分离，依次用乙醇和去离子水分别洗涤3次，分散于纯水中配成固含量为4.2 wt %的聚苯乙烯粒子乳液，其数均粒径为1800 nm。
室温下，将36 ml浓度为0.122 wt%的氯金酸水溶液加入到111 ml去离子水中，磁力搅拌下升温至溶液沸腾，加入3 ml的1 wt%柠檬酸三钠溶液，反应30分钟，获得深***的金纳米粒子溶胶并通过离心浓缩到20 ml。透射电子显微镜显示其具有较好的单分散性，粒径约为30 nm。
将0.042g苯胺加入到10 ml蒸馏水中，冰水浴冷却至0°C，在机械搅拌下超声分散约15分钟后，加入3 g聚苯乙烯粒子乳液，超声并搅拌约15分钟，关闭超声后，补加7 ml蒸馏水，继续置于冰水浴中3小时。加入10 ml的金纳米粒子溶胶并继续于冰水浴中搅拌1小时，加入0.84 ml浓度为1 mol/L的过硫酸铵水溶液，搅拌5分钟后，缓慢滴加0.45 ml浓度为1 mol/L的盐酸。在冰水浴中反应4小时，升至室温继续反应20小时。停止反应，用稀盐酸多次离心洗涤，直至上层溶液变为无色为止，再经离心将沉淀物和上层清液分离，最后经真空干燥获得粉末状复合粒子。该复合粒子的结构为：在聚苯乙烯微球表面上覆有一聚苯胺壳层，在聚苯胺壳层中和表面，嵌有金纳米粒子。聚苯乙烯粒子与金纳米粒子的粒径比为60。金纳米粒子和聚苯乙烯粒子的重量比为0.09，聚苯胺和聚苯乙烯的重量比为1 : 3.75。
实施例2 采用实例1中的聚苯乙烯乳液和金纳米粒子溶胶。
将0.010 g苯胺加入到10 ml蒸馏水中，冰水浴冷却至0°C，在机械搅拌下超声分散约15分钟后，加入3 g聚苯乙烯粒子乳液，超声并搅拌约15分钟，关闭超声后，补加7 ml蒸馏水，继续置于冰水浴中3小时。加入10 ml的金纳米粒子溶胶并继续冰水浴搅拌1小时，加入0.20 ml浓度为1 mol/L的过硫酸铵水溶液，搅拌5分钟后，缓慢滴加0.11 ml浓度为1 mol/L的盐酸。在冰水浴中反应4小时，升至室温继续反应20小时。停止反应，用稀盐酸多次离心洗涤，直至上层溶液变为无色为止，再经离心将沉淀物和上层清液分离，最后经真空干燥获得粉末状样品。该复合粒子的结构为：在聚苯乙烯微球表面上覆有一聚苯胺壳层，在聚苯胺壳层中和表面，嵌有金纳米粒子。聚苯乙烯粒子与金纳米粒子的粒径比为60。金纳米粒子和聚苯乙烯粒子的重量比为0.09，聚苯胺和聚苯乙烯的重量比为1 : 12。
实施例3 采用实例1中的聚苯乙烯乳液。
室温下，将36 ml浓度为0.122 wt%的氯金酸水溶液加入到111 ml去离子水中，磁力搅拌下升温至溶液沸腾，加入3 ml的1 wt%柠檬酸三钠溶液，反应30分钟，获得深***的金纳米粒子溶胶并通过离心浓缩到10 ml。透射电子显微镜显示其具有较好的单分散性，粒径约为30 nm。
将0.042g苯胺加入到10 ml蒸馏水中，冰水浴冷却至0°C，在机械搅拌下超声分散约15分钟后，加入3 g聚苯乙烯粒子乳液，超声并搅拌约15分钟，关闭超声后，补加7 ml蒸馏水，继续置于冰水浴中3小时。加入10 ml的金纳米粒子溶胶并继续于冰水浴中搅拌1小时，加入0.84 ml浓度为1 mol/L的过硫酸铵水溶液，搅拌5分钟后，缓慢滴加0.45 ml浓度为1 mol/L的盐酸。在冰水浴中反应4小时，升至室温继续反应20小时。停止反应，用稀盐酸多次离心洗涤，直至上层溶液变为无色为止，再经离心将沉淀物和上层清液分离，最后经真空干燥获得粉末状复合粒子。该复合粒子的结构为：在聚苯乙烯微球表面上覆有一聚苯胺壳层，在聚苯胺壳层中和表面，嵌有金纳米粒子。聚苯乙烯粒子与金纳米粒子的粒径比为60。金纳米粒子和聚苯乙烯粒子的重量比为0.15，聚苯胺和聚苯乙烯的重量比为1 : 3.75。
实施例4采用实例1中的聚苯乙烯乳液。
室温下，将36 ml浓度为0.122 wt%的氯金酸水溶液加入到113 ml去离子水中，磁力搅拌下升温至溶液沸腾，加入0.84 ml的1 wt%柠檬酸三钠溶液，反应30分钟，获得深***的金纳米粒子溶胶并通过离心浓缩到20 ml。透射电子显微镜显示其具有较好的单分散性，粒径约为80 nm。
将0.014 g苯胺加入到10 ml蒸馏水中，冰水浴冷却至0°C，在机械搅拌下超声分散约15分钟后，加入3 g聚苯乙烯粒子乳液，超声并搅拌约15分钟，关闭超声后，补加7 ml蒸馏水，继续置于冰水浴中3小时。加入10 ml的金纳米粒子溶胶并继续冰水浴搅拌1小时，加入0.28 ml浓度为1 mol/L的过硫酸铵水溶液，搅拌5分钟后，缓慢滴加0.15ml浓度为1 mol/L的盐酸。在冰水浴中反应4小时，升至室温继续反应20小时。停止反应，用稀盐酸多次离心洗涤，直至上层溶液变为无色为止，再经离心将沉淀物和上层清液分离，最后经真空干燥获得粉末状复合粒子。该复合粒子的结构为：在聚苯乙烯微球表面上覆有一聚苯胺壳层，在聚苯胺壳层中和表面，嵌有金纳米粒子。聚苯乙烯粒子与金纳米粒子的粒径比为23。金纳米粒子和聚苯乙烯粒子的重量比为0.08，聚苯胺和聚苯乙烯的重量比为1 : 9.5。
实施例5 采用实例1中的聚苯乙烯乳液。
室温下，将15 ml浓度为0.216 wt%的硝酸银水溶液加入到180 ml去离子水中，磁力搅拌下升温至溶液沸腾，加入0.54 ml的10 wt%柠檬酸三钠溶液，反应30分钟，获得黄绿色的银纳米粒子溶胶并通过离心浓缩到10 ml，透射电子显微镜显示其粒径约为60 nm。
将0.042 g苯胺加入到10 ml蒸馏水中，冰水浴冷却至0°C，在机械搅拌下超声分散约15分钟后，加入3 g聚苯乙烯粒子乳液，超声并搅拌约15分钟，关闭超声后，补加7 ml蒸馏水，继续冰水浴3小时。加入10 ml的银纳米粒子溶胶并继续冰水浴搅拌1小时，加入0.84 ml浓度为1 mol/L的过硫酸铵水溶液，搅拌5分钟后，缓慢滴加0.45 ml浓度为1 mol/L的盐酸。在冰水浴中反应4小时，升至室温继续反应20小时。停止反应，用稀盐酸多次离心洗涤，直至上层溶液变为无色为止，再经离心将沉淀物和上层清液分离，最后经真空干燥获得粉末状复合粒子。该复合粒子的结构为：在聚苯乙烯微球表面上覆有一聚苯胺壳层，在聚苯胺壳层中和表面，嵌有银纳米粒子。聚苯乙烯粒子与银纳米粒子的粒径比为30。银纳米粒子和聚苯乙烯粒子的重量比为0.10，聚苯胺和聚苯乙烯的重量比为1 : 3.75。
实施例6 采用实例1中的聚苯乙烯乳液。
采用实例5中的银纳米粒子溶胶。
将0.010 g苯胺加入到10 ml蒸馏水中，冰水浴冷却至0°C，在机械搅拌下超声分散约15分钟后，加入3 g聚苯乙烯粒子乳液，超声并搅拌约15分钟，关闭超声后，补加7 ml蒸馏水，继续冰水浴3小时。加入10 ml的银纳米粒子溶胶并继续冰水浴搅拌1小时，加入0.20 ml浓度为1 mol/L的过硫酸铵水溶液，搅拌5分钟后，缓慢滴加0.11 ml浓度为1 mol/L的盐酸。在冰水浴中反应4小时，升至室温继续反应20小时。停止反应，用稀盐酸多次离心洗涤，直至上层溶液变为无色为止，再经离心将沉淀物和上层清液分离，最后经真空干燥获得粉末状复合粒子。该复合粒子的结构为：在聚苯乙烯微球表面上覆有一聚苯胺壳层，在聚苯胺壳层中和表面，嵌有银纳米粒子。聚苯乙烯粒子与银纳米粒子的粒径比为30。银纳米粒子和聚苯乙烯粒子的重量比为0.10，聚苯胺和聚苯乙烯的重量比为1 : 12。
Claims (7)
1.一种聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子，其特征是聚苯乙烯粒子（微球）表面上覆有聚苯胺的壳层，在聚苯胺壳层中和表面，嵌有贵金属纳米粒子；贵金属纳米粒子与聚苯乙烯粒子的重量比不超过3.40；聚苯胺与聚苯乙烯的重量比为1 : 2~1 : 20；聚苯乙烯粒子（微球）的数均粒径不小于100纳米；聚苯乙烯粒子与贵金属纳米粒子的粒径比不小于10。
2.据权利要求1所述的聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子，其特征是贵金属纳米粒子是金、银或钯纳米粒子。
3.一种聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子的制备方法，其特征是制备过程如下：
a.粒子的准备 选用聚苯乙烯粒子（微球），用水配制成固含量为4~20 wt%的聚苯乙烯乳液;
选用单分散的贵金属纳米粒子，用水配制成固含量为0.1~1.0 wt%的贵金属纳米粒子溶胶; 贵金属纳米粒子是金、银或钯纳米粒子；
b．复合粒子的制备 将苯胺加入到重量为其100~1000倍的纯水中，冷却至0°C，搅拌下超声分散10~20分钟后，加入聚苯乙烯乳液，超声并搅拌10~20分钟，随后0°C下 继续搅拌 1~3小时;在上述体系中加入贵金属纳米粒子溶胶，0°C下，搅拌0.5~1小时; 在上述体系中加入过硫酸铵的水溶液，然后滴加盐酸，滴完后，0°C下反应4小时，升至室温继续反应20小时,用稀盐酸溶液多次离心洗涤，直至上层溶液变为无色为止，再经离心分离、真空干燥，获得粉末状复合粒子。
4.据权利要求3所述的聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子的制备方法，其特征是苯胺和聚苯乙烯粒子的重量比为1 : 2~1 : 20。
5.据权利要求3所述的聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子的制备方法，其特征是过硫酸铵与苯胺的摩尔比约为1:1。
6.据权利要求3所述的聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子的制备方法，其特征是HCl与苯胺的摩尔比为1:1~1:2,盐酸浓度范围为0.25~1.00 mol/L。
7.据权利要求3所述的聚苯乙烯/(贵金属纳米粒子@聚苯胺)复合粒子的制备方法，其特征是聚苯乙烯粒子粒径与贵金属纳米粒子的粒径比不小于10；聚苯乙烯粒子的数均粒径不小于100纳米；贵金属纳米粒子和聚苯乙烯粒子的重量比不超过3.40。
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