纳米镍与镍聚苯胺纳米复合材料的制备和性能研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要磁性纳米粒子尺寸、结构、表面性质的控制和团聚问题的解决一直是近年来磁性纳米复合材料理论研究和应用领域十分关注的问题。作为具有良好电、磁特性的磁性金属一纳米镍，可广泛应用于磁性材料、导电浆料等领域。将纳米镍与导电聚合物聚苯胺(PANI)进行原位复合，不仅能够实现电、磁性能的复合，而且通过控制其组成和微观结构可获得具有高磁化率和适宜介电常数的PANUNi导电磁性纳米复合材料，PANI／Ni在微波吸收和电磁流变液领域可望具有重要的应用价值。本文采用低成本小分子有机醇液相还原法，在均相成核条件下成功地合成了具有纳米尺

2、度的磁性金属镍纳米粒子，并对合成条件、粒径控制、表面修饰、磁自组装纳米结构和磁性能进行了较为系统地研究。在此基础上分别采用原位复合方法和乳液聚合方法制备了PANUNi导电磁性纳米复合材料，研究了PANI／Ni结构与性能的关系。通过对1，2丙二醇在均相成核条件下液相还原反应研究，成功合成了具有纳米尺度的磁性金属镍，并提出了镍纳米粒子粒径控制合成的方法。研究发现：丙二醇作还原剂可以提高反应速率、缩短反应时间；FT-IR发现纳米镍表面原子与聚乙烯毗略烷酮(PVP)分子间存在着化学键。用PVP作稳定剂时，可以抑制纳米镍晶粒的长大，防止团聚，有效

3、地控制了纳米镍的粒径和粒度分布，实验所得的纳米镍粒径为25nm且具有单分散面心立方结构；反应中加入适量的NaOH可以提高还原反应速率、有效调节纳米粒子大小。NaOH提高粒径均匀性机理是由于在高温下生成难溶的中间相具有控制镍离子释放的“缓释”作用，使镍的浓度得到控制，在镍成核和生长过程分开，最终形成粒径均匀的纳米粒子。通过调整分散溶液中单畴磁性纳米粒子的浓度，首次观察到镍纳米粒子单个类“手镯”形磁自组装纳米结构，通过对聚合物保护磁性纳米粒子的相互作用和不同自组装纳米结构的作用能的理论分析，探讨了自组装结构形成的条件和机理。采用油酸表面活性

4、剂原位化学修饰法，极大地提高了镍纳米粒子的亲油疏水性和耐酸性。FTlR和XPS分析表明，油酸分子层与镍纳米粒子的表面原子武汉理工大学博士学位论文以桥联双齿配位的作用方式结合。因此，油酸分子可以在反应中抑制晶粒生长，防止纳米粒子团聚，并赋予纳米镍亲油耐酸特性。采用以表面油酸修饰的镍纳米粒子与带负电的阴离子表面活性剂形成的乳液为模板，通过苯胺盐阳离子在胶粒表面静电吸附后界面原位氧化聚合聚苯胺，首次合成了具有核壳结构的金属磁性纳米粒子／聚苯胺导电聚合物复合纳米粒子。通过控制H+／An摩尔比和苯胺盐的浓度可以有效的防止复合过程中活泼金属纳米粒子

5、的酸解。TEM结果表明聚苯胺包覆层厚度为10nln，纳米镍粒子在复合过程中存在凝聚现象。FTIR、XPS、Uv一Ⅵs结果均表明，壳层聚苯胺为掺杂态，镍纳米粒子与聚苯胺之间的存在化学相互作用。VSM、四电极电导率测试表明核壳复合纳米粒子兼具有导电和铁磁性。采用两步法即先合成导电聚苯胺再原位液相还原制备纳米镍的方法制备了聚苯胺／镍纳米复合材料。通过对微观结构的表征发现：镍纳米粒子能够非常均匀地“镶嵌”在聚苯胺颗粒表面并形成类似“草莓”状的复合颗粒。XRD分析表明原位复合过程中的高温对聚苯胺分子链结构不会产生影响。热分析表明，聚苯胺／镍纳米复

6、合材料提高了聚苯胺的热稳定性，导电性能和磁性能测试结果表明，聚苯胺／镍原位复合纳米材料同时具有导电性和铁磁性，其饱和磁化强度随磁性颗粒含量的增加而提高。关键词：纳米镍，多元醇，自组装，PANI／Ni，原位复合，电磁性能武汉理工大学博士学位论文AbstractThecontrolofmagneticparticlesize，sizedistribution，shape，crystalstructure，surfacechemistryandtheovercomingofitsagglomerationhavestillbeenthekey

7、issuesforthetheorystudyandapplicationofmagneticnanocompositematerials．Asoneofthemetalmagneticmaterials，thenickelnanoparticlesoftenexhibitfantasticelectrical，magneticandchemicalpropertieswhichmakethemhavepotentialapplicationsinmanyareassuchascatalysts，magneticmaterials，si

8、nteredactivators，hardalloyadhesivesandSOon．ThePANUNinanocompositeswithbothconductingandferromagneticpro