一维无机材料的改性和纳米银线的合成与应用

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近几十年,一维无机纳米材料由于在各个领域的广泛应用越来越受到重视,例如电子学、光学、磁学、催化与生物学等。一维无机纳米材料主要包括一维碳纳米、一维金属材料以及一维金属化合物材料等,由于纳米材料比表面积比较大相互之间范德华作用力比较强因而容易发生团聚,这使得它们在应用过程中会受到很大的阻碍,因此纳米材料在应用时会经常对其表面进行修饰使其表面的性质发生变化。一维无机纳米材料改性后会使其在溶剂中容易的分散,此外还会改变其在树脂中的兼容性有利于制备复合材料。  本文就碳纳米纤维的改性与纳米银线的合成与改性进行了初步的探索。碳纳米纤维在溶剂中极容易团聚难以分散开,由于其表面碳原子以sp2杂化方式存在并且含有一些特殊的官能团,针对其表面的这些性质可以设计聚合物对其进行改性。不同长径比的纳米银线(AgNWs)在应用过程会有不同的影响,但目前纳米银线的合成可控性并不是很好,因此纳米银线的可控性制备十分重要;纳米银线一般可以在水或醇类溶剂或DMSO等中进行分散应用,但在大部分有机溶剂中分散性并不好,这也限制了纳米银线在很多方面的应用。  本文主要内容包括以下几个方面:  1)在本文的第二章中,我们首先通过可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合设计并合成了一系列含有聚(乙二醇)单甲氧基丙烯酸酯(PEGMA),甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯(DMAEMA)、苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)两亲性四元共聚物。我们通过凝胶色谱仪(SEC)和核磁(1H NMR)对共聚物的组成进行了分析。之后我们通过紫外可见光谱仪、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、热失重分析(TGA)、透射电镜(TEM)和动态光散射(DLS)等研究了这些共聚物对纳米碳纤维(CNFs)的分散性能。实验结果表明,虽然共聚物所含有的组分基本相同,但两亲性共聚物的序列排布对CNFs的分散性能有十分重要的影响。最后,我们用碳黑/树脂的复合体系对共聚物的性能进行了验证。  2)在本文的第三章中,我们首先在八角氨基倍半硅氧(POSS-NH2)上接枝上RAFT链转移剂,然后通过“Graft from”的方式在POSS-NH2接枝上了聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯(PDMAEMA),即合成了立体星状聚合物POSS-g-PDMAEMA。我们通过凝胶色谱仪(SEC)和核磁(1H NMR)对共聚物的组成进行了分析。我们探讨了POSS-g-PDMAEMA对于碳纳米管分散性能的影响,我们同样通过傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、热失重分析(TGA)、透射电镜(TEM)对表征结果进行了相关表征。实验结果表明,POSS-g-PDMAEMA对CNTs有很好的分散性能。  3)在本文的第四章中,纳米银线的长度和直径对于其性能有着十分重要的影响,特别是对透明导电薄膜性能的影响。我们以乙二醇为溶剂和还原剂,聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)为分散剂,FeCl3为媒介,采用液相多元醇法还原AgNO3研究了不同反应条件对纳米银线长径的影响。通过控制反应条件我们制备了不同长径比的纳米银线,而且方法简单可控利于大批量制备。在银线的制备过程中,我们通过场发射扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见光谱仪等进行了实验表征和分析。  4)在本文的第五章中,我们通过ATRP聚合设计合成了一系列聚甲基丙基酸甲酯-b-聚丙烯酸叔丁酯(PMMA-b-PtBA),然后将其水解为聚甲基丙基酸甲酯-b-聚丙烯酸(PMMA-b-PAA)。我们用凝胶色谱仪(SEC)和核磁(1H NMR)对共聚物的组成进行了分析。甲醇为PMMA链锻不良溶剂,为PAA的良溶剂,因此一般来说两亲性PMMA-b-PAA可以在甲醇中进行组装,我们用TEM对组装的形态进行了表征。我们将纳米银线在甲醇中的分散液滴加进PMMA-b-PAA的甲醇组装溶液中,一段时间后AgNWs的表面的性质发生变化(发生改性)从甲醇溶液中沉淀出来,将沉淀用DMSO洗几次之后转移到氯仿(CHCl3)、甲苯、四氢呋喃(THF)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)等AgNWs的不良分散溶剂中可以很好的分散。我们通过TEM、TGA和FT-IR等对AgNWs分散机理进行了研究。  5)在本文的第六章中,我们用不同长度和直径的AgNWs通过喷涂法在PET基体上制备了柔性透明导电薄膜。通过原子力显微镜(AFM),场发射扫描电镜(SEM),紫外可见光谱仪以及方阻仪等对其性能进行了表征。此外,我们用改性的AgNWs/PMMA复合体系在透明玻璃基体上制备了透明导电玻璃。在文章的最后我们也对纳米银线在透明电极的应用前景方面进行了分析。
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