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纳米银粉表面包覆硅烷偶联剂改性研究

来源期刊：稀有金属2011年第4期

论文作者：李先学沈高扬杨磊吴丹丹许丽梅陈义祥

文章页码：613 - 616

关键词：纳米银粉;硅烷偶联剂;改性;KH-560;

摘要：为了减少纳米银粉的团聚,增强纳米银粉在空气中的稳定性,提高其与有机材料的亲合性,改善纳米银粉在有机基体中的均匀分散,需预先对纳米银粉进行表面改性。采用硅烷偶联剂KH-560对纳米银粉进行表面改性,通过测定活化指数,研究了KH-560用量与纳米银粉改性效果之间关系,并借助X射线衍射仪（XRD）、红外光谱（FTIR）、紫外可见分光光度计（UV-vis）等测试手段,对改性后纳米银粉的结构和性能进行了表征。XRD结果表明,纳米银粉为面心立方晶系,晶粒尺寸约为20 nm;通过活化指数的测量,KH-560最佳用量为5%,改性后纳米银粉疏水性增强,活化指数达0.8;红外光谱表明,KH-560以化学键合的方式结合在纳米银粉的表面,并形成了有机包覆层;UV-vis结果表明,改性后的纳米银粉在氯仿中具有较好的分散稳定性。

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稀有金属 2011,35(04),613-616

纳米银粉表面包覆硅烷偶联剂改性研究

李先学沈高扬杨磊吴丹丹许丽梅陈义祥

莆田学院环境与生命科学系

中国科学院理化技术研究所

摘要：

为了减少纳米银粉的团聚,增强纳米银粉在空气中的稳定性,提高其与有机材料的亲合性,改善纳米银粉在有机基体中的均匀分散,需预先对纳米银粉进行表面改性。采用硅烷偶联剂KH-560对纳米银粉进行表面改性,通过测定活化指数,研究了KH-560用量与纳米银粉改性效果之间关系,并借助X射线衍射仪(XRD)、红外光谱(FTIR)、紫外可见分光光度计(UV-vis)等测试手段,对改性后纳米银粉的结构和性能进行了表征。XRD结果表明,纳米银粉为面心立方晶系,晶粒尺寸约为20 nm;通过活化指数的测量,KH-560最佳用量为5%,改性后纳米银粉疏水性增强,活化指数达0.8;红外光谱表明,KH-560以化学键合的方式结合在纳米银粉的表面,并形成了有机包覆层;UV-vis结果表明,改性后的纳米银粉在氯仿中具有较好的分散稳定性。

关键词：

纳米银粉;硅烷偶联剂;改性;KH-560;

中图分类号： TB383.1

作者简介：李先学(1977-),男,山东淄博人,博士,讲师;研究方向:纳米材料(E-mail:lixianxue@yahoo.com.cn);

收稿日期：2010-11-26

基金：福建省自然科学基金项目(2009J05030);福建省高校服务海西建设重点项目(2009HX11);莆田学院大学生创新性实验计划项目(2009)资助;

Surface Modification of Silver Nano-Powders with Silane Coupling Agent

Abstract：

In order to reduce agglomeration of the silver nano-powders,increase their dispersing stability in air and improve their compatibility with other organic materials,its surface modification should be pretreated.The surface of silver nano-powders was modified with silane coupling agent KH-560.The relationships between the usage of KH-560 and silver nano-powders were also studied by measuring active index.The modified silver powders were characterized by X-ray diffraction(XRD),Fourier transform infrared spectra(FTIR) and UV-visible spectrophotometer(UV-vis).XRD curve showed that the silver nano-powders belonged to face-centered cubic crystal system and the crystalline grain size was about 20 nm.The active index experiments indicated that the optimal usage of KH-560 was 5%.The hydrophobicity of modified silver powders was improved obviously and the active index reached 0.8.The FTIR indicated that chemical bond existed between silver nano-powders and KH-560.UV-vis curves showed that the modified silver nano-powders had good dispersity and stability in chloroform.

Keyword：

nano-silver powders;silane coupling agent;modification;KH-560;

Received： 2010-11-26

纳米银粉作为一类具有特殊性能的功能材料, 由于其高的传热导电性、抗菌性和催化性 ^[1,2,3] , 广泛用作高性能电极材料、防静电材料、低温超导材料、电子浆料、催化剂材料以及抗菌、除臭功能材料等, 成为近年来研究的热点 ^{[4,5,6,7,8,9]} 。尤其是近年来电子产品日益趋向微型化和集成化, 作为组成导电银浆最关键的材料, 研制分散性好、稳定性高的纳米银粉成为关系微电子工业发展的重要问题。

但是纳米银粉比表面积大、表面原子数多、表面能高、存在大量的表面缺陷和悬挂键, 颗粒间极易发生团聚, 团聚后又很难用机械的方法解聚 ^[10,11,12] , 从而导致分散性差; 而且纳米银粉活性大, 很容易与空气中的氧气发生氧化反应, 不便于纳米银粉长时间的贮存。此外, 纳米银粉与其他有机材料的亲合性不良, 纳米银粉在有机基体中分散性差, 这也严重影响到其他载银类功能材料的性能。因此为减少纳米银粉的团聚, 提高其分散性和稳定性, 需预先对纳米银粉进行表面改性 ^[13] 。这有利于纳米银粉在长时间的使用过程中保持良好的导电性能 ^[14] ; 还可改善银粉表面的润湿性, 增加与其他材料间的亲合性, 为合成其他载银类抗菌材料奠定基础。

目前, 关于纳米银粉改性方面的研究并不多 ^[15,16] 。魏丽丽等 ^[17] 研究阳离子、阴离子和非离子表面活性剂在银粉制备过程中的防团聚作用和分散作用, 并采用TW80分散剂可制备出高分散、窄粒级的超细银粉。近年来, 硅烷偶联剂作为一类具有特殊结构的改性剂越来越引起人们的关注。本文采用硅烷偶联剂KH-560对纳米银粉进行表面改性, 并借助XRD, FTIR, UV-vis等测试手段, 对改性后银粉的结构和分散稳定性进行了研究。

1 实验

1.1 样品制备

KH-560(γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷), 南京曙光化工厂; 纳米银粉, 本实验室采用化学还原法制备(粉体颗粒大小约为20 nm), 制备流程见文献 [ 18] ; 盐酸、甲苯、氯仿均为分析纯试剂。

将一定体积的 KH-560溶液(KH-560用量分别为纳米银粉质量的1%, 3%, 5%, 7%, 9%)加入三口烧瓶中, 滴加盐酸溶液调节pH值为4左右, 然后加入5 g纳米银粉, 将混合溶液在40 ℃恒温水浴中进行超声分散, 同时进行机械搅拌, 反应一定时间后将反应物抽滤, 用甲苯洗涤, 于60 ℃真空干燥24 h, 待用。

1.2 活化指数的测量

根据活化指数的大小评价纳米银粉的改性效果。改性纳米银粉疏水性增强, 所以改性后的粉体会有部分或全部漂浮在水面上。通过测量样品中漂浮部分的质量m和样品总质量T, 则活化指数I=m/T×100%。

1.3 分析表征

采用Bruker D8 ADVANCE型X射线衍射仪研究改性纳米银粉的相组成; 使用Bruker TENSOR-27型红外分光光度计, 记录其红外光谱数据, 范围为400～4000 cm^-1, KBr压片; 将改性后纳米银粉分散于氯仿中, 用UV-2550紫外可见分光光度计测定其吸光度随波长变化的曲线(范围为200～600 nm), 分析其分散稳定性。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射图谱

图1为改性后纳米银粉的XRD曲线。由图中可观察到衍射峰相当尖锐, 表明产品结晶状态很好。各衍射峰对应的面间距(d值)均与JCPDS卡片4-0783中的d值相对应, 分别对应于面心立方晶系的单质Ag的(111), (200), (220), (311)晶面。在扣除仪器展宽等因素后, 根据Scherrer公式估算出银粉晶粒尺寸约为20 nm。

2.2 活化指数与KH-560用量的关系

由图2可以看出随着硅烷偶联剂KH-560用量的增加, 纳米银粉活化指数逐渐增大; 当硅烷偶联剂用量为5%时, 活化指数达0.8; 继续增加KH-560的用量, 活化指数变化很小。这是因为硅烷偶联剂KH-560与银粉表面的羟基发生反应, 将使银粉表面的羟基减少, 当KH-560用量很少时, 粉体表面不能形成完整包覆, 表面仍呈极性, 粉体不能悬浮在水面上, 故此时活化指数很小; 当KH-560用量达5%时, 银粉表面的羟基完全参与了反应, 即粉体表面已形成完整包覆, 这时再增加KH-560的用量对活化指数影响很小。故本实验选取5%为KH-560的最佳用量。

2.3 红外光谱分析

如图3是经KH-560改性后纳米银粉的红外光谱。由图可知, 银粉表面经过偶联剂KH-560 修饰后, 红外谱图在1260 cm^-1出现C-O-C键的特征峰, 2922, 2966 cm^-1为甲基、亚甲基上C-H的振动吸收峰, 1384 cm^-1出现C-H键的面内弯曲振动特征峰, 在大约1080 cm^-1处出现Si-O的伸缩振动峰, 说明纳米银粉与KH-560之间形成了化学键, 银粉表面吸附了KH-560。