纳米铜和纳米镍粒径的控制及粒径与熔点的关系

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本文采用电子束辐照技术来制备纳米铜和纳米镍。通过改变辐照体系条件来控制纳米粒子的粒径,在此基础上初步研究了纳米金属粒子的粒径与其熔点的相关性,另外对于纳米金属粒子在不同溶剂中的分散性进行了一些探索。 实验过程中,分别以CuSO4·5H2O和NiSO4·6H2O为原料,以异丙醇为氧化性自由基的去除剂,加入不同的表面活性剂作保护剂,以去离子水为溶剂介质,通过调节溶液的酸碱度来配置溶液进行辐照。在这过程中,研究了金属离子浓度,体系pH值,辐照剂量,不同表面活性剂和不同表面活性剂浓度对纳米金属粒子粒径的影响。 对分离后所得纳米粒子采用X-射线衍射仪、透射电子显微镜、紫外-可见分光光谱仪、傅立叶红外光谱仪、激光粒度仪、扫描电子显微镜和示差扫描量热分析进行了表征。 XRD结果表明,在常温常压下不加任何催化剂,以异丙醇为自由基去除剂,用电子束辐照技术可以成功的制备出纳米铜和纳米镍颗粒。 不同表面活性剂对纳米铜和纳米镍的粒径大小和纯度有影响。SDBS为表面活性剂时所得纳米铜粉在粒径分布和分散性方面都优于以PVA、PEG和明胶为表面活性剂所得纳米铜粉;PEG为表面活性剂时所得产物为镍和三氧化二镍粉的混合物,且部分团聚了,而PVA、SDBS和PVP所得产物在分散性和纯度上都优于以PEG为表面活性剂所得纳米镍粉。 保持其它工艺条件不变,一定浓度范围内(0.48g/100ml-2.2g/100ml),表面活性剂PVA浓度越大,纳米铜的粒径越小。 表面活性剂(PVA)浓度对纳米镍的粒径大小有影响。不加表面活性剂时,生成的纳米镍粒子团聚厉害。当PVA量加入较少时,能局部阻止一些纳米粒子聚集;当加入PVA量最适宜时,PVA起遮蔽和保护作用,阻止了颗粒的团聚;当加入太多量的PVA时,纳米粒子粒径有所减小,但颗粒可能被多层聚合物所覆盖,过量得PVA分子链与颗粒表面的PVA分子链相互缠结,使得其分散性变差。 表面活性剂(明胶)量对纳米铜的粒径大小有影响。一定浓度范围内(0.32g/100ml-0.96g/100ml),随着明胶浓度的增大,纳米铜平均粒径有所减小,但粒径大小和粒径分布范围变化都不大。 当用NH3·H2O/NH4·AC缓冲溶液使pH值保持在5-9之间时,能得到比较纯的纳米铜,而当pH值小于4时,所得纳米铜粉不稳定,pH值在4-4.5之间时所得粉末为橙黄色的氧化亚铜,当pH值大于9时,所得产物为含有氢氧化铜的黄色沉淀物。 而对于制备纳米镍粒子来说,体系pH值约为6.8左右(没有调节pH值),经辐照后无沉淀物产生;当用NH3·H2O/NH4·AC缓冲溶液使pH值保持在8-11之间时,pH值对其形貌和粒径影响都不大。 保持其它工艺条件不变,在一定浓度范围内,随着金属离子(Cu2+、Ni2+)浓度的减小,纳米金属粒子的粒径减小。 辐照剂量越大,辐照溶液还原的越完全。当辐照剂量小于200kGy时,所得产物为镍和氢氧化镍的混合物;当辐照剂量增大到300kGy时,产物为较纯的纳米镍粉。 所得纳米铜粉用油酸钝化可以有效的防止铜粉的表面氧化。未经油酸钝化的铜粉在空气中放置一个月后,则表面氧化明显;而使用油酸钝化的铜粉在空气中放置一个月后,表面基本无氧化,这使纳米铜实际应用的可能性变大了。 傅立叶红外光谱表明,表面活性剂不但作为反应的介质而且作为修饰剂修饰在了纳米微粒的表面,从而有效地阻止了纳米微粒的团聚和氧化; 激光粒度分析表明,纳米金属粒子测试时分散在乙醇中要好于水中;紫外-可见光谱分析表明,纳米金属粒子在氯仿中的分散性要好于在丙酮、乙醇和水中的分散性。 示差扫描量热分析(DSC)表明,当加热速率为20℃/min,纳米铜的熔点随粒径的减小而下降。当粒径为13nm时,其熔点为224.4℃,远远低于普通的块状铜熔点(1084.5℃)。
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