非水基凝膠注模成形技術(shù)及其在孔銅材料中的應(yīng)用

非水基凝膠注模成形技術(shù)及其在孔銅材料中的應(yīng)用非水基凝膠注模成形技術(shù)及其在孔銅材料中的應(yīng)用

摘要：為提高孔銅材料制備的性能和效率，進行了非水基凝膠注模成形的研究。本文以銅粉為原料，聚乙二醇（PEG）和聚丙烯酸（PAA）為增塑劑和減縮劑，在高濃度硝酸銅水溶液中制備了非水基凝膠。利用注模成形技術(shù)制備出的孔銅材料具有較好的形貌和孔隙結(jié)構(gòu)，并具有較高的導電性和強度。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析儀（EDX）、X射線衍射儀（XRD）等手段對材料的結(jié)構(gòu)和性能進行了表征和分析。結(jié)果表明，孔銅材料具有多孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小和孔隙率與增塑劑和減縮劑的用量、硝酸銅濃度及反應(yīng)條件有關(guān)。本研究結(jié)果為非水基凝膠注模成形技術(shù)在孔銅材料制備中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：非水基凝膠；注模成形；孔銅材料；形貌；性能

1.引言

孔銅材料是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的功能材料，可廣泛應(yīng)用于電極材料、催化劑、過濾材料、生物醫(yī)學等領(lǐng)域?？足~材料的孔結(jié)構(gòu)和表面形貌對其性能有著決定性的影響，因此，如何制備高質(zhì)量的孔銅材料是一個重要的研究方向。目前，制備孔銅材料的方法主要包括模板法、溶膠-凝膠法、氣相沉積法、電沉積法等（Zhangetal.,2017;Wangetal.,2018）。這些方法在制備孔銅材料時存在成本高、復雜性大、制備時間長等問題。

注模成形是一種快速、低成本的制備方法，逐漸被應(yīng)用于孔材料的制備領(lǐng)域。注模成形主要是利用稀土玻璃微球、聚苯乙烯微球等模板材料在高溫下燒蝕，再用其骨架充填金屬、陶瓷等材料得到多孔材料。然而，采用此類模板材料制備的孔材料，往往會存在孔隙分布不均、形貌不規(guī)則等問題。近年來，非水基凝膠注模成形技術(shù)在多孔材料制備中引起了廣泛關(guān)注。非水基凝膠是指在無水或低水環(huán)境下，由凝膠劑和膠體顆粒構(gòu)成的可注模成形的凝膠材料，其制備方法簡單、成本低、制備過程易控制、孔徑大小可控（Leietal.,2011）。目前，非水基凝膠注模成形技術(shù)主要應(yīng)用于氧化物、碳材料等的制備中，尚未見有該技術(shù)在孔銅材料制備中的應(yīng)用研究。

本研究以銅粉為原料，采用聚乙二醇（PEG）和聚丙烯酸（PAA）為增塑劑和減縮劑，在高濃度硝酸銅水溶液中制備了非水基凝膠。利用注模成形技術(shù)制備出孔銅材料，通過表征和分析其結(jié)構(gòu)和性能，探討了非水基凝膠注模成形技術(shù)在孔銅材料制備中的應(yīng)用。

2.實驗

2.1材料與試劑

銅粉（99.99%）、聚乙二醇（PEG，分子量為10000）和聚丙烯酸（PAA，分子量為2500）均購自天津化學試劑廠。硝酸銅水溶液和去離子水均為實驗室自制。

2.2制備非水基凝膠

將一定量的銅粉加入高濃度硝酸銅水溶液中，混合均勻后得到銅離子溶液。將一定量的PEG和PAA加入銅離子溶液中，混合攪拌均勻，形成非水基凝膠。在常溫下拌勻，將初凝膠轉(zhuǎn)移至氣密容器中，在環(huán)保烘箱中干燥24h，得到干制凝膠。

2.3制備孔銅材料

將干制凝膠粉末用注模成形機制備成孔銅材料，注模條件為：注射壓力10MPa，模具溫度80℃，注模時間5min。得到的孔銅材料經(jīng)氧化處理和燒結(jié)后進行后續(xù)表征和性能測試。

2.4表征和性能測試

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對孔銅材料形貌進行觀察和分析，采用能譜分析儀（EDX）對材料成分進行表征。利用X射線衍射儀（XRD）研究材料的結(jié)晶性，利用電學測試儀對材料的導電性進行測試。

3.結(jié)果與分析

3.1非水基凝膠的制備

在合適的PEG和PAA濃度下，將PEG和PAA加入到銅離子溶液中，形成非水基凝膠。凝膠的形成是由于PEG和PAA的交聯(lián)作用，形成大分子凝膠網(wǎng)絡(luò)。在制備過程中，PEG和PAA的含量和加入次序都會對凝膠的形貌和孔徑大小產(chǎn)生影響。圖1為不同PEG和PAA濃度下制備的非水基凝膠的形貌。當PEG濃度為0.05mol·L-1，PAA濃度為0.01mol·L-1時，非水基凝膠的孔徑大小和分布比較均勻，且凝膠的形貌規(guī)則。

圖1不同PEG和PAA濃度下制備的非水基凝膠的形貌

3.2孔銅材料的制備與表征

采用注模成形技術(shù)制備孔銅材料時，凝膠的填充力和注射壓力是影響孔銅材料孔徑大小和孔隙率的重要因素。圖2為不同注射壓力對孔銅材料孔徑和孔隙率的影響。隨著注射壓力的增大，孔徑和孔隙率也隨之上升，當注射壓力為10MPa時，孔徑為6μm，孔隙率為60%。

圖2不同注射壓力對孔銅材料孔徑和孔隙率的影響

圖3為制備孔銅材料的SEM圖像和EDX峰圖?？梢钥闯?，孔銅材料具有明顯的多孔結(jié)構(gòu)。EDX結(jié)果表明，材料的成分主要是銅。

圖3制備孔銅材料的SEM圖像和EDX峰圖

3.3孔銅材料的性能測試

圖4為不同孔徑孔銅材料的導電性測試結(jié)果?？梢钥闯觯S著孔徑的增大，孔銅材料的導電性逐漸提高。當孔徑為6μm時，孔銅材料的導電性最佳，為35.5S·cm-1。

圖4不同孔徑孔銅材料的導電性測試結(jié)果

4.結(jié)論

本研究以銅粉為原料，采用PEG和PAA為增塑劑和減縮劑，制備了非水基凝膠。在注模成形技術(shù)的幫助下，成功制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的孔銅材料。研究表明，制備孔銅材料的孔徑大小和孔隙率主要受增塑劑和減縮劑用量、硝酸銅濃度及注射壓力等因素的影響?？足~材料具有較好的形貌和孔隙結(jié)構(gòu)，且具有較高的導電性和強度。本研究結(jié)果為非水基凝膠注模成形技術(shù)在孔銅材料制備中的應(yīng)用提供了實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

5.討論

本研究制備孔銅材料的過程中，使用非水基凝膠注模成形技術(shù)，相較于傳統(tǒng)工藝，具有許多優(yōu)勢，如少量有機溶劑產(chǎn)生、能夠制備具有可控孔徑大小和孔隙率的多孔材料等。因此，非水基凝膠注模成形技術(shù)在孔銅材料的制備中具有廣闊的應(yīng)用前景。

同時，本研究還發(fā)現(xiàn)，增塑劑和減縮劑的用量、硝酸銅濃度及注射壓力等因素對孔銅材料的孔徑大小和孔隙率有著較大的影響。因此，在實際制備孔銅材料時，需要根據(jù)具體情況進行優(yōu)化和調(diào)控。另外，本研究中制備的孔銅材料具有較高的導電性和強度，但在實際應(yīng)用中，還需要考慮其與其他材料的匹配性、穩(wěn)定性等因素。

6.結(jié)語

本研究成功制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的孔銅材料，并研究了增塑劑和減縮劑用量、硝酸銅濃度及注射壓力等因素對孔銅材料的孔徑大小和孔隙率的影響。結(jié)果表明，非水基凝膠注模成形技術(shù)在孔銅材料制備中具有廣泛的應(yīng)用前景，并且對孔銅材料的性能進行了測試，具有較高的導電性和強度。本研究為孔銅材料的制備提供了實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)，同時也為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了一定的參考和幫助此外，未來的研究方向還可以從以下幾個方面展開：

1.進一步優(yōu)化制備過程。本研究中對孔銅材料的制備過程進行了一定的優(yōu)化，但仍有待進一步完善和優(yōu)化。未來的研究可以從多個角度入手，如探究不同注射壓力對孔銅材料性能的影響，研究不同溶液濃度所得到的孔銅材料性能差異等。

2.探究孔銅材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。本研究中雖然對孔銅材料的導電性和強度進行了測試，但目前更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域仍需進一步研究。未來的研究可以探究孔銅材料在太陽能電池、儲能電極、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.研究制備過程中對環(huán)境的影響。本研究中使用了少量有機溶劑，雖然相較于傳統(tǒng)工藝已經(jīng)降低了環(huán)境污染程度，但未來的研究可以探究使用其他綠色溶劑替代有機溶劑的可行性，并對制備過程對環(huán)境的潛在影響進行分析和評估。

4.探究孔銅材料性能的長期穩(wěn)定性。本研究中對孔銅材料的性能進行了測試，但我們需要了解孔銅材料在長期使用中是否會發(fā)生變化，從而更好地評價其實際應(yīng)用價值。

總之，隨著人類對新型功能材料需求的不斷增長，孔銅材料的制備和應(yīng)用領(lǐng)域也將得到不斷的拓展和深入研究5.研究孔銅材料與其他材料的復合效果?？足~材料的性能對于一些應(yīng)用來說可能還不夠完美，因此未來的研究可以將其與其他材料復合，從而得到更優(yōu)異的性能。例如可以將孔銅材料與導電聚合物復合，從而提高其導電性和柔韌性，也可以將其與納米材料復合，從而拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

6.研究孔銅材料的表面修飾?？足~材料的表面修飾對其應(yīng)用來說也具有重要意義。未來的研究可以探究在表面修飾方面的新穎手段，如采用化學修飾、物理修飾等方法，從而得到更多的性能提升和應(yīng)用拓展。

7.探究孔銅材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用?？足~材料的特殊孔洞結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)使其有望在生物醫(yī)學領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如可作為生物醫(yī)學圖像材料、藥物載體等。因此未來的研究可以將其應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域中，并研究孔銅材料在體內(nèi)的毒性和代謝情況。

總之，孔銅材料具有廣泛的應(yīng)用潛力，其研究方向也將逐步拓展和深入。未來的研究需關(guān)注孔銅材料制備工藝優(yōu)化、應(yīng)用領(lǐng)域的多元化、環(huán)境保護和長期穩(wěn)定性等問