基于金銀納米粒子取向的高分子復合薄膜的壓力敏感行為.pdf

1、近年來，具有局域表面等離子體共振行為的貴金屬納米粒子由于在光電子學、傳感、催化及光熱治療等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，受到了研究者們的廣泛關(guān)注。在傳感領(lǐng)域，基于局域表面等離子體共振現(xiàn)象可以檢測化學物質(zhì)和生物分子，但是基于該現(xiàn)象對壓力進行檢測的研究目前還處于起步階段；另外，目前傳感方面的應用只局限于利用局域表面等離子體共振行為隨介電環(huán)境、顆粒形貌以及組裝行為的變化，而其隨其他因素（如粒子取向）的變化尚未得到利用。本文基于貴金屬納米粒子的局域表

2、面等離子體共振隨取向的變化設(shè)計和制備了一種壓力敏感薄膜，利用共振峰比值變化率對該高分子復合薄膜的壓力敏感行為進行了評價，并對此壓力敏感行為進行了數(shù)值模擬。
　　首先利用離散偶極子近似方法模擬了棒狀和片狀貴金屬納米粒子在不同取向下的局域表面等離子體共振行為，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于貴金屬納米粒子取向變化的壓力敏感模型。貴金屬納米粒子/高分子復合薄膜受壓發(fā)生形變時會導致納米粒子從無序分布變到有序分布的狀態(tài)，進而會引起其共振峰比值發(fā)生

3、變化，從而可以利用該比值的變化測量壓力的大小。
　　利用種子生長法和熱注入法合成了一系列用于構(gòu)建壓力敏感薄膜的貴金屬納米粒子，包括Au納米棒、Ag納米片、Ag@Au復合納米片以及Au納米顆粒。通過種子生長工藝獲得了不同長徑比的Au納米棒，其長徑比為2.06、2.31和2.60，其縱向共振峰分別位于651nm、688nm和726nm。Ag納米片為三角片狀，邊長和厚度分別為135nm和15nm，其面內(nèi)偶極共振峰位于793nm。Ag@A

4、u復合納米片的Au殼層厚度分別為3nm、4nm和13nm，其面內(nèi)偶極共振峰分別位于758nm、786nm和819nm。采用流延法制備了壓力敏感的Au納米棒/PVA復合薄膜和Ag@Au復合納米片/PVP復合薄膜。不同的貴金屬納米粒子在薄膜中分散良好，其局域表面等離子體共振峰由于周圍介質(zhì)折射率的升高均發(fā)生了一定的紅移。
　　通過分析貴金屬納米粒子/高分子復合薄膜在受壓時消光光譜的變化，探討了如何利用此變化來表征壓力的大小，對不同種類的

5、共振峰峰強的選取方法給出了定義，并進一步定義了共振峰強比值變化率。研究了壓力大小、施壓時間、納米粒子形貌參數(shù)和薄膜中的PEG含量等因素對基于貴金屬納米粒子取向變化的高分子復合薄膜的壓力敏感行為進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)共振峰強比值變化率與外加應力的強度和作用時間有關(guān)，說明可以利用高分子形變流動引起的貴金屬納米粒子取向的變化來構(gòu)建壓力敏感薄膜，用來測量薄膜所受的靜態(tài)壓力。Au納米棒/高分子復合薄膜和Ag@Au復合納米片/高分子復合薄膜的測量范圍

6、分別為6.93~27.72MPa和13.86~55.44MPa，精度均為8％左右。該類壓力敏感薄膜的應力敏感性可以通過改變復合薄膜中塑性劑PEG的含量以及納米粒子的長徑比進行調(diào)節(jié)，用來表征壓力的共振峰比值變化率會隨著PEG含量的升高或Au納米棒長徑比的增加逐漸增大。
　　從薄膜的受力分析出發(fā)可知高分子薄膜形變過程中存在的流場類型為簡單平面拉伸流場，進而通過棒狀粒子（或片狀粒子）在流體中取向變化的理論推導出了粒子取向變化的表達式，發(fā)

7、現(xiàn)粒子取向的變化與高分子的形變量以及粒子的長徑比有關(guān)。通過結(jié)合貴金屬納米粒子共振峰峰強的表達式、納米粒子在不同形變量條件下的取向變化以及共振峰比值變化率隨壓力和時間變化的試驗結(jié)果，得出了復合薄膜形變量隨壓力和時間變化的關(guān)系。利用Burgers模型對形變量的變化進行擬合，得到了高分子復合薄膜的形變量表達式，進而得到了共振峰比值變化率隨壓力和時間變化的模擬結(jié)果。本文提出的預測模型可以較好地模擬出共振峰比值變化率隨壓力和時間的變化，除時間較短