聚苯胺纳米纤维在球状基体表面的形态构筑及其功能化研究

摘要

聚苯胺纳米纤维集导电高分子的特性与纳米材料的独特性于一身，在科学和技术上都已经引起了研究者们广泛的兴趣。虽然目前聚苯胺纳米纤维的合成已经能够被轻易实现，但如何实现其在大尺度上的形态控制，特别是如何将其均一地构筑到宏观基体表面上，对研究者们来说仍是一个挑战。本论文创新性地提出了一种简单且有效的一锅合成方法，即“竞争吸附-受限聚合”法，并利用该方法成功地将聚苯胺纳米纤维均一地构筑到微米级和毫米级的不同三维球状基体表面，进而对这种具有二级结构的材料进行了功能性研究。主要研究工作如下：
　　 (一)选用聚苯乙烯微球作为构筑聚苯胺纳米纤维的基体。通过优化分散聚合法的合成条件制得粒径为1.56μm的单分散聚苯乙烯微球，随后利用竞争吸附-受限聚合法在其表面修饰了聚苯胺纳米纤维，获得了一种微纳米的二级结构。探讨了影响聚苯胺在聚苯乙烯微球表面上形貌的相关因素，包括单体用量、反应温度、氧化剂滴加速度和阳离子表面活性剂的种类。采用红外光谱、紫外光谱和X射线衍射对聚苯乙烯/聚苯胺微纳米二级结构进行了表征。研究了聚苯乙烯/聚苯胺微纳米二级结构的导电性能和超疏水性能，为其进一步的实践应用提供了可能性。此外，通过研究包括各种反应物的作用、聚合反应的场所和跟踪聚合反应的历程，对竞争吸附-受限聚合法合成聚苯乙烯/聚苯胺微纳米二级结构的机理进行了详细的讨论和证明。
　　 (二)选用了另一种球状基体，即毫米级海藻酸钙凝胶球，然后在其表面构筑聚苯胺纳米纤维。探讨了苯胺单体用量和氧化剂滴定速度对聚苯胺纳米纤维形貌的影响。通过红外光谱和元素分析仪对表面修饰聚苯胺纳米纤维的毫米级海藻酸钙凝胶的化学组成和聚苯胺的含量进行了分析。将表面修饰聚苯胺纳米纤维的毫米级海藻酸钙凝胶应用于吸附溶液中铜离子和铅离子，并得到了良好的实验结果。考察了溶液pH值对该复合吸附剂吸附性能的影响，并对吸附动力学和吸附等温线进行了测定和数据拟合，研究了该复合吸附剂对Cu2+和Pb2+的解吸附性能，为该复合吸附剂的实际应用提供了可靠的理论依据和理论参考。为了进一步改善该复合吸附剂的吸附性能，本论文还合成了表面修饰聚苯胺纳米纤维的海藻酸钙凝胶微囊并考察了其对Cu2+和Pb2+吸附性能。表面修饰聚苯胺纳米纤维的海藻酸钙凝胶微囊的合成过程主要包括两个部分：第一部分是以聚苯乙烯微球为模版合成核壳结构的聚苯乙烯/海藻酸钙凝胶微球；第二部分是在该核壳结构的凝胶微球表面修饰聚苯胺纳米纤维，然后用有机溶剂洗脱做为模板的聚苯乙烯微球得到表面修饰聚苯胺纳米纤维的凝胶微囊。本论文还探明了聚苯胺纳米纤维有助于毫米级海藻酸钙凝胶机械强度的提高。