导电聚苯胺基新型环境刺激响性材料的设计、制备与表征

【摘要】： 导电聚合物,如聚苯胺,聚吡咯和聚噻吩等已被广泛作为光学,电化学和导电等性能的有效器件材料。聚苯胺作为一种特殊的导电聚合物,因其简单的制备工艺、低的造价、高导电率、良好的环境稳定性和可逆的掺杂化学特征,以及在合适的溶剂中良好的溶解度,刚性的骨干和独特的pH切换功能,已得到了人们广泛的重视。本论文主要是利用聚苯胺独特的电学性质和独特的pH切换功能,设计与合成具有新颖的环境刺激响应性的功能化材料为目的。 聚苯胺独特的导电性主要取决于导电载流子沿着聚合物链传递和在链间跃迁的能力。利用这一性质构筑了一种新型的不同掺杂态聚苯胺导电薄膜,研究了其在四氢呋喃溶剂蒸气诱导下的电响应行为,并且探讨了聚苯胺导电载流子与溶剂蒸气分子之间的相互作用对电响应行为的影响。在不同pH环境中的质子化-去质子化性质,即pH刺激响应性是我们实验中发现的聚苯胺的又一重要特性,由此可用做人造肌肉与药物释放的载体材料,这是近年来备受重视的研究热点课题.在这一部分,我门利用聚苯胺刚性的骨干和独特的pH切换功能,探讨了聚苯胺作为互穿组分引入到传统的凝胶体系中时,对水凝胶在不同pH值环境下的膨胀性能和力学性能产生的明显影响。 本论文研究工作主要包括两个方面: 首先通过化学氧化聚合方法,分别合成了盐酸(HCl)和十二烷基苯磺酸钠-盐酸(SDBS-HCl)掺杂的聚苯胺导电薄膜,研究了他们在四氢呋喃(IHF)有毒气体检测中的应用。傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)和紫外可见吸收光谱仪(UV-vis)分析表明,由于盐酸或SDBS的掺杂,聚苯胺的特征吸收峰发生红移,并出现新的紫外吸收峰,这说明聚苯胺的物理化学性质发生变化,导致了其导电性按下列顺序增加:PANI＜PANI-HCl＜PANI-SDBS-HCl。依据这些材料在THF饱和蒸气的诱导下导电性的变化,探讨了这些材料对THF响应行为,并通过紫外吸收光谱变化对其蒸气敏感行为变化的内在本质进行了分析。实验结果表明,相比盐酸搀杂的聚苯胺,SDBS-HCl掺杂聚苯胺薄膜对于检测四氢呋喃饱和蒸气是一个很好的传感材料,显示出较高的灵敏度,更好的可逆性和线性,以及快速的响应时间。在聚苯胺薄膜暴露于THF中,导电行为的变化可能与质子化-去质子化以及基体膨胀效应相关。因此,SDBS-HCl掺杂聚苯胺薄膜潜在地可用作检测四氢呋喃气体的一种传感器。 第二部分:设计合成了一种以聚苯胺为互穿组分(PANI),在甲基丙烯酸-丙烯酰胺共聚网P(AAm-co-MAA)基础上的半互穿网络杂合水凝胶。这种杂合水凝胶材料具有高的水溶胀性,pH敏感性及改善的机械性能。其合成工作以N,N-亚甲基双丙烯酰(BIS)为交联剂,过硫酸铵(APS)为引发剂,在聚苯胺(PANI)/羧基化的多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)存在下进行甲基丙烯酸-丙烯酰胺的自由基交联聚合反应来实现。利用红外光谱分析仪、环境扫描电镜、动态粘弹谱仪对制备的水凝胶的结构、形态和机械性能进行了分析。研究表明,P(AAm-co-MAA)共聚水凝胶表现出高的膨胀比,PH敏感性和优越的力学性能。当将PANI和MWNTs-COOH被引入到P(AAm-co-MAA)网络中后得到的P(AAm-co-MAA)/PANI/MWCNT-COOH半互穿网络杂合水凝胶则获得更高的PH敏感性,良好的膨胀可逆性,更高的最大耐压力和良好的形变恢复能力。杂合水凝胶在低PH值缓冲溶液中比在高PH值缓冲溶液中拥有更高的弹力。这些优越的性能通过网络链之间氢键的形成与破坏;-COO~-离子间静电排斥力的形成、减弱或消失以及PANI链间的极子-极子相互作用的观点进行了分析。这些水凝胶可潜在地作为生物医学材料用于人造肌肉和药物释放的载体材料,同时也为利用电行为调控这类材料的生物应用奠定下了基础。