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微结构聚合物光纤的修饰技术及其应用基础研究

李冬冬  
【摘要】:微结构聚合物光纤(Microstructured polymer optical fiber,简称MPOF)以其贯穿整根光纤的周期排列的微孔阵列结构,较高的光学透过性,耐酸碱的稳定的化学特性,以及质轻柔韧,成本低的特点,逐渐成为了人们关注的热点,并以此为基础展开了多方面,多领域的研究工作。本学位论文的研究工作是在MPOF的基础上展开的,主要包括:MPOF预制棒的制作及拉伸工艺研究,功能化MPOF修饰方法研究,以及其在化学传感领域、太阳光催化降解流体有机污染物领域的应用基础研究。 本学位论文分为八章,具体所包括的内容如下: 第一章,首先介绍微结构光纤(Microstructure Optical Fiber,MOF)的发展历史及其发展现状、光纤化学传感技术概述以及MOF在光纤化学/生物传感领域的研究发展状况、二氧化钛光催化反应器的发展概况,然后以这些现有研究为基础,提出本论文立题的目的和重要意义。 第二章,总结了目前国际国内制备MOF预制棒常用的几种方法:钻孔法、堆积法、化学单体聚合法等,分析比较了几类方法各自所存在的优缺点。针对现有几种方法中所存在的问题,我们提出了采用本课题组独创的挤出-成型法制造本研究所需的结构化多孔道光学材料。这种方法实现了MOF预制棒的一体化挤出,耗时较短,适合于规模化生产。我们应用这种技术分别制备了18孔和36孔的MPOF预制棒以及547孔六方阵列的MPOF预制棒。然后,采用分区加热的方式分别对其进行拉伸,从而制备成18孔和36孔的MPOF用于化学传感方面应用基础研究,以及547孔MPOF二次预制棒用于光催化降解有机污染物方面的应用基础研究。 第三章,以罗丹明6G为指示剂,采用物理包埋的方式将其固定于醋酸纤维素中,并以负压吸入方式在18孔的MPOF的孔道内壁负载成膜,从而制成用于亚硝酸根测定的MPOF传感探头。实验结果显示,在一定浓度的硫酸溶液中,MPOF传感探头对不同浓度的亚硝酸根有不同的响应,并且在一定的亚硝酸根浓度范围成线性关系。 第四章,采用文献报道的方法首先对36孔的MPOF孔道内壁进行酸催化水解处理,随后以化学键合的方式将荧光探针曙红通过偶联剂负载于MPOF孔道内壁,从而制成用于pH值测定的传感探头。pH值在2.0-4.4范围内与荧光强度呈线性关系,该传感探头具有良好的可逆性,并且采用此修饰方法制备的MPOF传感探头对于荧光探针的固定性比较好,无明显泄漏。 第五章,将溶胶-凝胶(gel)传感膜技术与MPOF特殊结构结合,以36孔的MPOF光纤作为支持和传导介质,将敏感物质罗丹明6G掺杂到二氧化钛凝胶薄膜中,并对MPOF的空气孔洞内壁进行了修饰并形成敏感膜,从而制成用于过氧化氢测定的传感探头。二氧化钛凝胶薄膜的折射率约为1.9,则同时高于PMMA的折射率(1.49)和水溶液的折射率(1.33)。所以基于薄膜波导的光学原理,R6G-TiO_2-MPOF传感探头可以看作是一个光学薄膜波导阵列。实验发现,在一定浓度的酸性碘化钾溶液中,修饰过的MPOF探头对不同浓度的H_2O_2有不同的响应,且在一定的浓度范围内呈线性关系,我们对传感探头的一些特性作了进一步的研究,优化了实验条件,并将其应用于实际样品的测定。 第六章,首次以二氧化钛(TiO_2)纳米材料修饰的547孔MPOF二次预制棒作为阵列化微管式光催化反应器对亚甲基兰的光催化分解进行研究。将高光催化活性的P25型二氧化钛纳米粒子均匀分散在TiO_2溶胶中,对547孔MPOF孔洞内壁进行铺膜,得到了负载光催化剂的阵列化微管材料。该TiO_2/MPOF有序复合的阵列化微管不仅对二氧化钛纳米粒子起到负载作用,还可以作为光波导介质、污染物反应流体通道。以有机染料亚甲基兰为模拟污染物,研究了TiO_2负载量、亚甲基兰的初始浓度及溶液pH值等因素对光降解效果的影响。该反应器547个孔道的内表面用于负载光催化剂,不仅增加了固-液接触面积,也提高了光的吸收效率,因而提高了光催化效率。迄今为止,如此数目之多的整体式毛细管孔道阵列结构的光催化反应器还未被报道。 第七章,基于547孔MPOF二次预制棒,并结合微波辐射的加热处理方式制备了具有一定光催化活性的TiO_2/MPOF有序复合的阵列化微管结构的光催化有机废水降解反应器的雏形。同时加入强氧化剂H_2O_2来协同TiO_2用于光催化分解有机染料的多相协同光催化反应。以有机染料罗丹明B为目标降解物,研究了罗丹明B的初始浓度及过氧化氢的浓度等因素对光降解效果的影响,对该反应器的光催化能力进行了验证。 第八章,对攻读博士期间的研究工作进行了总结。


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