导电高分子/偶氮聚电解质多层膜和微尺度结构研究

论文摘要

导电高分子具有很多独特的电学和光学性能,是一类十分重要的功能高分子材料。偶氮聚合物具有独特的光响应性和潜在的应用前景。制备同时包含这两种聚合物的分子复合材料和相关的纳/微米结构,系统研究其功能性是本论文研究的重点。本论文对有关分子复合材料的制备方法、纳/微米结构控制、电化学活性和光响应性能等进行了深入研究,取得了如下的创新性成果。通过静电逐层吸附方法,制备了聚苯胺分别和四种偶氮聚电解质（PPAPE、PNACN、PNANT和PNATZ）的自组装多层膜。通过改变溶液的浓度和pH等,薄膜的层厚和内部结构可以得到精确控制。这类自组装多层膜具有多种电活性和光响应性,特别是具有丰富的电致变色功能性。通过改变偶氮聚电解质的种类和层数,自组装多层膜可表现出不同的电致颜色变化。建立了一种结合电化学聚合和静电逐层自组装制备多层膜的新方法。该方法利用电化学沉积制备导电高分子层,利用静电吸附引入聚电解质层。通过对不同类型的导电高分子（PANI、PPY和PEDOT）和聚电解质（PNACN、PNANT、PEDOT:PSS）以及羧化MWNT等体系的研究,证明了该方法具有很好的普适性,具备成膜快、薄膜增长可控等优点。该方法是一种制备偶氮聚电解质和不溶性导电高分子复合多层膜的有效新途径。利用模板电化学聚合、模板静电逐层自组装和软刻技术等,成功制备了导电高分子（PEDOT）的有序多孔介孔薄膜、超支化大分子重氮盐/聚（3-乙酸噻吩）的中空微囊泡,聚苯胺的表面起伏光栅等。系统研究了聚苯胺光栅在不同酸掺杂和电化学氧化还原电位条件下的光栅衍射效率变化规律,利用Lorentz振子模型从理论上解释了不同酸掺杂程度对光栅衍射效率的影响规律。论文还探索了偶氮聚电解质（PPAPE）和具有生物催化活性的β-葡萄糖苷酶（GLS）的模板静电逐层自组装。通过在聚苯乙烯胶体球表面的交替吸附,得到了固定化GLS的多层膜。对比游离酶,这种固定化酶在不同pH和温度环境下的酶活稳定性较高。研究了紫外光照对PPAPE/GLS复合膜的催化活性的影响,发现光照会引起PPAPE固定化酶活性小幅度下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 本章引论
• 1.2 自组装多层膜和纳/微米结构的制备方法
• 1.2.1 静电逐层自组装
• 1.2.2 软刻技术
• 1.2.3 导电高分子的电化学聚合及其纳/微米结构的制备
• 1.3 导电高分子的静电逐层自组装
• 1.3.1 聚苯胺（PANI） 类导电高分子
• 1.3.2 聚噻吩（PTH） 和聚吡咯（PPY） 类导电高分子
• 1.3.3 聚对苯乙烯（PPV） 类导电高分子
• 1.4 偶氮聚电解质的静电逐层自组装
• 1.4.1 偶氮生色团和偶氮聚合物
• 1.4.2 偶氮聚电解质自组装膜制备和功能性
• 1.5 本论文研究的目的和意义
• 1.6 论文的研究内容和章节
• 第2章 聚苯胺和偶氮聚电解质的静电逐层自组装研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要原料及试剂
• 2.2.2 聚苯胺和偶氮聚电解质的合成
• 2.2.3 聚苯胺和偶氮聚电解质溶液的配制
• 2.2.4 基材的处理
• 2.2.5 聚苯胺和偶氮聚电解质的静电逐层自组装方法
• 2.2.6 光致取向和光致表面起伏光栅研究
• 2.2.7 测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 聚苯胺和偶氮聚电解质的静电逐层自组装行为及影响因素
• 2.3.2 聚苯胺和PNACN 自组装膜的形貌
• 2.3.3 聚苯胺和PNACN 自组装膜的循环伏安性能
• 2.3.4 聚苯胺自组装膜的电导率
• 2.3.5 聚苯胺和偶氮聚电解质自组装膜的光响应性能
• 2.3.6 聚苯胺和偶氮聚电解质自组装膜的电致变色性能
• 2.3.7 聚苯胺和偶氮聚电解质自组装膜的纳米机械性能
• 2.4 本章小结
• 第3章 利用电化学聚合和静电吸附制备自组装多层膜研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要原料及试剂
• 3.2.2 苯胺、吡咯和3,4-乙撑二氧噻吩的电化学聚合
• 3.2.3 聚电解质溶液的配置
• 3.2.4 电化学聚合制备的导电高分子和聚电解质的静电吸附自组装
• 3.2.5 测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 电化学聚合制备的聚苯胺和PNACN 的静电吸附自组装研究
• 3.3.2 电化学聚合制备的聚苯胺和PNACN 的静电吸附自组装改进
• 3.3.3 电化学聚合制备的聚苯胺和PNANT 的静电吸附自组装
• 3.3.4 电化学聚合制备的聚苯胺和羧化碳纳米管的静电吸附自组装
• 3.3.5 电化学聚合制备的聚苯胺和PEDOT:PSS 的静电吸附自组装
• 3.3.6 电化学聚合制备的聚吡咯和PNACN 的静电吸附自组装
• 3.3.7 电化学聚合制备的PEDOT 和PNACN 的静电吸附自组装
• 3.4 本章小结
• 第4章 以聚苯乙烯胶体球为模板的纳/微米结构制备研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要原料及试剂
• 4.2.2 3,4-乙撑二氧噻吩在三氟化硼乙醚（BFEE） 中的电化学聚合
• 4.2.3 聚苯乙烯胶体球的合成
• 4.2.4 聚苯乙烯胶体球在电极表面的垂直沉积
• 4.2.5 超支化大分子重氮盐（HB-DAS）和聚（3-乙酸噻吩）（PTAA）的合成
• 4.2.6 模板静电逐层自组装
• 4.2.7 测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 利用模板电化学聚合制备PEDOT 有序多孔膜
• 4.3.2 HB-DAS 和PTAA 多层膜囊泡制备和表征
• 4.4 本章小结
• 第5章 聚苯胺表面起伏光栅制备及其衍射性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要原料及试剂
• 5.2.2 偶氮聚合物PNACN 表面起伏光栅母版的制作
• 5.2.3 PDMS 软印章的制备
• 5.2.4 聚苯胺光栅的软印刷制备
• 5.2.5 PDMS 印章表面的静电逐层自组装膜的转移
• 5.2.6 测试与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 以光刻掩膜为母版的聚苯胺光栅结构制备
• 5.3.2 以偶氮聚合物表面起伏光栅为母版的聚苯胺光栅结构制备
• 5.3.3 转移PDMS 软印章表面静电逐层自组装膜的逐步尝试
• 5.4 本章小结
• 第6章 偶氮聚电解质和酶的静电逐层自组装研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 主要原料及试剂
• 6.2.2 在聚苯乙烯胶体球表面固定GLS
• 6.2.3 酶活的测定
• 6.2.4 测试与表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 利用PDAC 在聚苯乙烯胶体球表面固定GLS
• 6.3.2 利用PPAPE 在聚苯乙烯胶体球表面固定GLS
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果