聚吡咯及其复合材料的制备及性能研究

发布时间：2017-12-19 06:03

  本文关键词：聚吡咯及其复合材料的制备及性能研究

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【摘要】：导电聚吡咯(PPy)由于其导电性高、生物相容性好、环境和热稳定性优良、合成方法简单等特性,普遍应用在储能设备(锂离子电池和超级电容器)、吸附材料、化学传感器、生物传感器、压力传感器、各种生物医学器件、生物材料、防腐剂涂层等领域。通常,电化学和使用化学氧化剂是制备聚吡咯最主要的方法。虽然这两种方法各有优势,但是在实际的合成和应用过程中还存在一些不足。较突出的几个问题是电化学制备效率太低,且容易产生低分子量的聚合物;化学法制备聚吡咯的产率和电导率也受多种因素的影响;与其他材料复合也存在一定困难。针对这些不足,对聚吡咯合成方法的改进已成为目前国内外研究的热点问题。本论文一方面研究改进和开发制备聚吡咯的新方法,另一方面通过合理的设计合成路线制备聚吡咯复合材料。全文以聚吡咯的合成为研究主线,通过使用不同的氧化剂,制备出形貌各异且性能优良的聚吡咯及其复合材料,并根据不同的形貌研究其在不同领域中的应用。本论文的主要研究内容及成果如下:一、以γ射线辐射空气饱和的酸性水溶液产生的·OH和H202为引发剂引发溶解的吡咯(Py)单体聚合,制备单分散聚吡咯纳米粒子。制备的PPy纳米粒子显示出显著的NIR(808 nm)光热转化效率(40.1%)。MTT测定和荧光染色测定表明,PPy纳米粒子本身的生物毒性很低。体外和体内细胞实验表明,制备的PPy纳米粒子表现出足够强的NIR光热效应,能够有效地消融肿瘤细胞。本工作提供了一种绿色和方便的PPy纳米粒子的合成路径,具有成为高效癌症治疗光热剂的潜在可能性。二、以过硫酸铵为引发剂,在通过乳液聚合合成的单分散聚苯乙烯(PS)微球的模板上原位合成PPy壳层,随后将PS模板刻蚀掉,从而制备单分散的树莓型中空结构聚吡咯微球(H-PPy)。当用NIR激光(808 nm)照射H-PPy微球水分散液时,体系显示出显著的光热转化效应,并且还具有优异的光稳定性。喜树碱(CPT)可以通过简单的分散-渗透方法负载到H-PPy微球的中空腔内,其负载效率为0.14 mg/(mg H-PPy)。MTT测定和和荧光染色测定表明,纯H-PPy微球具有良好的生物安全性。在H-PPy微球中负载的CPT可以在NIR激光照射下实现显著的、可控的释放,并且H-PPy的光热消融效应和负载的CPT的化学消融效应达到了协同杀死HeLa细胞的效果。药物负载能力强、NIR光热效率高以及合成过程简便,使得树莓型中空H-PPy微球可望成为有效的癌症治疗剂并得到应用。三、以GO为引发剂,在异丙醇水溶液(10%)中,实现GO和Py之间发生氧化还原反应,合成rGO/PPy复合凝胶。在反应过程中,Py单体充当GO还原的还原剂,GO充当吡咯聚合的氧化剂。复合凝胶的形成,归因于亲水的GO还原成疏水的rGO所造成的亲-疏水性转变形成的自组装,以及PPy和rGO之间的π-π强相互作用。rGO/PPy复合凝胶表现出比电容高、倍率性能好和循环稳定性出色等优异的电化学性能。该方法制备的水凝胶材料可用于超级电容器,并为制备聚吡咯复合凝胶材料提供了一种新的方法。四、以KMnO4氧化MnCO3,得到yolk-shell型MnO2为模板和引发剂制备了 yolk-shell型MnO2@PPy复合微球。不仅聚吡咯的引入提高了材料的导电性,而且这种独特的yolk-shell型结构还可以有效地缓和体积膨胀-收缩所造成的内应力,保护电极免受高速充放电过程中的物理损坏。电化学测试结果表明该yolk-shell 型 MnO2@PPy 复合微球具有比电容高、倍率性能好和循环稳定性出色等优异的电化学性能。该方法制备的电极材料为制备结构稳定性,循环稳定性的超级电容器提供了一种新方法。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O633.5;TB33

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本文编号：1307129