层层组装聚电解质多层膜的刺激响应性研究

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智能高分子是一类当受到外界环境的物理,化学或是生物信号刺激时,某些物理或化学性质会发生响应改变的聚合物材料。其中,智能高分子膜材料赋予材料可随环境改变的特有光学,生物学,化学,机械性质比如,选择性的渗透或者阻碍离子的传输。静电层层自组装技术可以简单、快速地构筑高分子薄膜,并灵活、有效地赋予薄膜多功能性。如何使这种简便易得的多功能化薄膜能够“感知”环境刺激,对之进行分析、判断并采取一定的措施进行适度响应,产生相应性质的变化是对智能材料领域的重要研究方向之一。本论文借助典型的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)/聚对苯乙烯磺酸钠(PSS)多层膜体系,金属/高分子复合膜体系等,研究了层层组装过程中和组装后的多层膜对不同刺激类型的响应性。从体系特点出发,着力于探索多层膜在受到刺激时结构与性质变化的因果联系,开展了系列工作。论文的主要内容分为以下四部分:  (1)第一章我们探索了浸泡时间,温度,盐浓度,组装层数对多层膜表面形貌的影响,并对组装过程的机理做出了有力的推测。我们发现组装过程中浸泡时间,温度,盐浓度,组装层数这些因素可以使表面可呈现四种不同形貌:光滑的类似小球状平面,蠕虫状,褶皱状,光滑的宽带状。表面的形貌的变化也反应了内部结构与组装动力学行为的不同。我们制备了四种不同的薄膜:低盐浓度下组装;低盐浓度下组装五个双层接着增加组装溶液中的盐浓度继续组装;高盐浓度下组装;高盐浓度下组装五个双层接着降低组装溶液中的盐浓度继续组装。通过对比不同薄膜的单层沉积量以及不同条件下薄膜形貌的,可证实链构象对扩散影响巨大,链构象越卷曲,扩散越快。多层膜表面形貌的不同必定对其润湿性,光学性质等产生很大影响。  (2)多层膜内所含抗衡离子的种类与数量对其结构和性质有很大影响。在第二章工作中,我们制备了五个双层的PDDA/PSS多层膜,将其置于QCM-D样品池内,使膜表面接触不同价态硝酸盐溶液,并探索硝酸盐溶液的价态对膜结构的影响。我们发现薄膜内的一价抗衡离子Na+可以与外界溶液中的二价抗衡离子Cu2+严格按照2∶1的比例快速可逆地交换。引入二价抗衡离子后,膜内PSS链发生静电交联导致链构象卷曲,进而带动整个膜的塌缩,膜厚显著降低。膜层数增加,交联效应更加明显。选用多种二价离子如Mg2+,Ca2+,Sr2+,Ba2+,Zn2+做相同实验,得到同意的结果,这表明多层膜对二价离子的响应具有普适性。  (3)负载贵金属纳米颗粒的聚电解质多层膜具有一系列的特殊的光性质,这些性质与其包埋的纳米颗粒的尺寸、形状有着密不可分的关系。这一章,我们主要研究了以银纳米颗粒为探针分析研究复合薄膜对外界环境和内部环境的改变产生的变化。多层膜内的纳米银颗粒会随着外界环境温度和湿度的增加而变大,也会随着薄膜内部盐浓度的增加而变大。其变化的动力学过程符合一级反应动力学关系。这告诉我们干态的聚电解质多层膜在适合的环境下内部链的运动可以得到加强,因而想要获得功能稳定的复合膜,需要尽量将其保持在干燥、低温的环境中。  (4)我们在多种材料的基底上以一种新型的侧链带二茂钴基团的氧化还原性高分子与传统高分子PSS进行交替浸泡组装,发现薄膜可以快速稳定生成,并且在多种盐浓度下,组装量成线性增长。对多层膜做循环伏安测试,发现多层膜的电化学性质与该高分子在电解质溶液中的电化学信号一致。对该膜施加温和的电位,不到3分钟内38nm厚的膜即可100%解组装。通过控制电位施加时间,可以精确地定量控制解组装的量。利用该多层膜快速完全解组装的性质我们将其组装在原本无电化学响应性的传统PDDA/PSS膜底部,给予合适的电位,该复合多层膜也快速从基地脱落。因而这类电化学响应性的多层膜可以用作电开关赋予无电化学活性的材料电刺激响应性。如果上层的膜足够厚,还有望通过该方法快速简便地得到自支持膜。  这些工作表明,静电层层组装多层膜可以对外界或内部很多刺激因素产生响应。膜内聚电解质构象,结构,带电量的改变是导致响应产生的本质因素。
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