聚多巴胺纳米结构组装的研究及其应用探索

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1、学校代码：10255学号：1142031东华大学申请博士学位论文聚多巴胺纳米结构组装的研究及其应用探索STUDYONASSEMBLIESOFPOLYDOPAMINENANOSTRUCTUREANDTHEIRAPPLIEDEXPLORATION学科专业：材料学作者姓名：熊书强指导教师Ⅰ:于俊荣教授指导教师Ⅱ:王彦副教授答辩日期：2018年5月28日东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内

2、容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日聚多巴胺纳米结构组装的研究及其应用探索摘要基于贻贝仿生的聚多巴胺（PDA）是近年来发展起来的一种多功能聚合物材料。由于其独特的物理化学特性，PDA几乎可以在所有的材料表面形成稳定的涂层，加上其丰富的表面性质，使得PDA在聚合物复合材料、分离膜、生物医药、催化以及能源等领域具有广阔的应用潜力。然而到目前为止，大多数研究是将PDA作为

3、一种表面功能化涂层使用，构建除涂层外的PDA材料有望进一步拓展PDA在上述多个领域的应用前景。本学位论文围绕这一问题，运用简单便捷的合成手段成功制备了聚多巴胺纳米球、纳米管、介孔球及其与银纳米粒子的复合球，探索了这些组装体在聚合物复合材料、能源、催化等领域的应用。具体的研究内容和结果如下：（1）通过控制多巴胺的聚合速率合成了两种不同尺寸的聚多巴胺纳米球（PDAP），首次将PDAP作为填料加入到聚乙烯醇（PVA）中制备了功能性的PDAP/PVA纳米复合材料，研究了PDAP尺寸对复合材料性能的影响。结果发现，制得

4、的两种PDAP尺寸分别为1040nm和310nm。PDAP的添加大大提升了PVA基体的结晶性能，相应地，复合材料的机械性能明显增强。加入15wt%大尺寸的PDAP后，复合材料的结晶度由纯PVA的25%提高到45.4%，复合材料的模量和强度分别达1.77GPa和61MPa，相比于纯PVA分别提高了58.0%I和64.9%。TGA测试发现复合材料最快分解温度相比于纯PVA提高了40℃。紫外屏蔽性能测试表明PDAP的加入赋予了PVA良好的紫外屏蔽效果。另外，小尺寸的PDAP有着更佳的热稳定性和紫外屏蔽性能，其在复合

5、材料中的最佳加入量相对于大尺寸PDAP要低。（2）为了拓宽PDAP在非极性聚合物中的应用，将己内酯单体原位开环聚合到PDAP表面以增强其与非极性聚合物——聚己内酯（PCL）之间的相容性。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和元素分析（EA）测试分析了己内酯对PDAP投料比对PDAP表面接枝量的影响。随着己内酯对PDAP投料比的增加，PDAP表面接枝的PCL的3含量从20.0%提高到35.5%，表面接枝的PCL分子量从1.04×10提高3到16.88×10g/mol。分散性测试结果表明，改性后的PDAP（mPDAP

6、）能够很好地分散在四氢呋喃（THF）中。通过溶液共混的方法制备得到mPDAP/PCL复合材料，DSC测试发现复合材料的结晶度由纯PCL从49.3%提高到57.0%，表明mPDAP与PCL之间具有良好的相容性，复合材料的机械性能也相应提高，加入15wt%mPDAP的PCL基复合材料的模量和屈服强度分别较纯PCL增加了131.7%和31.3%。比较了相同加入量的未改性PDAP和mPDAP对复合材料性能的影响发现，mPDAP/PCL具有更好的结晶性能和力学性能。同时，研究证实了聚多巴胺材料的光热转化效应，通过近红外

7、光照射，复合材料的温度最高可达160℃，赋予了PCL这类材料优异的基于熔融-再结晶机理的自修复性能，mPDAP/PCL复合材料的断面经近红外光照射修复后，可以恢复到其初始的机械性能。II（3）通过模板法合成了聚多巴胺纳米管（PDANT），并制备了PDANT/PVA纳米复合材料。研究表明PDANT呈现明显的管状结构，可以通过控制多巴胺的聚合时间有效调节管壁的厚度，聚合时间从在1h延长到3h时PDANT的管壁厚度从40nm增长到80nm。复合膜内PDANT和PVA间具有强的氢键作用。加入PDANT后复合膜的结晶度

8、有较大提高，对PVA起到了较好的增强增韧作用，PDANT加入量为1wt%的PDANT-1wt%复合膜的拉伸强度、模量和韧性相比于纯的PVA提高了29.0%、95.3%和324%。此外，TGA、极限氧指数（LOI）和垂直燃烧实验表明复合材料具有很好的热稳定性及阻燃效果，相比于纯PVA，复合材料PDANT-2.5wt%的最快分解温度提升了约20℃。复合材料PDANT-2.5wt%的LOI达到了29.4，