基本信息
- 项目名称：
- 导电导磁双功能复合微球及中空微球的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 采用具有核-壳结构的磺化聚苯乙烯模板微球制备了Fe3O4-PANI/PS导电导磁多功能复合微球及其相应的中空微球，所制备的磁性中空微球表现出了超顺磁行为。导电导磁多功能微球与中空微球在药物可控释放、电磁材料、水处理、催化、人造细胞、轻质填料、光子晶体、生物物质分离等领域具有重要的应用价值。
- 详细介绍：
- 采用模板法制备粒径均一的核壳结构Fe3O4-PANI－PS复合微球及其衍生的中空微球。复合微球的壳层是具有导电性的聚苯胺和磁性Fe3O4，调节聚苯胺或Fe3O4的含量可以调节复合微球或中空微球的导电性或磁性。此外，通过模板微球的自组装可以获得排列有序的复合微球或中空微球，这是其它制备方法难以达到的。 制备过程中，微球空腔大小和壳厚度可通过控制聚苯乙烯模板磺化时间来同步控制。当时间减至1小时时微球壳厚度是20 nm，增至4小时时厚度为86 nm。更重要的是，在无需添加另外的掺杂剂的情况下便可将可导电的聚苯胺复合上去，使复合微球表现出了良好的导电性，所制备的磁性中空微球表现出了超顺磁行为。这样的特性正好为所制备微球及其空腔的应用提供了可能性。此外，通过自组装成功制备了有序排列的微球。 这种模板制备法简单又有效，还可以拓展到制备其他具有各种各样成分的复合中空微球，扩大应用空间。导电导磁多功能微球与中空微球在很多领域都有可能应用，特别是在电学、可控传输和微波吸收方面具有广阔的应用前景。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- (1) 目的:采用模板法制备具有导电导磁多功能的、有机-无机杂化的复合微球及其衍生的中空微球，并对其应用进行初步探索。 (2) 思路：基于磺化聚苯乙烯微球磺化层的亲水性，壳层可以根据需要选择磁性组分，磺酸根能现场掺杂聚苯胺，从而合成具有导电导磁功能的复合微球；进一步采用溶剂抽提或煅烧除核，得到相应的中空微球。
科学性、先进性及独特之处
- （1）制备过程中，微球空腔大小和壳厚度可通过控制聚苯乙烯模板磺化时间来同步控制。 （2）在无需添加另外的掺杂剂的情况下便可将可导电的聚苯胺复合上去，所制备的微球同时具有导电和导磁双功能。 （3）该方法制备的复合/中空微球可以通过自组装形成有序的光子晶体结构。
应用价值和现实意义
- （1）聚苯胺是导电高分子领域最具应用价值的品种，兼有金属的导电性和塑料的可加工性，可广泛应用于电子学、船舶工业、石油化工、国防等诸多领域。 （2）顺磁性的四氧化三铁纳米颗粒，在水处理、催化剂和磁流体等方面显示出了很多特殊功能。 （3）该类微球具有极大的表面积，易于吸附污染物，在水处理中具有很高的应用价值。在处理海水时，浊度去除率达到95%以上。
学术论文摘要
- 本文系统地开展了导电导磁Fe3O4-聚苯胺（PANI）复合微球的制备、表征及应用前景等方面的研究工作，内容涉及磺化聚苯乙烯模板微球、聚苯胺/聚苯乙烯复合微球、导电导磁Fe3O4-PANI/PS复合微球、中空微球的制备和产品表征及性能测试。首先采用模板法制备出了以Fe3O4-PANI为壳，聚苯乙烯（PS）为核的核壳结构多功能复合微球。然后对该复合微球采用溶剂抽提溶解去除PS核得到Fe3O4-PANI导电导磁双功能中空复合微球，采用煅烧法去除PANI和PS成分，得到磁性Fe3O4无机物中空微球。中空微球空腔尺寸大小一致，约为190 nm，壳层厚度约30 nm。通过控制PS模板微球的磺化时间来同步控制微球空腔大小和微球壳层厚度。当磺化时间控制在1-4小时，得到的微球的壳厚度范围在20-86 nm。根据模板微球的有序自组装可以相应得到有序多功能复合微球及其中空微球。最后采用扫描电子显微镜，透射电子显微镜，傅里叶红外光谱和多晶X射线衍射对所制得的微球进行了表征。由于聚苯胺掺杂硫酸而具有良好的导电性，Fe3O4-PANI/PS复合微球和中空Fe3O4微球都显示出超顺磁性。该系列复合/中空微球在药物可控释放、水处理、催化、人造细胞、轻质填料、光子晶体、生物物质分离等方面具有重要的应用价值。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 王锐，訾学红，刘立成，戴洪兴，何洪. 核壳结构双金属纳米粒子的研究与应用，化学进展 2010年 Z1期 31-36. [2] 李群艳，娄载亮，王志宏，解林艳，韦奇，聂祚仁. 单分散α-Fe2O3纳米结构空心亚微球的制备及表征，高等学校化学学报 2010年 06期 1098-1102. [3] Caruso F. Hollow capsule processing through colloidal templating and self-assembly. Chem Eur J (2000) 6:413–419. [4] 皮科武. 磁效应在水处理中的应用研究. 环境科学与技术, (2003) 26 ( S1): 66-70. [5] 贾亮, 李真, 贾绍义. 磁化技术在工业水处理中的应用. 化学工业与工程, (2006) 23: 55-59.
同类课题研究水平概述
- 核壳结构的粒子和中空微球在催化、光学、电学、药物传输、生物传感等方面具有重要的应用前景。胶体粒子层层组装法被证明是制备尺寸均一的核壳微粒和中空微球的最有效的方法。越来越多的兴趣聚焦在核壳粒子的制备和研究中，主要是因为这些微粒具有新的、可以相互组合而加强的性能，比如导电性、磁性、力学性能、催化和光学性能等与此同时，多功能的微米或纳米级导电聚合物是材料科学重要的研究领域。导电聚合物因为具有良好的电学特性（从绝缘体到金属的可调导电性能）、力学性能和聚合物可加工优点而得到了科学界特别的关注。在导电聚合物中，聚苯胺因其特殊的质子酸掺杂性、良好的氧化还原性和环境稳定性、较高的掺杂导电率、易于大量生产和成本相对低廉，而引起了广泛的关注，被认为是最有实际商业应用前景的导电高分子之一。而另一方面，磁性纳米粒子在电学、光电子学、自旋电子学装置领域的应用也吸引了越来越多的关注。 通过将导电聚合物和磁性纳米粒子的复合可得到带有磁性的导电聚合物。BZ Tang等人合成了具有高的导电性和磁性能的γ-Fe2O3-聚苯胺纳米膜。万梅香等人在含有FeCl3和FeCl2的溶液中合成聚苯胺，然后将反应液倒入NaOH溶液中，合成出Fe3O4-聚苯胺复合物。Y Peng 等人通过原位聚合的方法，合成了Fe3O4-聚苯胺核壳结构纳米粒子，聚苯胺在Fe3O4纳米粒子表面均匀包覆。 尽管许多研究者采用纳米磁性粒子包覆高聚物的方法成功构建了许多磁性复合粒子，然而，制备同时具有磁性粒子和导电高聚物的复合粒子依然是该领域最让人感兴趣也是最有挑战性的工作。迄今为止，尚未见到成功制备出尺寸均一的、同时具有导电性和磁性的微球（或中空微球）的报道。
