多巴胺改性碳纳米管/壳聚糖复合材料的制备及其防污性能研究

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环境友好型防污剂在解决海洋生物污损方面起到日趋重要的作用。壳聚糖(CS)具备优秀的生物相容性、抑菌性。碳纳米管的结构与聚合物近似,将碳纳米管与壳聚糖复合,不仅能利用生物大分子的亲水性来改善碳纳米管的分散性,更可能实现不同材料性能的互补或协同作用,为其在防污领域的广泛应用提供条件。本论文以碳纳米管、壳聚糖为基本研究材料,以多巴胺为桥梁材料,进行纳米复合材料的制备,并通过电化学测试技术、抑菌及抑制硅藻实验分别对复合材料的缓蚀及防污性能进行了表征。主要工作如下:(1)利用多巴胺在不同pH值条件下(碱性、酸性)的不同反应方式对碳纳米管进行温和的包覆改性。通过实验证实了改性效果,两种改性方法均有效改善了碳纳米管的分散性,其中经多巴胺单分子层(micaDA)修饰后的多壁碳纳米管(MWCNTs)表面存在大量氨基集团,在水溶液中的分散性和稳定性更高;聚多巴胺包覆的碳纳米管(PDA-MWCNTs)复合材料中碳纳米管管壁外均匀包覆了厚度约为4 nm的PDA层,而micaDA-MWCNTs上多巴胺单层膜膜厚较薄,整体热失重率远低于PDA-MWCNTs。(2)结合壳聚糖的螯合作用引入纳米银粒子,以聚多巴胺包覆的碳纳米管作为模板,CS作为保护剂和稳定剂,通过液相还原法制备得到聚多巴胺包覆碳纳米管/纳米银/壳聚糖复合材料(CS/PDA-MWCNTs/Ag)复合溶胶,改变反应条件得到最佳制备工艺条件。复合溶胶中PDA-MWCNTs的管壁及溶胶中均匀分散着AgNPs颗粒;纳米银与CS及PDA-MWCNTs复合,改善了CS的热稳定性。抑菌试验表明,复合溶胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及鳗弧菌的最低抑菌浓度分别为4 μg/mL、5 μg/mL及5.5μg/mL,表现出优异的抑菌性能及广谱抑菌性能。电化学阻抗谱与极化测试表明复合溶胶是一种混合型缓蚀剂,对腐蚀难度和腐蚀速率的性能都有较好的提升,复合溶胶中的几种材料的协同效应,在基体表面形成多元保护膜,增强了材料的缓蚀性能。(3)通过控制溶液的pH值,在酸性条件下制备了单层多巴胺改性的多壁碳纳米管,然后以戊二醛作为反应中间桥梁,共价接枝制备得到碳纳米管/多巴胺/壳聚糖复合材料。TEM照片表明,CS/micaDA-MWCNTs复合材料的管壁外面和管端都被约为6 nm厚的膜层均匀包覆起来。采用多巴胺单层膜包覆碳纳米管,达到了不破坏碳纳米管结构同时又增加碳纳米管表面活性基团数量的目的,从而增加了复合材料中壳聚糖的接枝量,TGA分析表明,壳聚糖的接枝量约为71.78%,复合材料的热性能得到提升。抑制硅藻生长实验表明,由于碳纳米管的缓释及抑制硅藻生长作用,复合材料对两种常见海洋硅藻——小舟形藻和成排舟形藻表现出长效抑制性能。抑菌试验表明复合材料对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)、革兰氏阴性菌(大肠杆菌)及海洋菌(鳗弧菌)都表现出一定抑菌性能,具有广谱抑菌性。
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