材料表面的仿生修饰及金属化的研究
材料表面改性的方法对材料在研究和工业应用都具有重大的意义。现有材料表面改性的方法各有优缺点。其中，通过具有优异的粘结性能和其他性能的分子和聚合物自组装在材料的表面形成功能层的方法受到大家的广泛关注。这种方法具有成本低，适用于大面积的形状复杂的三维结构基体，可在材料表面形成微米级和纳米级的功能层等优点。受到贝壳类动物分泌的粘附性蛋白质的结构的启发，有学者报道了聚多巴胺的粘附机理和性能。结果表明，多巴胺(3，4-二羟基-苯丙氨酸)以及其他具有类似儿茶酚结构的化合物可沉积在不同材料基体的表面，包括有机、无机和金属材料。通过在不同材料基体表面进行多巴胺氧化聚合以及聚多巴胺沉积可以对材料表面功能化改性。利用聚多巴胺层表面的基团进行进一步反应可以在材料表面形成其他的功能层，包括利用自组装形成单分子层、通过长链分子反应形成聚合物层，通过无电沉积形成金属层以及通过大分子接枝形成的生物活性层。
在本研究中，我们通过多巴胺聚合对聚酰亚胺膜(PI)以及玻璃微球(Glass beads)表面进行了功能化修饰改性，然后通过紫外光照或者化学镀在功能化后的基体材料表面镀覆银层。具体工作包括以下三个方面：
(1)首次研究了利用多巴胺功能化修饰及化学还原银制备高导电高反射的聚酰亚胺(PI)薄膜的新方法。在这种方法中，首先将聚酰亚胺(PI)膜浸入多巴胺水溶液中，在氧存在下多巴胺在PI表面聚合并沉积，然后在沉积有聚多巴胺的聚酰亚胺膜(PI-DOPA)表面通过化学还原(electroless plating)的方法沉积金属银层。通过X射线光电子能谱(XPS)测试PI膜表面的组成和结构的变化，结果表明PI膜的表面成功地沉积上聚多巴胺层。在银的还原过程中，由于聚多巴胺具有一定的氧化还原能力，聚多巴胺功能层不仅在化学镀银的过程中作为银离子的吸附点，同时可以提高银层与基体之间的结合力。本研究所制备得到的表面镀银的PI膜(PI/Ag)具有优异的导电性和反射性，其表面电阻为1.5Ω，反射率达95％。
(2)本文研究了通过紫外光照将银粒子还原在多巴胺功能化的PI膜表面制备抗菌薄膜的方法。研究了溶液pH、多巴胺浓度和反应时间对多巴胺聚合反应的影响。由于聚多巴胺的亲水性，经多巴胺功能化的PI膜表面的水接触角与改性前的PI膜相比有明显降低。利用X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)对聚多巴胺修饰的PI膜和紫外光照还原银的PI膜的表面化学组成进行分析。通过扫描电子显微镜(SEM)观察PI表面形貌的变化。经抗菌性实验测试，此复合薄膜具有优异的抗菌性能。
(3)本文还研究了通过多巴胺功能化以及无电沉积的方法制备表面包覆有银粒子的玻璃微球(Glass beads/Ag)核壳复合微球。通过多巴胺聚合对玻璃微球表面进行功能化修饰，引入酚羟基和含氮基团。在无电沉积银的过程中，通过改变硝酸银溶液的浓度以及相应葡萄糖溶液的浓度得到表面覆盖有不同厚度和致密程度的银层的玻璃微球。通过X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射仪(XRD)对玻璃微球/银复合微球的表面化学组成进行分析。利用扫描电子显微镜(SEM)以及能量散射X射线能谱仪(EDX)表征玻璃微球在镀银前后的表面形貌以及元素组成的变化。在玻璃微球表面形成的多巴胺层可以起到吸附银离子的作用同时可以促进银的还原。由于聚多巴胺的“桥梁”作用，通过该方法制备的核壳结构复合微球中表面银层与玻璃微球基体之间有较强的结合力。
本文提出的基于仿生技术的多巴胺自聚合方法为不同基体材料表面的功能化修饰提供了新的平台，在此基础上通过无电电镀可以实现薄膜、纤维、微/纳米粒子等各种尺寸及形状材料表面的金属化，为材料表面功能化改性提供了一个崭新的思路。
化学还原;紫外光照;聚酰亚胺;玻璃微球;多巴胺;仿生修饰;材料表面改性
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
王文才
2010
中文
TQ323.7;TB383
66
2010-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）