纤维负载纳米聚苯胺的合成与吸附重金属离子性能研究

针对聚苯胺在实际应用中存在的机械性能差、易团聚、比表面积小等问题，本项目拟采用聚丙烯腈纤维作为基体纤维，通过超声辅助表面聚合方法在其上负载高分散且形貌、尺寸可调的纳米结构聚苯胺，研究该新型复合材料对重金属离子的吸附性能。具体研究内容包括：采用碱性水解、胺基改性等方法对原始聚丙烯腈纤维进行改性预处理，制备具备不同物化性质的基体纤维；通过超声辅助表面聚合方法在基体纤维上负载纳米聚苯胺，研究基体纤维表面物化性质对聚苯胺形貌及负载性能的影响；对比超声辅助方法与传统机械搅拌方法对聚苯胺形貌演变影响的差异，揭示纳米聚苯胺的生长机理及其与基体纤维的相关作用机理；研究该新型复合材料对水中重金属离子Cr(VI)的吸附性能，以期为其在重金属污染水体治理中的应用奠定理论基础。

聚苯胺在实际应用中存在机械性能差、易团聚、比表面积小、固液分离困难等问题。本项目针对这些问题，制备了纳米聚苯胺/纤维新型复合材料，并围绕基体纤维表面物化性质、聚合条件、聚合方法等对聚苯胺及其纤维复合材料物化性质和吸附性能的影响进行了深入研究。主要研究内容和结论包括：(1) 化学改性预处理可在腈纶纤维和棉纤维表面分别引入羧酸基、胺基、季铵基、苯胺基等功能基团，从而制得一系列具备不同物化性质的基体纤维，吸附实验表明上述功能基团在苯胺、己二胺、Cr(VI)等污染物吸附方面发挥着至关重要的作用；(2) 以上述改性纤维为基体，通过超声辅助表面聚合方法合成了一系列纳米聚苯胺/纤维复合材料，研究发现基体纤维和超声辐射可明显加快苯胺的聚合速度，且基体纤维表面物化性质对聚苯胺的负载量、形貌、尺寸、均匀性、导电性、稳定性等均具有显著影响，以改性纤维为基体可获得聚苯胺负载量较高、分布较好、导电性和稳定性较强的纳米聚苯胺/纤维复合材料；(3) 揭示了超声辐射条件下苯胺在基体纤维表面的聚合和生长机理，即苯胺在溶液中快速聚合生成苯胺低聚物和反应核等中间产物并部分吸附在基体纤维表面，随后中间产物进一步聚合生成引发中心，并随之形成同时含疏水端和亲水端的聚苯胺链，在疏水性较强的原始腈纶表面聚苯胺链主要依靠π-π作用无定型堆积，而在含功能基团的改性纤维表面聚苯胺链主要依靠静电、氢键、共价键等作用力均匀堆积，从而改善聚苯胺在纤维表面的分布均匀性和复合材料的导电性、吸附性等；(4) 拓展研究了聚合条件（掺杂离子和共聚单体）对苯胺聚合过程及聚苯胺形貌、结构和物化性能等的影响，研究发现掺杂离子和溶液pH值对苯胺的聚合历程、聚苯胺形貌、化学结构及荷电情况等影响显著，磺化苯胺共聚单体可显著减慢苯胺的聚合速度并降低共聚物的产率，但这可通过本项目提出的苯胺预聚方法得到明显改善；(5) 对比研究了聚苯胺、苯胺共聚物及其纤维复合材料对水中典型重金属（Cr(VI)）和有机染料（甲基橙MO和亚甲基蓝MB）的吸附性能，研究发现通过调节苯胺和磺化苯胺两种单体的摩尔配比，可分别制得对MO和MB具有优良吸附性能的聚苯胺和苯胺共聚物，强酸条件下合成的聚苯胺及纳米聚苯胺/改性纤维复合材料对Cr(VI)具有优良、稳定的吸附性能。本研究的顺利实施为纳米聚苯胺/纤维复合材料的制备及其在重金属和有机染料污染水体治理中的应用提供了科学依据。