光固化復(fù)合電泳涂層材料的制備及其傳感性能研究

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合肥樂(lè)凱科技產(chǎn)業(yè)有限公司 安徽合肥 230041

1 光固化復(fù)合電泳涂層材料制備

1.1 光敏性γ-聚谷氨酸-甲基丙烯酸羥乙酯的制備

本實(shí)驗(yàn)采用的是光敏性單體改性生物大分子來(lái)制作甲基丙烯酸化的γ-聚谷氨酸，具體制備流程如下：首先將2ml 的γ-聚谷氨酸和二甲亞砜相溶，再加入等量的1-乙基-碳酰二亞胺鹽酸鹽，然后將等量的4-二甲氨基吡啶與等量甲基丙烯酸羥乙酯在5ml 的二甲亞砜中相溶，在均勻攪拌后滴入γ-聚谷氨酸溶液中，此時(shí)在充氮環(huán)境下室溫放置48 小時(shí)后再加入等量的二甲氨基吡啶中和，使室溫反應(yīng)停止[1]。反應(yīng)后還需采用丙酮沉淀離心，用去離子的水透析一直到透析水紫外光譜穩(wěn)定，表示光敏性γ-聚谷氨酸-甲基丙烯酸羥乙酯制作完成。

1.2 辣根過(guò)氧化酶和γ-聚谷氨酸-甲基丙烯酸羥乙酯組合納米粒子制備

將制備好的光敏性γ-聚谷氨酸-甲基丙烯酸羥乙酯與辣根過(guò)氧化酶融合，使兩者在復(fù)合反應(yīng)后制備成復(fù)合納米組裝聚集體。具體制備流程為：首先用純凈水為溶劑配制出γ-聚谷氨酸-甲基丙烯酸羥乙酯聚合物溶液，然后用pH 值是7 的磷酸緩沖鹽溶液作為溶劑，配制出辣根過(guò)氧化酶溶液，在均勻攪拌后分別將溶液等量滴入到聚合物溶液中。在兩者混合后，使γ-聚谷氨酸-甲基丙烯酸羥乙酯和辣根過(guò)氧化物酶質(zhì)量濃度相等，并在靜電的作用下完成復(fù)合組裝，制成納米粒子。

1.3 氧化石墨烯制備

采用改良Hummers 法制作氧化石墨烯，所需材料有石墨粉、硝酸鈉、濃硫酸、高錳酸鉀、雙氧水，需要試驗(yàn)設(shè)備包括燒杯、透析袋等。將石墨粉和硝酸鈉溶于燒杯中，然后加入濃硫酸在冰浴作用下均勻攪拌半小時(shí)，加入高錳酸鉀粉末攪拌1 小時(shí)后靜置12 小時(shí)。將燒杯從冰浴環(huán)境中撤離，加入去離子水后使反應(yīng)放緩，持續(xù)半個(gè)小時(shí)后再加入雙氧水，保持反應(yīng)2-3 個(gè)小時(shí)，最后將反應(yīng)溶液放到透析袋中透析約3-5 天時(shí)間，氧化石墨烯基本制備完成。

1.4 沉積液制備

在氧化石墨烯制作完成后，在超聲環(huán)境下分散2 小時(shí)，然后均勻攪拌下滴入辣根過(guò)氧化酶和γ-聚谷氨酸-甲基丙烯酸羥乙酯復(fù)合液，在靜電環(huán)境下完成組成，并通過(guò)均勻攪拌形成穩(wěn)定的沉積液。

1.5 光交聯(lián)電泳沉積涂層制備

利用光固化技術(shù)進(jìn)行電泳沉積涂層的制作，將已經(jīng)制作好的穩(wěn)定性能較好的沉積液在三電極體系下進(jìn)行電泳沉積，并完成涂層的制作。然后在緩沖溶劑中將沉積液中的氧化石墨烯進(jìn)行還原[2]。經(jīng)電泳沉積制作完成的涂層放在紫外光固化條件下進(jìn)行固化，就完成了光交聯(lián)電泳沉積涂層的制作。

2 光固化復(fù)合電泳涂層傳感性能研究

通過(guò)上述材料的合成制備，在不同沉積條件、不同濃度氧化石墨烯和光交聯(lián)的過(guò)程中，制作了均勻性較好、電子傳輸性能較好的光固化復(fù)合電泳涂層，該涂層的傳感性能將受到不同材料、不同沉積條件的影響[3]。

2.1 復(fù)合納米組裝聚集體的特征

融合了辣根過(guò)氧化酶和γ-聚谷氨酸-甲基丙烯酸羥乙酯雙重特點(diǎn)的復(fù)合納米粒子，通過(guò)對(duì)粒子粒徑和形貌的表征，發(fā)現(xiàn)復(fù)合納米粒子平均流體動(dòng)力學(xué)直徑是103．8nm，復(fù)合納米粒子基本形狀為球形，在凍干狀態(tài)下粒子的直徑平均為50nm，因?yàn)榧{米粒度測(cè)試儀是在復(fù)合納米粒子呈液體狀態(tài)下測(cè)定的，所以測(cè)試儀測(cè)得的粒徑要比實(shí)際粒徑大很多，在粒子干燥環(huán)境下，粒子會(huì)經(jīng)過(guò)一系列的脫水而出現(xiàn)塌陷、收縮等現(xiàn)象，導(dǎo)致粒子整體粒徑大大縮小。

2.2 氧化石墨烯的特征

氧化石墨烯用透射電子顯微鏡和拉曼光譜進(jìn)行表征，實(shí)驗(yàn)證明，氧化石墨烯主要以薄片的形狀存在，厚度均勻有褶皺，這些褶皺的作用是保證氧化石墨烯具有較高的表面積且避免在干燥環(huán)境下出現(xiàn)塌陷、收縮等而影響石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能。

2.3 沉積電壓對(duì)光固化復(fù)合電泳涂層性能的影響

電泳沉積主要指的是荷電離子在電廠(chǎng)的作用下定向移動(dòng)并成膜的過(guò)程，由于外加電場(chǎng)的存在，會(huì)對(duì)粒子和流體產(chǎn)生影響，從而使電泳沉積沉積量與電泳涂層的均勻性發(fā)生改變，影響電泳涂層的形狀和性能。

2.4 沉積時(shí)間對(duì)光固化復(fù)合電泳涂層性能的影響

在電泳沉積的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)沉積的時(shí)間也會(huì)對(duì)涂層的表面形狀和傳感性能產(chǎn)生一定影響，設(shè)定沉積電壓為+1．5v，在不同的沉積時(shí)間下對(duì)電泳涂層的表面形狀和傳感性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，試驗(yàn)表明，沉積時(shí)間從10s 到2 小時(shí)變化時(shí)，涂層的阻抗能力越強(qiáng)，這也證明電極表面沉積的復(fù)合物隨著時(shí)間的增加而增加，涂層也變得越來(lái)越厚和越來(lái)越密。

2.5 氧化石墨烯對(duì)光固化復(fù)合電泳涂層性能的影響

氧化石墨烯是復(fù)合聚集體的重要組成部分，氧化石墨烯的含量必定會(huì)對(duì)電泳沉積和涂層的傳感性能產(chǎn)生影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析，發(fā)現(xiàn)在氧化石墨烯質(zhì)量濃度是0．2mg/ml 時(shí)氧化石墨烯出現(xiàn)了沉淀，此時(shí)溶液非常不穩(wěn)定，說(shuō)明氧化石墨烯濃度較高而不能使溶液和加入的辣根過(guò)氧化酶和γ-聚谷氨酸-甲基丙烯酸羥乙酯進(jìn)行復(fù)合。

2.6 光交聯(lián)對(duì)光固化復(fù)合電泳涂層性能的影響

光固化具有高效、低能耗、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能增強(qiáng)涂層的致密性，提高涂層的傳感性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，在電泳涂層光固化之后，阻抗值逐漸變大，說(shuō)明光固化后的涂層致密性在提高，采用光固化技術(shù)可改善電泳涂層的性能，有利于提高涂層的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)光固化復(fù)合電泳涂層各材料制備流程、各材料濃度、沉積條件對(duì)復(fù)合涂層性能影響的研究分析，發(fā)現(xiàn)在不同沉積條件和材料濃度下，光固化復(fù)合電泳涂層穩(wěn)定性、致密性不同，且皆存在最佳值，在具體制作電泳涂層時(shí)為保證其穩(wěn)定的傳感性能應(yīng)注意選取最佳制備條件。此外，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)也證明，采用光固化技術(shù)，使涂層內(nèi)部產(chǎn)生交聯(lián)作用，能有效增強(qiáng)涂層的穩(wěn)定性和致密度。