聚苯胺及其复合材料的制备与性能研究

论文摘要

聚苯胺（PANI）具有结构多样化、掺杂电导率可调、成本低等特点,在金属防腐、电磁屏蔽、二次电池、传感器、太阳能电池等领域呈现出广泛的应用前景。本论文主要围绕掺杂态聚苯胺开展研究,首先对聚苯胺的合成、特性、导电机理、复合材料及其应用进行了论述。采用无机酸、有机酸对聚苯胺进行掺杂,分析不同质子酸掺杂后聚苯胺的性能变化,制备了聚苯胺/聚乙烯醇和聚苯胺/环氧树脂两种复合材料。以一次蒸馏的苯胺为单体,过硫酸铵为氧化剂,蒸馏水为溶剂,盐酸为质子酸制备了掺杂态聚苯胺。正交试验分析得出最佳的工艺条件为盐酸浓度为1.0 mol·L-1,氧化剂与苯胺单体摩尔比为1:1,室温条件下反应4h。通过FT-IR、XRD、SEM等测试表明盐酸对聚苯胺进行了有效掺杂,结构具有一定的结晶性。选择十二烷基苯磺酸（DBSA）、磺基水杨酸（SSA）、对氨基苯磺酸（ABSA）和柠檬酸（CA）四种有机酸为掺杂酸,制备掺杂态聚苯胺。大尺寸的有机酸离子掺杂在聚苯胺的链间,减弱了分子间的相互作用使聚苯胺溶解性提高。导电率分析表明:样品导电性能最好的是磺基水杨酸掺杂的聚苯胺,电导率接近1 S·cm-1。SEM分析显示出掺杂后的聚苯胺呈微米级的粒子状,且共掺杂有利于提高结晶度。制备了聚苯胺/聚乙烯醇复合材料。聚苯胺样品在复合材料中的渗滤阈值为25%。SEM分析表明显微结构均为微、纳米纤维结构,与在预先制备好的聚乙烯醇膜上得到的聚苯胺的结构相比,水溶液中直接合成的各纤维之间粘合和聚集更明显。以聚苯胺为导电填料,环氧树脂为成膜介质制备了聚苯胺/环氧树脂复合防腐蚀涂层,显微结构均一,耐化学溶剂性良好,表明聚苯胺具有较强的腐蚀防护能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 概述
• 1.1 导电聚合物
• 1.2 聚苯胺
• 1.3 聚苯胺的合成与掺杂
• 1.3.1 聚苯胺的合成
• 1.3.2 聚苯胺的掺杂
• 1.4 聚苯胺复合材料
• 1.4.1 复合方法
• 1.4.2 聚苯胺复合材料的类型
• 1.5 聚苯胺及其复合材料的应用
• 1.5.1 金属防腐
• 1.5.2 二次电池和电极材料
• 1.5.3 传感器
• 1.5.4 吸波与电磁屏蔽材料
• 1.5.5 其它应用
• 1.6 目前存在的主要问题和发展前景
• 1.7 本课题主要研究内容
• 2 理论基础
• 2.1 聚苯胺的结构
• 2.2 聚苯胺的性质
• 2.3 导电机理
• 2.4 本章小结
• 3 盐酸掺杂聚苯胺的制备与分析
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料及设备
• 3.2.2 实验过程
• 3.2.3 性能测试
• 3.3 盐酸掺杂聚苯胺结果与讨论
• 3.3.1 表观产率的影响因素
• 3.3.2 溶解性能
• 3.3.3 导电性能
• 3.3.4 红外光谱分析
• 3.3.5 XRD 分析
• 3.3.6 SEM 分析
• 3.4 本章小结
• 4 有机酸掺杂聚苯胺的制备及分析
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料及设备
• 4.2.2 实验过程
• 4.2.3 性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 有机酸掺杂聚苯胺的溶解性能
• 4.3.2 有机酸掺杂聚苯胺的导电性能
• 4.3.3 红外光谱分析
• 4.3.4 SEM 分析
• 4.3.5 乙醇对DBSA 掺杂聚苯胺的影响
• 4.3.6 共掺杂对聚苯胺结构的影响
• 4.4 本章小结
• 5 聚苯胺/聚乙烯醇复合材料的研究
• 5.1 引言
• 5.2 聚苯胺/聚乙烯醇复合材料研究现状
• 5.2.1 聚乙烯醇
• 5.2.2 聚苯胺/聚乙烯醇
• 5.3 实验部分
• 5.3.1 实验原料及仪器
• 5.3.2 实验过程
• 5.3.3 性能测试
• 5.4 结果与分析
• 5.4.1 导电性能分析
• 5.4.2 SEM 分析
• 5.4.3 红外光谱分析
• 5.5 成膜机理探讨
• 5.6 本章小结
• 6 聚苯胺/环氧树脂复合防腐涂层
• 6.1 引言
• 6.2 聚苯胺/环氧树脂防腐涂料
• 6.2.1 聚苯胺防腐蚀涂料
• 6.2.2 环氧树脂涂料
• 6.3 聚苯胺防腐涂层的制备方法
• 6.4 实验
• 6.4.1 实验原料
• 6.4.2 聚苯胺的制备
• 6.4.3 防腐蚀涂层的制备
• 6.4.4 涂膜防腐蚀性能测试
• 6.5 结果与分析
• 6.5.1 聚苯胺的溶解性
• 6.5.2 SEM 分析
• 6.5.3 耐化学试剂性分析
• 6.5.4 防腐机理探讨
• 6.6 应用前景与展望
• 6.7 本章小结
• 7 全文总结
• 7.1 总结论
• 7.2 后续工作
• 参考文献
• 附录Ⅰ
• 附录Ⅱ
• 致谢