聚苯胺基纳米复合材料的制备及其导电性能研究

论文摘要

有机-无机纳米复合材料因其兼具有机聚合物和无机材料的优良特性,在电学、光学、力学和磁学等方面赋予材料许多优异的特性,已成为当今材料科学、物理化学、有机化学和高分子化学等多学科交叉的前沿领域。聚苯胺因其原料廉价易得、合成方法简单、电导率较高且可调、环境稳定性好,以及独特的化学和电化学性能,成为最有应用前景的导电高分子材料。但聚苯胺难溶解、难熔融、难于加工等特性极大地阻碍了聚苯胺的实用化进程。纳米材料的尺寸效应、量子效应、表面效应等赋予其特殊的物理性能和化学性能。因此将纳米技术引入导电聚苯胺的合成工艺中,可以使其集导电性和纳米颗粒功能于一体,能极大地改善导电聚苯胺的加工性。本课题主要研究了以下四方面的内容:1.采用乳液聚合法制备导电聚苯胺。研究氧化剂、掺杂剂种类、反应温度和反应时间对聚苯胺电导率的影响,得到乳液聚合法制备高电导率聚苯胺的最佳合成条件。利用红外光谱（FT-IR）、紫外光谱（UV-Vis）、X-射线衍射（XRD）、热失重（TG）、透射电子显微镜（TEM）等手段对聚苯胺的组成和结构形态进行了分析和表征,并采用四探针测试仪测试了材料的电导率。结果表明,聚合温度控制在0～5℃,聚合时间12h、（NH4）2S2O8为引发剂,对甲苯磺酸为掺杂剂可以制备出导电性能优良的掺杂态导电聚苯胺,其电导率可达3.982S·cm-1,温度最高不能超过25℃。2.采用现场乳液聚合法制备聚苯胺/纳米石墨薄片/La3+纳米复合材料。TEM结果表明:聚苯胺成功插入到纳米石墨薄片的片层间,并将石墨均匀包覆;同时稀土离子(La3+)对纳米复合材料的成膜起了重要作用。热性能分析表明:聚苯胺/纳米石墨薄片/La3+纳米复合材料的热稳定性明显优于纯聚苯胺及聚苯胺/纳米石墨薄片复合材料。3.延续上述方法,通过改变稀土离子和超声条件成功制备了聚苯胺/纳米石墨薄片/Eu3+纳米薄膜材料。TEM结果显示:该材料以一种特殊的纳米薄膜结构存在,完全不同于其他纳米复合材料。膜的中央有一直径约为100nm的孔,且发生了褶皱。这种膜材料非常坚韧,以至在整个透射电镜观察中,放大几十万倍,用200千伏加速电压轰击,膜都没有被击破,纳米薄膜中央有一直径约为100nm的孔是产生此种结果的原因。这种新颖薄膜材料的电导率达到15S·cm-1,明显优于纯聚苯胺。4.采用化学原位聚合法制备聚苯胺/蒙脱土/La3+纳米复合材料。红外和X-射线衍射分析表明,聚苯胺分子成功插入到蒙脱土的片层间。热重分析表明:蒙脱土和稀土粒子(La3+)的引入对纳米复合材料热稳定性的提高起了很大作用。TEM分析表明:聚苯胺成功插入到蒙脱土的片层间,La3+稳定存在于纳米复合材料中,而不是简单分散在纳米复合材料中。从聚苯胺基一元材料到三元复合材料的性能差异可看出,层状化合物和稀土粒子的引入,使复合材料中各组分产生了相乘、诱导、共振、系统等非线性效应,从而得到了兼具优良导电性能和耐热性能的纳米复合材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚苯胺的研究进展
• 1.2.1 聚苯胺的发展历史
• 1.2.2 目前聚苯胺国内外研究的热点
• 1.2.3 聚苯胺的结构
• 1.2.4 聚苯胺的基本性质
• 1.2.5 聚苯胺的合成方法
• 1.2.6 聚苯胺的掺杂方法
• 1.2.7 聚苯胺的应用前景
• 1.2.8 聚苯胺存在的问题
• 1.3 聚苯胺纳米复合材料的研究进展
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 聚苯胺纳米复合材料的制备方法
• 1.3.3 聚苯胺纳米复合材料的应用前景
• 1.4 论文选题的目的和意义及本课题的研究内容
• 1.4.1 论文选题的目的和意义
• 1.4.2 本课题的研究内容
• 参考文献
• 第二章 实验药品和实验仪器
• 2.1 实验药品
• 2.2 实验仪器及设备
• 2.3 结构与性能表征
• 第三章 掺杂态导电聚苯胺的制备及表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原理
• 3.2.2 掺杂态导电聚苯胺的合成
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同掺杂剂对聚苯胺（PANI）电导率的影响
• 3.3.2 不同氧化剂对聚苯胺（PANI）电导率的影响
• 3.3.3 反应温度对聚苯胺（PANI）电导率的影响
• 3.3.4 反应时间对聚苯胺电导率的影响
• 3.4 聚苯胺的表征
• 3.4.1 红外光谱（FT-IR）分析
• 3.4.2 紫外可见光谱分析
• 3.4.3 透射电镜（TEM）分析
• 3.4.4 X-射线（XRD）分析
• 3.4.5 热失重（TGA）分析
• 参考文献
• 3+纳米复合材料的制备及导电性能'>第四章 聚苯胺/纳米石墨薄片/La³⁺纳米复合材料的制备及导电性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 纳米石墨薄片的制备
• 3+三元纳米复合材料的制备'>4.2.2 聚苯胺/纳米石墨薄片/La³⁺三元纳米复合材料的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 扫描电镜（SEM）分析
• 4.3.2 透射电镜（TEM）分析
• 4.3.3 红外光谱（FT-IR）分析
• 4.3.4 紫外光谱（UV-vis）分析
• 4.3.5 X-射线（XRD）分析
• 4.3.6 热失重（TG）分析
• 4.3.7 NanoGs 用量对纳米复合材料导电率的影响
• 参考文献
• 3+纳米薄膜材料的制备及其性能研究'>第五章 聚苯胺/纳米石墨薄片/Eu³⁺纳米薄膜材料的制备及其性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 纳米石墨薄片的制备
• 3+纳米薄膜材料的制备'>5.2.2 聚苯胺/纳米石墨薄片/Eu³⁺纳米薄膜材料的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 透射电镜（TEM）分析
• 5.3.2 红外光谱（FT-IR）分析
• 5.3.3 紫外光谱（UV-vis）分析
• 5.3.4 X-射线衍射（XRD）分析
• 5.3.5 热失重分析（TGA）
• 5.3.6 电导率的测定
• 参考文献
• 3+纳米复合材料的合成及表征'>第六章 聚苯胺/蒙脱土/La³⁺纳米复合材料的合成及表征
• 6.1 引言
• 6.2 纳米复合材料的合成
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 透射电镜（TEM）分析
• 6.3.2 红外光谱（FT-IR）分析
• 6.3.3 紫外光谱（UV-vis）分析
• 6.3.4 X-射线（XRD）分析
• 6.3.5 热失重（TG）分析
• 6.3.6 电导率的测定
• 参考文献
• 第七章 全文结论
• 硕士期间论文发表情况
• 致谢