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聚苯胺基纳米复合材料的制备及其导电性能研究

作　者: 吴迎冰
导　师: 莫尊理
学　校: 西北师范大学
专　业: 无机化学
关键词: 纳米复合材料聚苯胺纳米石墨薄片(蒙脱土) 稀土粒子导电性热稳定性
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
第一章绪论  11-34
  1.1 引言  11
  1.2 聚苯胺的研究进展  11-22
    1.2.1 聚苯胺的发展历史  11-12
    1.2.2 目前聚苯胺国内外研究的热点  12-13
    1.2.3 聚苯胺的结构  13-14
    1.2.4 聚苯胺的基本性质  14-15
    1.2.5 聚苯胺的合成方法  15-17
    1.2.6 聚苯胺的掺杂方法  17-19
    1.2.7 聚苯胺的应用前景  19-20
    1.2.8 聚苯胺存在的问题  20-22
  1.3 聚苯胺纳米复合材料的研究进展  22-27
    1.3.1 概述  22
    1.3.2 聚苯胺纳米复合材料的制备方法  22-25
    1.3.3 聚苯胺纳米复合材料的应用前景  25-27
  1.4 论文选题的目的和意义及本课题的研究内容  27-28
    1.4.1 论文选题的目的和意义  27-28
    1.4.2 本课题的研究内容  28
  参考文献  28-34
第二章实验药品和实验仪器  34-37
  2.1 实验药品  34-35
  2.2 实验仪器及设备  35
  2.3 结构与性能表征  35-37
第三章掺杂态导电聚苯胺的制备及表征  37-47
  3.1 引言  37
  3.2 实验部分  37-38
    3.2.1 实验原理  37
    3.2.2 掺杂态导电聚苯胺的合成  37-38
  3.3 结果与讨论  38-40
    3.3.1 不同掺杂剂对聚苯胺(PANI)电导率的影响  38
    3.3.2 不同氧化剂对聚苯胺(PANI)电导率的影响  38-39
    3.3.3 反应温度对聚苯胺(PANI)电导率的影响  39-40
    3.3.4 反应时间对聚苯胺电导率的影响  40
  3.4 聚苯胺的表征  40-45
    3.4.1 红外光谱(FT-IR)分析  40-41
    3.4.2 紫外可见光谱分析  41-42
    3.4.3 透射电镜(TEM)分析  42-43
    3.4.4 X-射线(XRD)分析  43-44
    3.4.5 热失重(TGA)分析  44-45
  参考文献  45-47
第四章聚苯胺/纳米石墨薄片/La~(3+)纳米复合材料的制备及导电性能  47-56
  4.1 引言  47
  4.2 实验部分  47-48
    4.2.1 纳米石墨薄片的制备  47
    4.2.2 聚苯胺/纳米石墨薄片/La~(3+)三元纳米复合材料的制备  47-48
  4.3 结果与讨论  48-54
    4.3.1 扫描电镜(SEM)分析  48
    4.3.2 透射电镜(TEM)分析  48-49
    4.3.3 红外光谱(FT-IR)分析  49-50
    4.3.4 紫外光谱(UV-vis)分析  50-51
    4.3.5 X-射线(XRD)分析  51-52
    4.3.6 热失重(TG)分析  52-53
    4.3.7 NanoGs 用量对纳米复合材料导电率的影响  53-54
  参考文献  54-56
第五章聚苯胺/纳米石墨薄片/Eu~(3+)纳米薄膜材料的制备及其性能研究  56-64
  5.1 引言  56-57
  5.2 实验部分  57-58
    5.2.1 纳米石墨薄片的制备  57
    5.2.2 聚苯胺/纳米石墨薄片/Eu~(3+)纳米薄膜材料的制备  57-58
  5.3 结果与讨论  58-62
    5.3.1 透射电镜(TEM)分析  58
    5.3.2 红外光谱(FT-IR)分析  58-59
    5.3.3 紫外光谱(UV-vis)分析  59-60
    5.3.4 X-射线衍射(XRD)分析  60-61
    5.3.5 热失重分析(TGA)  61-62
    5.3.6 电导率的测定  62
  参考文献  62-64
第六章聚苯胺/蒙脱土/La~(3+)纳米复合材料的合成及表征  64-72
  6.1 引言  64-65
  6.2 纳米复合材料的合成  65
  6.3 结果与讨论  65-70
    6.3.1 透射电镜(TEM)分析  65-66
    6.3.2 红外光谱(FT-IR)分析  66-67
    6.3.3 紫外光谱(UV-vis)分析  67-68
    6.3.4 X-射线(XRD)分析  68-69
    6.3.5 热失重(TG)分析  69-70
    6.3.6 电导率的测定  70
  参考文献  70-72
第七章全文结论  72-73
硕士期间论文发表情况  73-74
致谢  74

聚苯胺基纳米复合材料的制备及其导电性能研究

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