基于离子液体的导电聚苯胺及其复合材料的制备方法与性能研究

【摘要】自上世纪70年代首次成功合成导电聚合物聚乙炔以来,导电高分子材料因其独特的物理化学性能受到国内外学者广泛关注。而聚苯胺因其具有多样化的结构、特殊的质子掺杂型、良好的氧化还原性、较好的环境稳定性、优异的物理性能、原料廉价易、电导率高,且合成方法简单、条件易于控制等诸多优点,被认为是最具有商业应用前景的导电高分子材料之一,受到了国内外研究人员的广泛关注和研究。本论文以聚苯胺为研究对象,在离子液体环境中制备得到了一系列聚苯胺基“聚合物-粘土”导电复合材料。本论文选用氨基磺酸为掺杂剂,过硫酸铵为氧化剂,在氯化1-羧甲基-3甲基咪唑离子液体中,采用化学氧化法制备得到了基于离子液体的导电聚苯胺。对离子液体环境中聚苯胺的合成工艺进行了优化,研究了合成条件：掺杂剂用量、氧化剂用量、离子液体用量、合成时间对聚苯胺导电性能的影响。同时,对聚苯胺的结构及性能进行了研究。结果表明：当nSA=1g、mAPS=1.7g、m[CMMIm]Cl=5g、反应时间为2h时,所得聚苯胺电导率最高达2.5S/cm,并且具有较好的环境稳定性。在上述工作的基础上,本论文进一步研究制得了“聚合物-粘土”导电复合材料—基于离子液体的聚苯胺-凹凸棒土复合材料。使用未经处理的凹凸棒土原土,采用化学氧化法在离子液体环境中制得该复合材料,研究了凹凸棒土用量的改变对复合材料电导率的影响,并对其结构、性能及导电网络进行了研究。结果表明：当mATP=0.15g(即mATP/mAn=0.15)时,复合材料电导率最高达10S/cm,这说明在离子液体环境中,聚苯胺对凹凸棒土形成了较好的包覆,利用凹凸棒土的棒晶结构相互搭接,起到桥梁作用,促进了导电通路的形成,使得基于离子液体的聚苯胺-凹凸棒土复合材料的电导率较离子液体环境的聚苯胺有较大提高。本论文进一步研究制得了基于离子液体的聚苯胺-蒙脱土导电复合材料。采用化学氧化法在离子液体中制备复合材料,研究了在离子液体环境中蒙脱土的分散时间对层间距的影响、合成条件中蒙脱土用量对复合材料电导率的影响,并对导电网络、结构及性能进行了研究。结果表明：当蒙脱土在离子液体中分散2h时,蒙脱土的层间距由1.27nm增大至1.70nm；当mMMT=0.05g(即mMMT/mAn=0.05)时,复合材料的电导率最高达5S/cm。在这一实验离子液体环境有效的促进了蒙脱土层间距的增大,使得苯胺单体更易进入层间,当引发聚合后,聚苯胺在层间聚合的同时,吸附在表面苯胺单体同时聚合,形成包覆结构,促进了电导率的提高。为了与上述两种不同结构粘土(凹凸棒土为棒状结构,蒙脱土为片层结构)相比较,本文还研究了离子液体基聚苯胺-微硅粉导电复合材料。采用化学氧化法在离子液体中制备复合材料,研究了二氧化硅含量不同的微硅粉及合成中微硅粉的使用量对复合材料电导率的影响,并对结构、性能及导电网络进行了研究。结果表明：当SiO2>70%,mSF=0.2g(即mSF/mAn=0.2)时,电导率最高达1.6S/cm；当SiO2>90%,mSF=0.07g(即mSF/mAn=0.07)时,电导率最高达0.91S/cm。本论文的创新点在于：首次将离子液体引入聚苯胺原位溶液聚合-化学氧化法制备出具有较好导电性及稳定性的基于离子液体的聚苯胺导电材料。分别使用凹凸棒土原土、蒙脱土原土及微硅粉制备基于离子液体的聚苯胺-粘土导电复合材料,这其中离子液体既充当了质子源同时也作为改性剂得以应用,并且复合材料电导率较高。从导电结构模型上进一步分析了所用粘土不同形貌对复合材料导电性能的影响,为今后如何提高该类材料导电性能及在相关方面的应用提供了较好的实验依据。
【作者】陈姣；
【导师】冯辉霞；
【作者基本信息】兰州理工大学，应用化学，2014，硕士
【关键词】聚苯胺；离子液体；凹凸棒土；蒙脱土；微硅粉；电导率；

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