导电聚吡咯的制备工艺参数优化

摘要

导电聚合物在机器人和生物医学领域有广阔的应用前景，以导电聚合物制备而成的膜材料，是构建电致驱动器驱动的重要组成部分，具有实际应用价值。由于导电聚合物的氧化-还原（掺杂-去掺杂）过程中会有离子和溶剂分子的迁移，使聚合物机械性能发生变化，因此，为制备出性能较高的导电聚合物驱动器材料，可在制备环节对生成导电聚合物的电化学参数进行优化设置，利用导电聚合物在制备过程中的反应机理和电化学机械形变来构建驱动器。 导电聚合物作为具有发展潜力的离子电活性智能材料，仍处于研究阶段，本文以弯曲型三层聚合物聚吡咯（PPy）为研究对象，依据驱动器的制备机理，针对自制的PPy研究其制备的最优参数及材料的电化学性能。本文的主要研究内容为： （1）通过磁控溅射-离子注入技术对基底材料镀金属离子，分析了铜锡合金离子对PPy制备的影响,对基底材料PVDF膜离子注入提高了其表面结合力，磁控溅射镀金属离子则增加了聚合物层的导电性。 （2）通过制定合理的沉积流程，制备了致密性较好，既能在溶液中工作又能在空气中工作的PPy，分析了PPy的工作原理，并利用电化学工作站检测了其弯曲变形特性，结合正交试验方案改变制备环节中吡咯浓度、聚合时间、电流密度、聚合温度等参数，得到了参数组合不同的PPy。 （3）采用自行搭建的位移测试平台，对不同电压下的驱动器施加低电压（1~2V），测量其顶端位移量作为比较，得到正交试验的最优参数组合。对制备PPy位移性能影响的最大的因素是电流密度，最佳工艺参数组合为：A3B1C3D2.即电流密度可选择为0.15mA/cm2，吡咯浓度为0.1mol，聚合温度由于影响不大可采用-25~-35℃之间的温度，聚合时间可选10h. （4）为使PPy材料真正应用于实际系统，现研究制备得到的PPy的物理化学性能，采用电化学中的循环伏安法、电化学阻抗谱和阶跃响应分析了自制PPy的氧化还原特性，离子扩散过程，PPy的阻抗特性，电流响应，建立了电-化学-机械转换模型，并对等效电路进行分析。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1.1 导电聚合物的研究背景

1.1.2 导电聚合物的研究目的与意义

1.2.1 制备导电聚合物的国内外研究现状

1.2.2 导电聚合物制备方法的研究

1.2.3 导电聚合物的制备参数优化研究

1.3 本论文主要研究内容及意义

第2章 驱动器的制备及装置

2.1 磁控溅射镀膜

2.2 工作原理及合成方法

2.3 PPy的制备

2.3.1 掺杂剂对PPy的影响

2.3.2 电化学沉积

2.3.3 驱动器的制备流程

2.3.4 驱动器的检测

2.4 PPy膜的位移测试平台

2.5 形貌表征

2.6 本章小结

第3章 导电聚合物制备参数优化

3.1 正交实验设计

3.1.1 制备实验的因素分析

3.1.2 正交试验法概述

3.1.3 吡咯浓度对驱动器位移的影响

3.1.4 聚合电流对驱动器性能的影响

3.1.5 聚合温度的影响

3.1.6 聚合时间的影响

3.1.7 其他因素的影响

3.2 正交试验方案设计

3.3 形貌分析

3.4 位移测试

3.4.1 位移测试平台

3.4.2 位移测试分析

3.4.3 正交试验结论

3.5 本章小结

第4章 PPy膜的电化学特性

4.1 引言

4.2 循环伏安测试

4.2.1 循环伏安测试简介

4.2.2 PPy的循环伏安测试

4.2.3 PPy的循环伏安分析

4.2.4 扩散过程

4.3.1 阻抗测试简介

4.3.2 PPy的阻抗谱分析

4.4 阶跃特性

4.5 等效电路模型

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 主要研究结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢