聚苯胺接枝共聚改性聚乙烯醇复合导电材料的制备、微观形貌及性能

摘要

聚苯胺(PANI)具有良好的导电性能和环境稳定性，电性可控，并且合成方法简单，是一种成本较低的本征型导电高分子，收到了越来越多的关注，近年来在各种领域广泛使用。然而，由于其溶解性、加工性能和力学性能很差，其潜在的应用受到了极大的限制，为了提高聚苯胺的物理性能，研究者常将PANI利用其他高聚物的优势来克服PANI自身的缺陷。聚乙烯醇(PVA)是一种分子链上含有大量氢键的亲水性物质，力学强度高，无毒无害且易生物降解，是非常理想的聚苯胺基材。
　　本文选用PVA0588作为基材，以亲核取代反应为机理，利用PVA分子结构中含有的大量-OH可以作为活性位点，使用环氧氯丙烷(ECIP)对PVA进行有机修饰，得到了ECIP改性的PVA溶液(ECIP-PVA)。然后以苯胺单体为原料，采用接枝共聚的方法使苯胺单体在ECIP-PVA表面接枝聚合，制备了一系列PVA/PANI复合导电材料。并分别讨论了ECIP含量和PANI含量对PVA/PANI复合导电材料各项性能的影响，填补了PVA与PANI无化学共聚的空白，研究表明:PANI成功接枝在ECIP改性的PVA上，形成梳状高分子。并验证了，ECIP是PANI的接枝反应的活性点，是整个反应成功的关键，若ECIP含量过少或PANI用量过多都会使部分苯胺自聚而导致相分离。不同配比的PVA/PANI分散体粒子显示出不同的形态。ECIP含量或PANI含量适中时，体系处于非常稳定的状态。通过此方法制备的PVA/PANI复合材料相容性好，其热性能、力学性能均提高，导电性最高可达到1.02S/cm。
　　为了进一步改善复合材料的各项性能，以3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(QA)为原料，成功在PVA侧链上引入季铵基团，制成阳离子改性聚乙烯醇，然后再使苯胺在PVA侧基上接枝共聚，改变QA含量，制备了一系列QA-PVA/PANI复合导电材料。研究结果表明，季铵基团成功占用PVA部分羟基，合成了QA-PVA/PANI复合导电材料;QA-PVA/PANI的粒径与ECIP-PVA/PANI相比较小，分散液长时间稳定，随着QA含量的增加分散液粒径变大、分布变宽，分散液会有不稳定现象产生;当QA含量不大于30％时，PANI与PVA相容性较好，QA-PVA/PANI分散液更加均一稳定;阳离子的引入有利于苯胺的聚合和PVA与PANI之间的相容性，因此QA-PVA/PANI薄膜的热稳定、导电性力学性能均由于纯PVA，表现出优异的机械性能、热稳定性和导电性;
　　最终将制备的PVA/PANI复合材料应用于纸张表面，采用表面施胶法制备了CF系列和QCF系列导电纸，对比其与原纸的性能。通过本文的系统研究，得到以下结论:与原纸相比，导电纸表面附着有许多聚苯胺颗粒构成导电通道，并且QCF表面的聚苯胺颗粒明显多于CF表面;对于QCF系列导电纸，QA含量越多并不能够在原纸表面吸附越多的聚苯胺，当QA含量为20％时，原纸表面附着的PVA/PANI聚合物最多，可以看到均匀连续密布的聚苯胺颗粒;热重结果表明导电纸热稳定性较原纸稍有提高，QCF的热稳定性稍高于CF;QCF系列的导电性由于CF，可达到9×10-3S/cm;导电纸抗张强度测试表明PVA/PANI聚合物的附着有利于原纸的力学性能的提高。这种PVA/PANI导电在防静电包装和电磁屏蔽等领域具有广阔的应用前景。

目录

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 引言

1．2 导电高分子概述

1．3 聚苯胺

1．3．1 聚苯胺的结构

1．3．2 聚苯胺的合成方法及反应机理

1．3．3 聚苯胺的掺杂机制

1．3．4 聚苯胺的研究现状及应用

1．4 聚乙烯醇

1．4．1 聚乙烯醇的特性

1．4．2 聚乙烯醇的合成方法

1．4．3 聚乙烯醇的改性方法

1．4．4 导电聚乙烯醇的研究进展

1．5 阳离子聚乙烯醇

1．6 导电纸

1．7 本论文的研究意义、创新点及主要内容

1．7．1 本课题的研究意义及创新点

1．7．2 本课题的研究内容

2．聚苯胺接枝共聚改性聚乙烯醇复合材料的制备及性能表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料及试剂

2．2．2 实验仪器与设备

2．2．3 聚苯胺接枝共聚改性聚乙烯醇导电复合材料的制备

2．2．4 性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 ECIP用量对复合导电材料性能的影响

2．3．2 PANI用量对对复合导电材料性能的影响

2．4 本章小结

3．聚苯胺接枝共聚阳离子改性聚乙烯醇复合材料的制备及性能表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料及试剂

3．2．2 实验仪器与设备

3．2．3 聚苯胺接枝共聚阳离子改性聚乙烯醇复合材料的制备

3．2．4 性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 红外光谱分析

3．3．2 NMR图谱分析

3．3．3 TEM图谱分析

3．3．4 分散液粒度及分布分析

3．3．5 分散液稳定性分析

3．3．6 紫外光谱分析

3．3．7 SEM形貌分析

3．3．8 AFM分析

3．3．9 热稳定性分析

3．3．10 XRD分析

3．3．11 力学性能分析

3．3．12 导电性分析

3．4 本章小结

4．聚乙烯醇／聚苯胺导电材料的应用

4．1 引言

4．2 聚乙烯醇／聚苯胺导电纸实验部分

4．2．1 实验原料及试剂

4．2．2 实验仪器与设备

4．2．3 导电纸的制备

4．2．4 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 红外光谱分析

4．3．2 导电纸表面形貌分析

4．3．3 热稳定性分析

4．3．4 导电纸力学性能分析

4．3．5 导电纸导电性能分析

4．3．6 导电纸导电稳定性分析

4．4 本章小结

5．结论

5．1 总结

5．2 创新点

5．3 进一步的工作

致谢

参考文献

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