PAN/PEDOT导电纳米纤维膜的制备及性能表征

摘要

导电高分子复合材料是一类导电性能接近金属或半导体的高分子材料，具有密度低、生产成本低、可加工性强等特点，在电子、能源、生物等领域都有很好的应用前景。静电纺丝技术是一种灵活、简单的利用高压静电为驱动力来制备高分子纳米纤维的方法，利用该方法制备的纤维具有很多优良的特性，成为材料领域研究的热点。近年来，越来越多的研究者尝试使用静电纺丝法制备导电高分子复合材料。本文结合国内外文献和经验，将静电纺丝法与化学液相沉积法组合在一起，形成一种新的制备方法，得到了一种导电性能和力学性能良好的导电高分子复合材料，克服了传统方法存在的加工困难、工艺复杂、成本高等问题。主要内容和结论如下：
　　（1）文章第一部分首先通过静电纺丝法制备了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜，用作导电复合材料的基体，然后通过化学液相沉积法在PAN表面沉积一层聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)。主要研究了PAN/PEDOT导电纳米纤维膜的制备工艺，探讨了PAN浓度、静电纺丝距离、电压及滚筒转速等对PAN纤维形貌和尺寸的影响，确定了最佳纺丝工艺条件为：纺丝液浓度9.2wt.％、纺丝距离23cm、电压15kV、滚筒转速900r/min。同时采用SEM、FTIR、TGA、力学性能测试、电导率测试等手段对制备的PAN/PEDOT导电纳米纤维膜的基本结构和性能进行了表征，结果表明PEDOT成功地在PAN表面聚合，形成一层覆盖层，引起了PAN红外吸收峰位置的变化，PAN自身热稳定性能良好，引入PEDOT降低了起始分解温度，提高了最大热分解温度，降低了相应的热释放速率，PAN/PEDOT导电纳米纤维膜断裂强度为0.5MPa，电导率为10-2S/cm数量级。
　　（2）文章第二部分采用化学氧化处理的方法对碳纳米管(CNT)进行羧基化改性，提高其在溶剂、聚合物基体中的分散性。研究了羧基化处理条件如酸化温度、酸化时间等对CNT羧基化程度和破坏程度的影响，确定了最佳工艺条件为：羧基化处理温度为90°C，羧基化处理时间为2h。通过 FTIR、FESEM、TEM、XRD等对羧基化处理前后CNT的结构和性能进行表征，结果表明，酸化处理并没有改变CNT的管状结构，仅在其表面生成了较多羧基基团，酸化处理能够有效去除CNT中的杂质，也能切断部分CNT纤维，温度比时间对CNT羧基化程度的影响更大，CNT热稳定性能随着羧基化程度的增大而降低。
　　（3）文章第三部分将羧基化CNT加入PAN纺丝液中，制备了PAN/CNT复合纳米纤维，通过化学液相沉积法在复合纤维表面沉积了一层PEDOT，得到了PAN/CNT/PEDOT复合导电纳米纤维膜。研究了 CNT含量、EDOT浓度、氧化剂浓度和氧化时间等对PAN/CNT/PEDOT复合导电纳米纤维膜力学性能和导电性能的影响，确定了最佳工艺条件为：CNT含量为20wt.%， EDOT浓度为2.5%(V/V)，氧化剂浓度为0.3mol/L，反应时间为10h，此时PAN/CNT/PEDOT导电纳米纤维膜的电导率为3.21S/cm，断裂强度为2.25MPa，相对于PAN/PEDOT纳米纤维膜发生了较大程度的提高。采用SEM、TEM、FTIR、TGA等手段对PAN/CNT/PEDOT复合导电纳米纤维膜的结构和性能进行表征，结果表明，CNT的加入使得PAN纤维表面变得粗糙，PEDOT成功地聚合在PAN/CNT纳米纤维膜表面，提高了PAN/CNT纳米纤维膜在高温条件下的热稳定性能。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 静电纺丝技术概况

1.3 聚丙烯腈/碳纳米管纤维概况

1.4 PEDOT概况

1.5 课题的研究意义、目的及主要研究内容

第二章 PAN基底的PEDOT导电纳米纤维膜的制备及性能表征

2.1 引言

2.2 实验内容

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 碳纳米管的羧基化改性

3.1 引言

3.2 实验内容

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 PAN/CNT/PEDOT导电纳米纤维膜的制备及性能表征

4.1 引言

4.2 实验内容

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士期间的研究成果

致谢