聚苯胺纳米棒包覆氧化石墨烯和/或碳纳米管的制备及其电磁屏蔽性能研究

摘要

随着科技的发展，电磁波污染已经给人类的生活带来了越来越严重的危害，目前多采用电磁屏蔽材料来减少其损害，其中以导电性填料和聚合物混合制备的填充型导电聚合物复合材料(Conductive Polymer Composites，CPCs)因具有质轻、种类多、易于加工等优点而得到广泛应用。碳基材料因其独特的结构及优异的性能在CPCs填料领域有很好的应用前景，其中石墨烯和碳纳米管又因其比表面积大、机械强度高和可塑性强而逐渐成为其中的佼佼者。聚苯胺(PANI)因其形貌可控、电导率可调、耐腐蚀、轻质和环境友好等诸多优点而受到极大的关注。本文制备了定向聚苯胺纳米棒包覆氧化石墨烯(GO)和/或碳纳米管(CNTs)的CPCs复合填料，并对其结构和电磁屏蔽性能进行了研究。
　　(1)利用稀释聚合的方法在GO表面生长了一层定向聚苯胺纳米棒，制得了一种具有较高电导率和比较面积的GO/PANI层状纳米复合材料，探讨了其合成机理，发现了影响GO/PANI表观形貌的因素主要来自于其表面的静电排斥力和由表面张力而产生的团聚力，确定了GO/PANI的最佳合成条件。将最佳合成条件下制备的GO/PANI复合材料与石蜡按不同比例混合制备样品并对其电导率和电磁屏蔽效能进行了测试，发现其电磁屏蔽效能在不同含量范围内的变化趋势有所不同，在中间浓度范围内（30-50 wt％）其增长幅度要大于在较高（≥50 wt％）或较低（≤30 wt％）范围内的，用偶极极化、界面极化和电子跃迁三种屏蔽机理对此现象进行了探讨。
　　(2)通过改变GO、CNTs和苯胺在反应液中的比例制备了系列GO/PANI/CNTs纳米网状复合材料，确定了最佳合成条件。用FT-IR、UV-vis、XRD和TGA等测试手段对其结构和热稳定性进行了表征。将最佳合成条件所制备的GO/PANI/CNTs复合材料与石蜡按不同比例混合制备了系列测试样品，进行了电导率和电磁屏蔽性能的测试，发现其电磁屏蔽效能的变化趋势与GO/PANI复合材料的基本一致。由于引入其中的CNTs不仅更易形成有效的导电网络，还能有效吸收电磁波，在相同质量分数的情况下，GO/PANI/CNTs复合材料呈现出更高的电导率和电磁屏蔽效能。
　　(3)通过溶液混合的方法将不同质量分数的GO/PANI复合材料分散到水性聚氨酯(WPU)和热塑性聚氨酯(TPU)基质中，并将其涂覆到表面皿或载玻片上制备了相应的薄膜。用光学显微镜、SEM和TEM等测试方法分析了其分散性，发现疏水性的GO/PANI复合材料可以很好的分散到TPU基质中，而在WPU中团聚严重。用同样的方法将不同质量分数的GO/PANI/CNTs复合材料分散到TPU基质中，发现其分散性依然很好。用TGA和DSC等方法研究了所得复合薄膜的热稳定性能，发现填料的加入可以有效提高TPU硬段的结晶程度，从而在一定程度上提高了其热稳定性。对含不同填料的薄膜进行了电导率和电磁屏蔽效能的测试，发现填料/TPU复合材料的电导率和电磁屏蔽效能均要好于同等质量分数的填料与石蜡混合所制备样品的性能，在电磁屏蔽领域有较好的应用前景。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 电磁屏蔽机理

1．3 电磁屏蔽材料的分类及其相应特点

1．3．1 电阻型电磁屏蔽材料

1．3．2 电介质型电磁屏蔽材料

1．3．3 磁介质型电磁屏蔽材料

1．4 以石墨烯为填料的导电型聚合物复合电磁屏蔽材料

1．4．1 石墨烯的制备

1．4．2 以纯还原石墨烯为填料的复合电磁屏蔽材料

1．4．3 石墨烯-固体颗粒为填料的复合电磁屏蔽／吸波材料

1．4．4 石墨烯-聚苯胺为填料的复合电磁屏蔽／吸波材料

1．4．5 石墨烯-碳材料为填料的复合电磁屏蔽材料

1．5 研究课题的提出及意义

第二章 GO／PANI层状纳米复合材料的制备及其电磁屏蔽性能研究

2．1 实验部分

2．1．1 试剂

2．1．2 氧化石墨烯(GO)的制备

2．1．3 GO／PANI层状复合材料的制备

2．1．4 聚苯乙烯(PS)微球的制备

2．1．5 空心聚苯胺微球的制备

2．1．6 测试仪器及测试方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 不同反应条件下的GO／PANI层状纳米复合材料的制备

2．2．2 GO／PANI纳米复合材料的电磁屏蔽性能

2．3 小结

第三章 GO／PANI／CNTs空间网状纳米复合材料的制备及其电磁屏蔽性能研究

3．1 实验部分

3．1．1 试剂

3．1．2 表面羧酸化碳纳米管的制备

3．1．3 聚苯胺包覆碳纳米管复合物(CNTs／PANI)的制备

3．1．4 GO／PANI／CNTs网状纳米复合材料的制备

3．1．5 测试仪器及测试方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 表面羧酸化碳纳米管的制备与表征

3．2．2 不同酸掺杂聚苯胺包覆碳纳米管复合物(CNTs／PANI)的制备与表征

3．2．3 GO／PANI／CNTs网状复合材料的制备

3．2．4 GO／PANI／CNTs复合材料的结构表征

3．2．5 GO／PANI／CNTs空间网状复合材料的电磁屏蔽效能

3．3 小结

第四章 GO／PANI／PU与GO／PANI／CNTs／PU复合材料的制备及其性能研究

4．1 实验部分

4．1．1 试剂

4．1．2 主要试剂的预处理

4．1．3 交联型水性聚氨酯乳液的制备

4．1．4 填料／WPU复合材料的制备

4．1．5 填料／TPU复合材料的制备

4．1．6 测试仪器及测试方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 填料／聚氨酯复合材料分散性的研究

4．2．2 填料／TPU复合材料的结构分析

4．2．3 填料／TPU复合材料的热稳定性分析

4．2．4 填料／TPU复合材料的电磁屏蔽效能分析(EMI SE)

4．3 小结

第五章 结论

参考文献

作者简介及攻读硕士学位期间所取得的科研成果