导电聚合物复合材料的制备及性能研究

摘要

导电聚合物由于具有易加工性、良好的环境稳定性、优异的导电性和良好的阻燃性因此成为了最广泛应用的材料之一。但是性能单一的材料已日渐不能满足社会发展的需求，能够在掺杂后具有多种优异性能的导电聚合物复合材料便应运而生。聚吡咯、聚苯胺因其同时兼有良好的导电性和阻燃性成为导电聚合物材料研究中的热门材料。本论文分别制备了聚吡咯/还原氧化石墨烯复合电极材料和聚苯胺/蒙脱土/聚苯乙烯纳米阻燃复合材料并对其进行了结构表征分析，电化学性能和阻燃性能测试。论文的主要结果如下：　　聚吡咯(PPy)/还原氧化石墨烯(RGO)复合电极材料可以通过简易的原位聚合一步法直接制备获得，而无需对氧化石墨烯(GO)进一步还原。1,4-对苯醌一方面在制备RGO/PPy纳米复合材料时用作PPy的氧化剂。另一方面，其还原后的产物—对苯二酚，可作为GO的还原剂。此外，1,4-对苯醌具有氧化还原活性，可提供额外的法拉第赝电容。制备了不同配比的纳米复合电极材料GP1,GP3,GP5(氧化石墨∶吡咯=10/90,30/70,50/50(wt%/wt%))。复合材料中，GP3和GP5形成了由二维的RGO和一维的PPy构成的三维海胆状多孔结构，该结构有助于电解质离子的传输。与纯的GO和PPy比电容(5F g-1、100F g-1)和电位窗口(1V)相比，复合材料GP1、GP3、GP5的电化学性能得以显著提高，其比电容分别提高至343Fg-1、454Fg-1和435Fg-1，电位窗口分别拓宽至1.2V、1.6V和1.8V。由GP3/GP5纳米复合电极材料组装的对称超级电容器表现出良好的超电容特性，在0.75kWkg-1的相同功率密度下，其能量密度分别高达50.0Whkg-1和49.2Whkg-1，GP3与GP5在10000次循环后表现出良好的循环稳定性(电容保持率分别为54%、65％)。　　利用简单的原位聚合制备得到聚苯胺(PANI)/蒙脱土(MMT)纳米复合材料，并对其使用十二烷基苯磺酸钠(DBSNa)和1,5-萘二磺酸(1,5-NDA)进行改性。结果表明，DBSNa和1,5-NDA的引入可以诱导PANI的有序生长和MMT层的剥离，制备得到改性纳米复合材料(DPM和NPM)。将改性后的纳米复合材料作为PS的阻燃剂，利用熔融共混的方法制备了不同配比(MMT/DPM/NPM的加入量分别为1wt%,3wt%,5wt%)的PS/MMT，PS/DPM，PS/NPM纳米阻燃复合材料。纳米复合材料中堆叠层状结构的MMT团聚减少、表面形貌相对松散。结果表明，DPM与NPM的引入使PS的热稳定性得以显著提高，其阻燃及抑烟性能也得到了明显的增强。与纯PS相比，PS/NPM3(NPM的加入量为3wt%)与PS/NPM5(NPM的加入量为5wt%)的热释放速率峰值(PHRR)降低50%左右，CO释放速率峰值(PCORR)则降低了40%左右，表现出良好的阻燃及抑烟效果。与MMT及DPM相比，NPM可提供最佳的阻燃和抑烟效果这主要归因于剥离的MMT层和均匀分散在PS基质中的PANI链共同构成的三维网络结构。

目录

声明

变量注释表

1 绪论

1.1.1导电聚合物简介

1.1.2 导电聚合物的合成

1.2 聚吡咯

1.3 聚苯胺

1.4 导电聚合物复合材料的应用与相关研究进展

1.4.1 导电聚合物复合材料的应用

1.4.2 导电聚合物复合材料相关研究进展

1.5.1 课题研究目的

1.5.2课题研究内容

2 实验技术与表征

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器

2.3.1 材料的形貌、结构与成分表征分析

2.3.2 材料阻燃性能测试

2.3.3 电化学性能测试

2.4 电化学表征的计算公式

2.4.1 单电极比电容的计算公式

2.4.2 超级电容器能量密度及功率密度的计算公式

3 聚吡咯/还原氧化石墨烯复合电极材料制备与研究

3.1 聚吡咯/还原氧化石墨烯复合电极材料制备

3.1.1 氧化石墨烯的制备

3.1.2 聚吡咯的制备

3.1.3 GO/PPy纳米复合材料（GPs）的制备

3.2 聚吡咯/还原氧化石墨烯复合电极材料的结构表征

3.3 聚吡咯/还原氧化石墨烯复合电极材料电化学表征

3.4 本章小结

4 聚苯胺/蒙脱土/聚苯乙烯复合阻燃材料制备与研究

4.1 聚苯胺/蒙脱土/聚苯乙烯复合阻燃材料的制备

4.1.1 MMT/PANI纳米复合材料的制备

4.1.2 PS/MMT、PS/DPM和PS/NPM纳米复合材料的制备

4.2 聚苯胺/蒙脱土/聚苯乙烯复合阻燃材料表征

4.3 聚苯胺/蒙脱土/聚苯乙烯复合材料的阻燃表征

4.3.1 PS/DPM和PS/NPM纳米复合材料的热性能

4.3.2 动态机械热分析

4.3.3 PS及其纳米复合材料的阻燃性分析

4.3.4残炭分析及阻燃机理

4.4 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历

致谢

学位论文数据集