聚苯胺纳米复合材料的制备及应用

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自1977年白川英树和Macdiarmid用碘掺杂聚乙炔得到具有金属导体电导率的高分子材料后,导电高分子材料逐渐引起人们的重视并得到迅速发展。在几种可以导电的高分子材料中,聚苯胺(PAn)被认为是最有实际应用前景的导电聚合物之一,它是芳香族胺类氧化聚合物的杰出代表,具有原料廉价易得、电导率高、合成简便、掺杂态和未掺杂态的环境稳定性好等众多优点,使它成为当今高分子化学、物理化学、无机化学和材料科学等多学科交叉的前沿研究领域。 本征态的聚苯胺本身导电率相当低,这使它在光电器件方面的应用受到了限制。掺杂是赋予本征态聚苯胺导电性能的必然途径,它能够将几乎不导电的本征态聚苯胺转变为导电性能良好的高分子材料。目前研究较多的是各种无机酸掺杂的PAn、有机酸掺杂的PAn、以及无机/有机酸混合掺杂的PAn。其中苯胺经HClO4、H2SO4、HCl掺杂聚合后得到的产物,电导率较高,得到普遍应用。目前结构型导电聚苯胺由于结构的特殊性与制备及提纯的困难,大多还处于实验室研究阶段,获得实际应用的较少,尤其是结构型导电聚苯胺在空气和水中不稳定,难溶解、难熔融,难以加工成型且机械性能较差的特性阻碍了其应用发展。 纳米材料的小尺寸效应(也称体积效应)、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应赋予材料特殊的物理性能和化学性能,这些效应使纳米材料获得了广泛的应用。将纳米材料填加到苯胺中制成的复合聚苯胺纳米材料将纳米颗粒的功能性和聚苯胺的优良电导率有效的结合在一起,使其性能优越,因此在电磁材料、传感材料、储能器材料、贵金属离子吸附材料等方面显示出众多诱人的应用前景。经过掺杂和引入纳米填料以后,使聚苯胺转变为两种类型的高分子,即结构型导电高分子材料和复合型导电高分子材料。 本文首先采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2颗粒,并在体系中加入偏钒酸铵的草酸溶液,使体系最终引入了五氧化二钒(V2O5)。钒的引入缩短了TiO2的凝胶时间,并且抑制了TiO2热处理过程中金红石相的产生,同时减小了纳米颗粒的粒度。论文研究了草酸浓度对TiO2-V2O5凝胶时间的影响、纳米TiO2-V2O5的热处理温度对纳米颗粒的结构及大小的影响,探讨了偏钒酸铵在整个溶胶凝胶过程中不同价态的转化机理。 论文采用化学原位合成法制备TiO2-V2O5复合聚苯胺纳米材料。论文主要研究了影响复合聚苯胺的电导率及产率的因素,包括反应体系的气氛环境、纳米材料的热处理温度、TiO2-V2O5中V2O5的含量、反应时间、氧化剂用量、盐酸浓度、TiO2-V2O5纳米粉体的用量,通过单因素分析确定了制备复合聚苯胺纳米材料的最佳工艺条件和原料的最佳配比,然后采用四探针电导率仪、X射线衍射仪、红外光谱仪、紫外可见光谱仪、扫描电镜等现代分析测试手段对产品的电导率、微观结构、粒径等进行了分析与表征。论文还针对聚苯胺的难溶解性做了溶解率的试验,结果表明制得的TiO2-V2O5复合聚苯胺纳米材料在环己酮中有较好的溶解。论文通过对各条件实验时制得的产物的红外光谱分析和X射线衍射分析,研究了反应的机理,初步总结了个影响因素对产物电导率和产率的影响规律,为今后的进一步研究奠定了基础。实验结果表明:整个反应体系的盐酸浓度、氧化剂用量以及纳米TiO2-V2O5的用量对产物的电导率影响都较大;X射线衍射分析表明,引入V2O5后,纳米TiO2的粒径为15nm左右,晶型为锐钛矿型,而纳米聚苯胺的粒度为21.52nm,纳米聚苯胺结晶度高,晶型规整。 论文对最佳条件下制得的样品与相同条件下不添加纳米材料制得的聚苯胺进行分析对比。论文还对选定的最佳条件下制备的复合材料进行结构测定,表明制得的纳米聚苯胺的结构为聚苯胺包覆纳米TiO2的核-壳结构,制得的聚苯胺电导率约140Scm-1,电导率较其它聚苯胺TiO2提高近三个数量级。 论文还研究了TiO2-V2O5复合聚苯胺纳米材料光催化降解苯酚的应用研究,结果表明产物光催化降解有机物效果明显。 通过实验研究制备出电导率较高的聚苯胺无机纳米复合材料,通过引入纳米TiO2-V2O5,改变了聚苯胺的难加工性能,特别是提高了聚苯胺的溶解性,使其具有广阔的应用前景。
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