导电聚合物/纤维素纤维复合材料性能改善及功能化研究

来源 :东北林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huei59
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纤维素纤维作为自然界赋予人类的一大瑰宝,其性能的开发与应用早已成为人们的研究重点。特别是对于其功能化的研究,在纤维素纤维本身的优良性质基础上,结合改性物质的特殊功能,能够制得纤维素纤维基功能材料,具有广泛应用前景。物理改性中通过原位聚合导电聚合物方式,使纤维素纤维同时具备导电聚合物的多种功能已经得到广大研究者的关注。但由于导电聚合的包覆使得纤维素纤维之间的羟基被大量覆盖而使材料的强度较差,同时因纤维素纤维比表面积较大,在储存过程中与空气或水溶液过多的接触,使其各种功能指标下降(如脱掺杂引起的电导率降低),导致了导电聚合物/纤维素纤维的应用受到一定程度的限制。  本论文采用水相纤维素纤维基原位聚合导电聚合物的方式,制备同时具备导电、阻燃及抑菌性能的多功能导电聚合物/纤维素纤维复合材料,选用含有多种功能基团的掺杂剂,为聚合物分子间提供额外氢键连接,改善了复合材料的强度性能。并通过改变传统的掺杂方式制备了自掺杂导电聚合物/纤维素纤维复合材料,一定程度上解决了导电聚合物脱掺杂的问题,为导电聚合物/纤维素纤维复合材料的广泛应用提供了理论依据和技术基础。  采用对甲苯磺酸(PTSA)和磺基水杨酸(SSA)两种有机磺酸作掺杂剂制备了强度性能优异的双功能聚苯胺/纤维素纤维复合材料。研究结果表明,复合材料的导电和阻燃性能均与掺杂酸的并入有密切关系,并且掺杂酸的浓度为重要影响因素。SSA掺杂纸样的导电、阻燃性能、强度性能以及导电稳定性均优于PTSA掺杂纸样以及以前所研究的无机酸掺杂纸样。通过XPS、SEM等表征手段说明了SSA掺杂纸样具备更优异性能主要是因其更高的掺杂水平以及SSA的多个官能机团在掺杂后多余的酸根基团在聚苯胺的分子间形成了更多的氢键连接。  以纤维素纤维为载体、以苯胺(ANI)及间氨基苯磺酸(MAA)为原料原位共聚反应制备了氨水中拥有更优异耐脱掺杂性能的自掺杂聚苯胺/纤维素纤维(SPANI/CF)复合材料。SPANI/CF的最优制备工艺为:冰浴条件下,反应物总摩尔量0.07mol,且MAA∶ANI最优摩尔比为2∶1,反应物与过硫酸铵摩尔比为2∶1,盐酸浓度为1.2mol/L,反应时间为105min。虽然自掺杂不能提高复合材料的导电性,但能够提高其阻燃性能。SPANI/CF的电导率和氧指数值在经过氨水的浸渍处理后均有所下降。ATR-FTIR、XPS以及SEM等分析证明了氨水处理后去质子化过程的发生,并且优异的耐脱掺杂性能是由于SPANI苯环上的磺酸根不易被脱除。  选用了草酸(OA)、柠檬酸(CA)以及磺基水杨酸(SSA)三种含两个以上官能团的掺杂酸作为吡咯聚合过程中的掺杂剂,制备了强度性能优异的聚吡咯/纤维素纤维复合材料(PPy/CF)。结果表明,PPy/CF纸样的强度性能能够因掺杂酸提供的聚吡咯分子间额外的氢键连接而大大提升,并且酸浓对于PPy/CF纸样的性能影响明显。三种掺杂酸中,SSA的掺杂效率最高,使得SSA-PPy/CF的综合性能最优,当浓度为0.02mol/L时,能够电导率可达18.25S/m,抗张指数19.32Nm/g。  采用硫酸盐法制浆副产物-木素磺酸钠(SLS)为掺杂剂,研究了SLS对聚吡咯/纤维素纤维(PPy/CF)的强度性能的影响。结果表明,与FeCl3(FC)和对甲苯磺酸(PTSA)掺杂的PPy/CF相比,SLS的引入使得聚吡咯分子间能够形成额外的氢键并且使得聚吡咯颗粒拥有了热熔性质,在两者的协同作用下,使PPy/CF的强度性能得到大幅度改善。当SLS掺杂用量为0.5g时,PPy/CF的抗张指数达到20Nm/g左右,恢复至原纤维素纤维的强度性能的一半,但损失了其部分导电性能。SLS的分子量及用量对于PPy/CF的导电性能及强度性能均有不同程度的影响。在一定用量范围内,大分子量的SLS能够提供更强的强度性能,但其导电性性能较差。并且随着SLS用量的增加,SLS-PPy/CF的电导率下降。  植酸是一种从植物种子中提取出来的有机膦类化合物,在自然界中产量丰富,利用其与金属离子的螯合作用,以及植酸本身和金属离子的抑菌作用,原位聚合制备了同时具备导电、阻燃以及抑菌性能的导电聚合物(PPy、PANI)/纤维素纤维复合材料。结果表明,与磺基水杨酸锌掺杂进行对比,植酸锌的掺杂由于将更多的阻燃成份引入聚合物链中,因而能够为导电聚合物/纤维素纤维复合材料提供良好的抑菌性能(尤其是对于金黄色葡萄球菌)和阻燃性能,尽管其导电性能因植酸的掺杂水平较低而较磺基水杨酸掺杂的导电聚合物/纤维素纤维复合材料有所下降。并且,植酸浓度对复合材料性能影响显著,由于苯胺与吡咯聚合机理不同,使得PPy/CF纸样和PANI/CF纸样分别在植酸浓度分别为0.2mol/L和0.3mol/L时获得最优性能。
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