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聚苯胺/对苯二胺功能化多壁碳纳米管导电复合材料的制备、结构与性能研究

许军  
【摘要】: 本论文采用原位聚合法制备了聚苯胺(PANI)/对苯二胺功能化多壁碳纳米管(MWNTs)导电复合材料,采用Raman光谱、FTIR、XPS、UV-vis光谱、TEM、XRD、TGA和四电极电导率仪对复合材料的结构和性能进行研究。 MWNTs经对苯二胺功能化后,其表面石墨片层结构的规整度没有过多降低,苯胺基团以3.7%的表面含量通过酰胺键连接到多壁碳纳米管表面(p-MWNTs),并具有的71.69 S/cm的室温电导率。 通过原位溶液聚合制备了以p-MWNTs为核、HCl掺杂PANI为壳的同轴包覆型HCl掺杂PANI/p-MWNTs导电复合材料。p-MWNTs表面的苯胺基团参与原位聚合反应,使PANI与p-MWNTs通过酰胺键连接起来;有较多微晶区分布在PANI包覆层的内层,随着聚合反应的延续,有较多无定型PANI分子链分布在包覆层的外层;该复合材料的热稳定性在300~500℃较纯HCl掺杂PANI明显提高,并且该复合材料的室温电导率较HCl掺杂PANI至少提高一个数量级。 通过对HCl掺杂PANI/p-MWNTs复合材料的去掺杂和二次掺杂反应,首次制备了能在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中稳定溶解的DBSA二次掺杂PANI/p-MWNTs导电复合材料。借助DBSA二次掺杂PANI包覆层的溶解性和p-MWNTs与PANI之间的连接作用,使其在NMP中获得35.56mg/mL的溶解度和近一个月的稳定性;该复合材料的室温电导率较DBSA二次掺杂PANI提高近两个数量级。 通过对HCl掺杂PANI/p-MWNTs复合材料的磺化和水解反应,首次制备了水溶性磺化聚苯胺(SPAN)/p-MWNTs导电复合材料。磺酸基团以接近1:1的S/N比连接在SPAN包覆层的大分子骨架上。在SPAN/p-MWNTs复合材料中,高的S/N比和SPAN分子链与p-MWNTs的连接作用,使该复合材料在水中获得43.56 mg/mL的溶解度和近两个月的稳定性;该复合材料的室温电导率较SPAN提高近两个数量级。应用p-MWNTs,通过原位乳液聚合,首次制备了DBSA掺杂PANI/p-MWNTs水性胶乳及能在有机溶剂中稳定溶解的DBSA掺杂PANI/p-MWNTs导电复合材料。连接在p-MWNTs表面的苯胺基团参与原位聚合反应,使PANI与p-MWNTs通过酰胺键连接起来,形成以p-MWNTs为核、DBSA掺杂PANI为壳的纳米复合结构;包覆层中DBSA掺杂PANI的结构规整度较纯DBSA掺杂PANI提高;该复合材料的室温电导率较纯DBSA掺杂PANI至少提高一个数量级。


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