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木质素磺酸盐与木质素磺酸盐/碳纳米管掺杂聚苯胺的合成、表征及性能研究

董金桥  
【摘要】: 在导电高分子家族中,聚苯胺(PANI)具有优异的物理化学性能,独特掺杂机制和良好的环境稳定性,而且原料廉价易得、合成工艺简便,被认为是最有可能实现工业化应用的导电高分子。但是聚苯胺还是存在着很多缺点,例如结晶性能很差、很难溶解于水和有机溶剂、导电性能很低、也很难熔融、柔韧性不好等等。所以在加工性能上存在着很大的缺陷。为了提高聚苯胺的可加工性能,本文采用木质素磺酸盐为乳化剂和聚合模板,乳液聚合合成具有良好溶解性能和导电性能的聚苯胺。 木质素磺酸盐(LGSs)可以分为三种,.木质素磺酸钠(LGS-Na),木质素磺酸镁(LGS-Mg)和木质素磺酸钙(LGS-Ca)。这三种木质素磺酸盐均很容易溶解于水中。从分子结构上讲,他们均包含双亲基团。例如,亲水基团磺酸根,疏水基团有碳链和酚羟基官能团等。由于三种木质素磺酸盐具有不同的表面性能,所以我们采用三种木质素磺酸盐作为乳化剂和掺杂剂,通过乳液聚合的方法合成导电聚苯胺(PANI/LGSs)。在乳液聚合中,我们提出了LGSs作为乳化剂乳液聚合的机理,我们认为LGSs不仅起着乳化剂的作用,同时也是引导聚合的模板,很好的掺杂聚苯胺。通过FT-IR、Uv-vis、EA证实了LGSs很好的掺杂了PANI。WAXD分析表明LGSs掺杂的聚苯胺是部分结晶的,掺杂后结构变紧密。TGA表明PANI/LGS-Ca的热稳定性最好。PANI/LGSs的电导率比纯PANI高出两个数量级。其中PANI/LGS-Ca的电导率最高,比纯PANI的要高430倍。另外,产物的产率也又所提高。电导测试法得出用LGSs为乳化剂掺杂PANI能很好地提高聚苯胺在有机溶剂中的溶解性,PANI/LGS-Ca能够很好的溶解在NMP、DMSO、DMF、MEK等有机溶剂中。SEM发现合成的PANI/LGSs均为纳米小球颗粒。 由于LGS-Ca具有较高的表面能,我们采用LGS-Ca作为表面活性剂,通过自组装的方法对碳纳米管(MWNTs)的表面进行非键修饰。EA、FT-IR、SEM都证实了LGS-Ca成功的修饰了MWNTs。通过此方法得到的MWNTs-LsCa能够很好的分散在盐酸溶液中。同时,MWNTs-LsCa可以作为聚合模板合成高导电性能的聚苯胺。这种非键修饰方法有效的避免了MWNTs的团聚现象,我们提出了MWNTs-LsCa作为聚合模板的聚合机理,并且通过EA、FT-IR、Uv-vis证实了MWNTs-LsCa作为掺杂剂掺杂进入聚苯胺。WAXD发现PANI/MWNTs-LsCa比纯PANI结晶取向更好,结晶度有很大的提高。SEM看出合成得到的PANI/MWNTs-LsCa呈现出纳米纤维的形态,直径约为250nm,MWNTs-LsCa很好的分散在PANI中,并被PANI分子包裹着,我们从聚合机理给出了一定的解释。PANI/MWNTs-LsCa的溶解性能比纯PANI提高很多,在NMP和DMSO中,PANI/MWNTs-LsCa的溶解度可以达到8g/100mL以上,PANI/MWNTs-LsCa的电导率高达55.427S/cm,是纯PANI的279倍,我们提出了这种高电导率的导电机理模型,给予了很好的解释。 我们通过毛细上升法测PANI、PANI/LGS-Ca和PANI/MWNTs-LsCa的动态表面吸附性能,计算出他们动态表面吸附的动力学方程及其动力学参数,并且用van Oss-Good-Chaudhury组合理论计算出PANI、PANI/LGS-Ca和PANI/MWNTs-LsCa的动态表面张力。通过计算我们发现PANI/MWNTs-LsCa的动态表面张力是最大的。


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