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纳米聚苯胺及其复合材料的设计、制备与性能研究

颜海燕  
【摘要】:聚苯胺(PANI)具有大的共轭结构、独特的掺杂机制、良好的导电性和环境稳定性,被认为最有前途的导电高分子材料之一。然而,与传统的导体、半导体材料相比,导电聚合物的电荷传输缺陷导致了PANI较低的电导率、Seebeck系数和微波吸收性能,局限了其在现代微波隐身和热电材料与器件的应用。本文从结构设计出发,结合有机导体、纳米结构和功能组分的优点,制备了吸波与热电性能增强的纳米PANI及其复合材料,系统地研究了基体、功能组分和制备工艺对材料结构与性能的影响,探讨了纳米PANI及其复合物结构可控与性能提高的机理。 分别采用界面聚合法和共聚法制备纳米PANI,通过改变掺杂酸种类和浓度、表面活性剂和共聚单体,实现了纳米PANI的结构制备可控制备,揭示了合成工艺与纳米聚苯胺结构、性能之间的关系。 在PANI与纳米Fe304界面引入化学接枝作用,制备了PANI/Fe3O4复合材料。研究了PANI/Fe3O4复合材料的结构、微观形貌、接枝作用对其吸波性能的影响。结果表明,化学接枝作用增强了Fe304与PANI之间的界面结合,Fe3O4在PANI基体中良好分散,促使复合材料的电、磁参数良好匹配,吸波性能大幅增强。该复合材料有望在电磁屏蔽与微波隐身领域得到应用。 结合原位聚合法和热压方法的优点,制备均匀分散和热电性能增强的PANI/CNTs复合材料。研究PANI纳米包覆层和热压工艺对复合材料的结构与热电性能的影响。结果表明,通过原位聚合包覆在CNTs表面的PANI仅十几纳米厚,PANI纳米层增强了CNTs与基体之间的电荷载流子传输和能量过滤效应,使PANI/CNTs复合材料的电导率和Seebeck系数均大幅提高,其最大值分别达2.8×103S/m和21.6μV/K;最大ZT值为1.0×10-3,比纯PANI高3个数量级。因此,导电纳米层与热压法结合是制备热电性能增强的PANI/CNTs复合材料的新颖有效的方法。 在上述的PANI纳米层与CNTs之间引入PPy导电纳米层,并将它与PANI基体热压成型,制备PANI/PPy/CNTs三元复合材料。研究PPy纳米层引入对复合材料的结构和热电性能的影响。结果表明,PPy纳米层与PANI之间强的相互作用使CNTs在PANI基体中良好分散,CNTs/PPy诱导PANI分子链有序排列,载流子传输和能量过滤效应增强,从而使三元复合材料的Seebeck系数和热电性能增强。且PPy纳米层引入大量界面热阻,使复合材料保持较低的热导率。这种引入第三元导电纳米界面层的方法对聚合物/CNTs热电复合材料体系的研究具有重要的参考价值。 本文通过结构和工艺设计,制备纳米PANI及其复合材料,系统地研究了合成条件、复合工艺对PANI复合材料的结构、导电、吸波与热电性能的影响,对导电聚合物在微波隐身、温差发电材料与器件方面的研究具有重要的参考价值。


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