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聚苯胺具有环境稳定性好、性能可调和度高等优点,逐渐地成为最有前景导电高分子材料之一。导电高分子复合材料不仅可以改善导电高分子的物化性能,还可以获得新的功能。
石墨具有片层结构,优良的导电导热以及自润滑等功能,在我国储量非常丰富,可以与高分子实现片层复合,尤其是经过化学改性处理制备的膨胀石墨,在增大层间距的同时能给有机单体苯胺提供充足的反应空间,增强与聚苯胺的相容性。论文选择膨胀石墨为分散相,对膨胀石墨/聚苯胺复合材料的制备及性能进行研究。
在前人实验的基础上,论文选取了盐酸浓度、过硫酸铵用量、十二烷基苯磺酸钠用量、反应时间四个影响因素,每个因素三个水平,按L9(34)正交表安排聚苯胺乳液聚合制备实验,确定电导率最高时的制备工艺,然后在固定其它因素的基础上,分别对单因素进行探讨,得到最佳制备工艺条件为:盐酸浓度1.5mol/L、nAPS:nAn=1:1、nSDBS:nAn=1:1、反应时间为6h。重点对十二烷基苯磺酸钠用量进行讨论,通过对制备产品进行X射线衍射、红外光谱、微观相貌表征,表明十二烷基苯磺酸根作为侧链基团成功掺入聚苯胺分子链上,链间作用力减小,分子链的规整度高,团聚现象减弱。
然后以聚苯胺为研究对象,采用的是无机/有机复合体系,在聚苯胺中引入膨胀石墨,将膨胀后并经过超声分散处理的膨胀石墨与苯胺通过原位乳液聚合法制备了膨胀石墨/聚苯胺复合材料。通过在大量实验数据的基础上,依照对膨胀石墨/聚苯胺复合材料电导率影响程度,分别对盐酸浓度、过硫酸铵用量、十二烷基苯磺酸钠用量、超声时间、聚合反应时间、石墨掺杂量进行正交实验,并对盐酸浓度、过硫酸铵用量、十二烷基苯磺酸钠用量、膨胀石墨掺杂量进行单因素反应实验,得出最优制备条件是盐酸浓度为1mol/L、nAPS:nAn=1:1、nSDBS:nAn=1:1,并且复合材料随石墨掺杂量的增加呈现逐渐增加的趋势,在石墨掺杂量为12%时,复合材料电导率达到7.692S·cm-1,并且在膨胀石墨掺杂量为3%时,电导率为3.956S·cm-1,比天然石墨和石墨烯掺杂聚苯胺的电导率均高。
最后,论文对膨胀石墨/聚苯胺复合材料进行结构、形貌表征,初步探讨了复合材料的导电机理。膨胀石墨的加入使聚苯胺掺杂程度进一步提高,载流子浓度增加,有利于提高导电性能;由于膨胀石墨起晶核作用,使苯胺易于吸附在膨胀石墨表面聚合生长,聚苯胺分子链规整度提高,结晶度增高,同时减弱了聚苯胺分子链间的团聚作用,同时复合材料的热稳定性也有一定改善。