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导电聚苯胺(PANI)作为一种新型的功能导电高分子材料,其合成方法简单、掺杂机制独特和环境稳定性良好等优点,使其具有广阔的开发与应用前景。然而,导电聚苯胺的难溶解、难熔融和不易加工等特性阻碍了其实用化进程,本文目的在于研究一种电导率较高、兼具加工和可溶性的导电聚苯胺制备方法,并制备PANI/SiCN复合粉体和复合膜。
本文分别采用化学氧化法和乳液聚合法合成盐酸掺杂的导电聚苯胺(HCl-PANI)、十二烷基苯磺酸掺杂的导电聚苯胺(DBSA-PANI)及盐酸和十二烷基苯磺酸共掺杂的导电聚苯胺(HCl-DBSA-PANI)。采用掺杂、脱掺杂和再掺杂的技术路线,分别用溶液法及机械研磨法对本征态聚苯胺进行了再掺杂研究;选取制备的具有最高电导率 PANI 粉体与 SiCN 纳米粉复合,研究并合成了纳米SiCN粉体与导电聚苯胺复合粉体和复合膜。采用电导率仪、XRD、TEM 与 FT-IR等分析手段对聚苯胺进行了表征和性能分析。研究了反应时间、反应温度、氧化剂用量、掺杂剂浓度、SiCN纳米粉体的加入量和温度等工艺条件对复合粉体及复合膜的各项性能的影响,重点研究了聚苯胺复合粉体及复合膜的电导率和溶解性。
不同的酸掺杂所产生的PANI的电导率有很大的差异,其中DBSA-PANI有良好的溶液电导率(330μS/cm)、溶解性及热稳定性。PANI在酸掺杂后具有晶化倾向。合成PANI时,采用蒸馏水+微孔滤膜洗酸且洗涤滤液的pH值控制在3~4左右可以获得较高溶液电导率的PANI。
实验证明:SiCN纳米粉的加入基本不会影响PANI/SiCN复合粉体的电导率,复合粉体为圆形颗粒,链状分布;红外分析表明SiCN 粉体的加入对掺杂效果有一定不利影响,但适当的加入对其溶解率与电导率的影响较小。PANI一定的情况下,SiCN 粒子在DBSA-PANI/SiCN中的适宜加入量为0.20g左右,在HCl-PANI/SiCN中则为0.25g左右。
分别采用原位氧化法和溶液共混法制备的 PANI/PMMA、PANI/PVA 和PANUPVA/SiCN 复合膜导电性能相差不大,稳定性都较好,室温下放在空气中60天导电性能基本不变,但用溶液共混法制备的复合膜的韧性要比原位氧化法的好。另外,成膜基体对膜的性能有很大影响,PANI/PMMA复合膜具较好电导率和空气稳定性,但韧性差:PANI/PVA复合膜相对PANI/PMMA具有较好的综合性能。实验证明:纳米粉体作为介电材料对膜层电导性的影响不大,但聚苯胺粉体的加入量对复合膜的导电性能有很大影响,合成性能优良的复合膜,PANI的质量分数应控制在20%左右。