聚吡咯基纳米复合材料的制备及电磁性能研究

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有机/无机纳米磁性复合材料作为一类新颖的复合材料,兼有纳米无机磁性材料和高分子材料两者优异性能,成为了功能高分子材料研究领域的一个热点。它们在细胞分离、酶的固定、核酸的分离与提纯等领域,得到了广泛的研究,而且在有机和生化合成、环境/食品微生物检测等方面的应用研究也日益增多。聚吡咯(PPy)作为一类重要的导电聚合物,与其他导电聚合物相同,具有良好的导电性、化学稳定性、耐低温性及制备方法简单易行等特点,特别是可逆的掺杂/去掺杂机制,使其在开发电池、电子和光学器件、传感器、电致变色显示器、防腐材料等多功能材料和器件方面有许多潜在的应用,因而成为导电高分子中最有应用前景的聚合物之一。但聚吡咯难溶难熔、难于加工,这一缺点极大地限制了它的应用。为了改善聚吡咯的力学性能和加工性能,并且赋予聚吡咯新的性能,人们进行了大量的研究工作。本论文以聚吡咯为基制备了三种聚吡咯有机/无机纳米电磁复合材料,并对其性能进行了一系列表征研究。主要研究结果如下:1.采用超声原位聚合法成功制备了聚吡咯/Fe3O4纳米复合材料,并用透射电子显微镜(TEM)分析、扫描电子显微镜(SEM)分析、傅立叶红外光谱(FT-IR)分析、热重(TG)分析、四探针测试方法和震动样品磁强针磁性分析对复合材料性能进行了表征。研究发现,超声作用可以使纳米Fe3O4粒子分散的更加均匀,降低了磁性粒子的易团聚的现象,使聚吡咯以分散均匀的Fe3O4粒子表面以增长点聚合,提高材料的致密性。同时,磁性纳米Fe3O4粒子的引入,使复合材料具备了优良的磁性能,但也在一定程度上降低了材料的导电性,而超声聚合法则可以在一定的程度上改善这种情况的发生,制备出具有优良电磁性能的纳米复合材料。纳米Fe3O4粒子与聚吡咯并不是简单的物理包覆,可能存在着一定的相互作用,从而使复合材料的热稳定性也得到了提高。2.采用原位插层聚合法制备了聚吡咯/纳米Fe3O4/纳米石墨薄片复合材料,运用红外光谱(FT-IR)、热失重(TG)、透射电镜(TEM)、震动样品磁强针、四探针测试仪等手段对纳米复合材料进行了表征及电磁性能的研究。研究表明,纳米Fe3O4和石墨均匀存在于聚吡咯基材中,两种纳米物质与聚吡咯之间都有很强的相互作用,形成了稳定的三元纳米复合材料;导电性及磁性测试结果表明,引入的纳米石墨薄片在聚吡咯基体中形成了良好的导电网络,提高了复合材料的导电性;同时,由于纳米Fe3O4的引入,使复合材料具备了良好的磁性能,该材料可在电磁学领域得到应用。3.原位化学氧化聚合法制备了聚吡咯/Fe3O4/纳米银复合材料,运用红外光谱(FT-IR)、热失重(TG)、透射电镜(TEM)等手段表征了复合材料的组成及结构形态,并用四探针测试仪及震动样品磁强针测试了材料的电磁性。研究表明:纳米Fe3O4的引入,使聚吡咯/Fe3O4两项复合材料具备了良好的磁性能,但在一定程度上降低了材料的导电性。从SEM看出,具有优良导电性能的纳米Ag颗粒均匀包覆在聚吡咯/Fe3O4的表面,这使得聚吡咯/Fe3O4/Ag三项复合材料的导电性得到了明显增强,高于纯聚吡咯和两项复合材料的导电性,同时三项复合材料的环境稳定性也明显优于纯聚吡咯。
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