聚(3,4-乙烯二氧噻吩)水分散体的合成和性能研究

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聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)是一种导电聚合物。它有着导电性高、化学稳定性好,耐高温,透光性能高等优点。PEDOT在太阳能电池,透明导电薄膜方面有着很大的利用潜能和发展空间。本论文简述了有机导电聚合物的发展和应用,分析了聚(3,4-乙烯二氧噻吩)在应用方面面临的问题,从中确立本论文研究方向和内容。本论文采用自由基聚合方式成功合成了聚苯乙烯磺酸钠(PSS)均聚物、PSS与丙烯酸酯共聚物、聚醚改性PSS。在此基础上制备合成了均聚型PEDOT、共聚型PEDOT、聚醚型PEDOT水分散体。同时制备了封端型非离子型水性聚氨酯改性的PEDOT和聚乙烯醇改性的PEDOT。对它们的合成与性能进行了研究。具体研究内容如下:(1)对均聚型PEDOT水分散体的合成及性能研究。制备了聚乙烯基苯磺酸钠均聚物,并以此为模板制备了PEDOT/PSS。采用气相色谱法,对EDOT聚合动力学进行研究。研究发现:反应温度越高,聚合速率越快;氧化剂用量越多,EDOT单体聚合速率越快,转化率越高;Fe2(SO43与EDOT摩尔比应2‰为反应合适比值;以对甲苯磺酸铁和双氧水为氧化剂时,聚合速率高于过硫酸铵为氧化剂氧化EDOT的聚合速率。对聚合物薄膜方块电阻测试发现:反应温度越高,薄膜方块电阻越大;氧化剂用量越多,薄膜方块电阻越大;PSS用量大,薄膜方块电阻越大;由单体与模板质量比1:3制备的薄膜方块电阻约为10KΩ/□。紫外分外分光光度计吸收测试证明聚合物PEDOT/PSS薄膜可见光透过率95%以上。原子力显微镜测试表明,PEDOT相分散在PSS相中,PEDOT越多,形成的PEDOT颗粒越大且在膜表面凸出程度增大,颗粒接触程度增大或紧密相连。(2)以MPEG、IPDI、HPA、PSS为原料成功制备聚醚接枝PSS聚合物,并以此聚合物为模板制备了聚醚型PEDOT/PSS,对聚合物性能进行研究。研究发现:接枝PSS共聚物的数均分子量在12万左右。其水分散体粒径明显大于均聚型PEDOT水分散体粒径,粒径值在3000nm左右。聚醚型PEDOT聚合物薄膜方块电阻小于相应均聚型PEDOT聚合物薄膜方块电阻,EDOT与模板质量比1:3时,薄膜方块电阻为约8KΩ/□。循环伏安测试表明聚醚型PEDOT聚合物电化学活性高于均聚型PEDOT。紫外吸收光谱分析表明聚醚链段的加入对聚合物薄膜透光性影响很小。(3)以丙烯酸羟丙酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯与SSS反应制备PSS共聚物,以其为模板制备了共聚型PEDOT/PSS。聚合物性能研究发现,PSS共聚物分子量在12万左右。丙烯酸酯类的加入对PEDOT水分散体粒径没有影响。以丙烯酸酯类与SSS摩尔比1:(4~6)制备的PSS为模板的共聚型PEDOT薄膜,方块电阻在30K/□左右,聚合物薄膜透光率在90%以上,适合在作为透明导电涂层。(4)采用封端型非离子型水性聚氨酯和聚乙烯醇制备了改性的PEDOT,对改性PEDOT进行性能研究。封端型非离子型水性聚氨酯改性前后的PEDOT薄膜方块电阻基本相同,高温处理后吸水薄膜程度降低到7%~15%。水分散体粒径明显增大,分布在4000nm附近。聚乙烯醇改性的PEDOT水分散体旋涂效果大幅度提高,相应方块电阻有所降低。在PVA添加量20%~40%时,聚合物薄膜方块电阻小于10K/□,添加量大于50%时,薄膜方块电阻急速攀升。薄膜透光率仍然90%以上。原子力显微镜测试表明,聚乙烯醇改性的PEDOT薄膜中,导电相PEDOT颗粒大量分布在薄膜表面,颗粒紧密接触。
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