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本论文采用乳液聚合的方法,在不使用手性掺杂剂的前提下,自组装制备了新型的螺旋结构导电聚苯胺,并对其进行详细的形貌、性能等表征分析,提出了聚苯胺螺旋结构的形成机理。并针对不同形貌的聚苯胺,进行了电容特性的对比研究。研究工作主要包括以下几个部分:
1.采用十二烷基苯磺酸(DBSA)为表面活性剂,过硫酸铵(APS)为氧化剂,在水体系中乳液聚合制备得到螺旋结构聚苯胺。螺旋结构聚苯胺是由聚苯胺纳米纤维缠绕而成,左旋和右旋的螺旋结构兼存在。该聚苯胺产物为聚苯胺的亚胺盐态,其高分子链具有手性,分子结构部分有序排列,并且具有导电性和一定的吸波特性。
2.改变表面活性剂的种类和含量,有机溶剂的种类和含量,氧化剂的种类和含量,助剂的种类和含量和反应体系的搅拌方式及速度等,进行对比实验。通过对相应产物形貌的分析,总结出螺旋结构聚苯胺的最佳合成配方。
3.在对以上改变影响因素所进行的对比试验的反应现象进行分析后,总结出以上影响因素都可归结于聚合微反应器、体系突然形成的粘稠物以及机械搅拌三大方面。通过小角X光散射仪(XRD)和偏光显微镜(POM)表征,聚合过程中体系突变所得粘稠物为高分子液晶,结合机械搅拌的驱动力,高分子液晶对螺旋结构聚苯胺的形成起到了促进作用。
特别值得关注的是,在加入氧化剂前,通过冷冻透射电子显微镜(Cryo-EM)取样观察,首次发现了一种独特的洋葱状多层囊泡。这种多层囊泡是苯胺聚合反应的微反应器,区别于之前文献中通常报道的胶束微反应器。该囊泡在体系中起到了软模板的作用,是形成螺旋结构聚苯胺的必要条件。多层囊泡的发现,是软模板法制备聚苯胺的新突破。
基于对比实验的结果,提出了螺旋结构聚苯胺的形成机理。多层囊泡、高分子液晶和机械搅拌三位一体,对螺旋结构聚苯胺的自组装起到了协同作用,是螺旋结构聚苯胺形成的三个必要条件。
4.研究开发螺旋结构聚苯胺在超级电容器方面的应用。基于以上乳液聚合的方法,制备得到了螺旋结构、纤维结构和颗粒结构三种不同形貌的聚苯胺,表征了三种形貌聚苯胺结构和性质。将三种不同形貌的聚苯胺作为电极材料组装成电容器,从循环伏安、恒流充放电、交流阻抗和循环寿命四个方面,进行了电容特性的测试。通过对比实验,确定了最佳反应条件。从测试结果来看,螺旋结构比其他两种形貌的聚苯胺具有更好的储存容量和循环稳定性,是一种有应用前景的新型超级电容器电极材料。