聚苯胺/超纯太西无烟煤复合材料的制备与性能研究

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太西无烟煤是稀缺矿产资源,如何延长资源使用寿命,最大限度提高其利用效率,是研究的热点问题。本文以超纯太西无烟煤为模板,原位聚合制备聚苯胺/超纯太细无烟煤导电复合材料。通过电导率测试结合SEM、XRD、TG、BET等分析手段,探讨了无烟煤的用量、掺杂酸的种类、无烟煤的氧化改性方法对聚苯胺/超纯太西无烟煤导电复合材料的结构与性能的影响。并且依据分形理论建立了聚苯胺、聚苯胺/超纯太西无烟煤复合材料的生长模型。首先,煤大分子酸、HCl、对甲苯磺酸(TSA)掺杂的聚苯胺/超纯太西无烟煤复合材料的电导率均随苯胺含量的增加而增大,聚苯胺均与超纯太西无烟煤之间存在化学键合,且掺杂主要发生在醌二亚胺结构单元上。在苯胺含量相同时,TSA掺杂的聚苯胺/超纯太西无烟煤复合材料电导率最佳,HCl掺杂的次之,煤大分子酸掺杂的最差; TSA能有效掺杂于聚苯胺链上,较HCl、煤大分子酸掺杂的聚苯胺/超纯太西无烟煤复合材料结晶度好且具有纳米线结构。二次掺杂并未改变HCl掺杂复合材料的链结构,TSA虽能起到掺杂作用,但二次掺杂较HCl掺杂结晶度低。TSA掺杂提高了聚苯胺/超纯太西无烟煤复合材料的热稳定性,HCl掺杂使其具有良好的导电性。其次,氧化处理增加了煤表面的羧基、羟基等极性官能团,使其与聚苯胺可以发生更多键合与掺杂,从而增强其界面作用;改善了煤的孔结构及孔分布,起到了疏通孔道的作用,使复合材料表面的棒状结构分布更为均匀致密,结晶度和热稳定性提高。复合材料的导电性由煤的大分子骨架结构、孔结构及其酸性官能团含量的协调平衡作用决定的,因联合氧化较NaClO更大幅度破坏了超纯太西无烟煤的大分子骨架结构,尽管酸性官能团含量增加,但无法改善复合材料的导电性能,而NaClO氧化煤使复合材料具有更高的电导率。最后,分形理论分析表明,聚苯胺微粒的生长符合扩散受限制的凝聚(DLA)模型,其结构为具有自相似性的分枝结构;聚苯胺在煤模版中的分形聚合生长受到界面作用与导向作用的影响。聚苯胺在溶液中的聚合生成不规则球状形貌,在煤外表面聚合生长呈现层状堆叠形貌,而在煤孔结构内生成以孔为导向作用的棒状结构。此外,由于浓度差导致的时间差致使聚苯胺在煤表面包覆不均匀。聚苯胺/煤复合材料是一类新型煤基功能材料,有望应用于导电材料、抗静电材料、防腐涂料等方面,即降低了聚苯胺的成本,又延长了太西无烟煤的产业链,提高了太西无烟煤的综合利用效率。
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