酸掺杂导电聚苯胺及其复合材料的制备与性能研究

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由于π电子在长链芳香族聚合物主链上的完全离域导致其固有的导电性,所以导电聚合物被称为“合成金属”。在导电聚合物中,聚苯胺(PANI)因具有密度低、导电性可调、环境稳定性好、掺杂可逆性以及制备工艺简单等优点而成为研究的热点材料之一。PANI导电性直接来源于它的物理和化学性质,如分子量、结晶度、氧化还原水平以及形貌等。因此,本文将苯胺单体(An)在不同酸溶液中化学氧化聚合研究掺杂酸对PANI导电性的影响,然后将导电PANI与磁性铁氧体复合制备锌掺杂铁氧体/导电聚苯胺(ZFO/PANI)电磁复合材料,通过改变铁氧体添加量研究不同组分对复合材料结构、形貌、电磁性能以及微波吸收性能的影响。本文主要研究内容及结论概括如下:(1)采用化学氧化聚合法在不同酸性溶液中制备导电PANI,主要研究不同单一酸及复合酸对PANI导电性和产率的影响。结果表明,单一酸掺杂PANI中,盐酸掺杂聚苯胺(HCl-PANI)具有最高的电导率和产率,而乙酸掺杂聚苯胺(HAc-PANI)的导电性最差,说明掺杂酸的酸性对PANI的导电性能有较大影响。而在复合酸掺杂PANI中,氨基磺酸(SA)与HCl共掺杂PANI的导电率最高,达到8.33 S/cm,SA与HAc共掺杂PANI的导电率较低为1.32 S/cm,复合酸掺杂PANI导电性较单一酸掺杂具有更高导电性,可能与复合酸之间的协同作用有关。(2)以樟脑磺酸(CSA)和乙酸为共掺杂剂,在海藻酸钠(NaAlg)存在下化学氧化聚合制备了导电聚苯胺/海藻酸钠(PANI/Na Alg)复合材料,并研究了CSA与HAc摩尔比、聚合时间以及Na Alg浓度对复合材料结构、形貌以及导电性的影响。结果表明:当CSA与HAc摩尔比为0.4:1,聚合时间4 h,Na Alg浓度为1.0wt%时,PANI/Na Alg复合材料的导电性最高,达到3.50 S/cm,产率为67.63%。(3)以对甲苯磺酸(pTSA)为乳化剂和掺杂剂,L-天冬氨酸(Asp)为模板剂和掺杂剂,通过乳液聚合法制备了导电聚苯胺,并研究了氨基酸种类、Asp与An摩尔比、p TSA浓度以及APS与An摩尔比对PANI导电性和产率的影响。结果表明:当使用Asp和p TSA为掺杂剂,Asp与An摩尔比为1:2,p TSA浓度为0.75 mol/L,APS与An摩尔比为1:1时,PANI的电导率和产率最高,电导率达到8.00 S/cm,产率高达121.28%。(4)采用溶剂热法制备二价锌掺杂尖晶石铁氧体Zn0.2Fe2.8O4(ZFO),通过原位聚合法在ZFO的表面包覆PANI导电层制备ZFO/PANI电磁复合材料,改变ZFO添加量研究不同组分对复合材料结构、形貌、电磁性以及微波吸收性能的影响。研究结果表明,将磁性ZFO与导电PANI复合有利于提高材料对电磁波的吸收性能,当ZFO与An的质量比为1:2,复合材料与石蜡的质量比为1:1,吸波剂厚度为2.3 mm时,其在11.12 GHz处的最大反射损失达到-48.07 d B,反射损失低于-10 d B的电磁波频率在9.66-12.95 GHz之间,有效吸收带宽达到3.29 GHz。复合材料增强的微波吸收性能主要与复合材料具有更好的阻抗匹配特性有关,而且复合材料中的极化弛豫过程和涡流损耗也对提高吸波性能有利。
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