催化剂对原位生成SiO2粒子的结构及（PEO）8LiClO4-SiO2复合物膜性能的影响

论文摘要

本文首先以无机纳米填料SiO2粒子在（PEO）8LiClO4-SiO2复合物中的生长过程为研究对象，重点研究聚合物与锂盐对TEOS水解反应与SiO2粒子生长的影响。同时通过改变TEOS水解反应条件，如催化剂种类、溶剂与水的用量等，制备系列SiO2溶胶样品和PEO／SiO2、（PEO）8LiClO4-SiO2等聚合物／SiO2复合材料样品。采用紫外-可见光分光光度计、透射电镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等手段，对所得样品进行了表征与分析，通过这些方面的分析探讨了原位生成SiO2的机理。本文同时研究了原位生成SiO2粒子的结构对（PEO）8LiClO4-SiO2复合物性能的影响，通过酸、碱催化两种方式控制TEOS水解原位生成SiO2粒子，制备（PEO）8LiClO4-SiO2复合物。采用差扫描量热（DSC）、X-射线衍射（XRD）、交流阻抗等测试技术对所制备（PEO）8LiClO4-SiO2复合物的结晶行为和离子导电性能等进行了表征，同时测定了（PEO）8LiClO4-SiO2复合物膜的气敏响应性和表面性质。紫外-可见光测试结果表明，酸催化体系下TEOS水解生成的溶胶比碱催化体系下TEOS水解生成的溶胶稳定。TEM分析表明，在TEOS水解体系，SiO2的颗粒空间分布比较均匀，但粒径分布较宽，平均粒径约为35nm，且形状不甚规则，部分粒子间发生了团聚；PEO／SiO2体系中，PEO包覆在SiO2粒子的表面，SiO2约粒径约为100nm，形成了核-壳式有机-无机复合材料。添加了锂盐的有机-无机复合物体系中，AFM结果表明，酸催化（PEO）8LiClO4-SiO2膜表面有均匀分布的SiO2粒子，SiO2粒子与PEO／LiClO4基体结合紧密，凸起的高度仅为18.8nm；碱催化（PEO）8LiClO4-SiO2膜表面的SiO2粒子较凸出，凸起的高度为80.5nm。TEM结果表明，酸、碱催化条件下生成的SiO2粒子粒径都在50～100nm之间，且分布都比较均匀。碱催化条件下生成的SiO2粒子为圆球形，且界面过渡层比较明显；酸催化条件下生成的SiO2粒子形状不规则，不存在明显的界面过渡层。AFM和TEM的结果都表明酸催化条件下的SiO2粒子与聚合物基体的相容性比碱催化条件下的好。DSC与XRD分析表明，酸催化（PEO）8LiClO4-SiO2和碱催化（PEO）8LiClO4-SiO2中PEO的结晶度分别为8.6％和10.2％，说明添加无机粒子SiO2具有抑制聚合物电解质体系结晶的作用。通过交流阻抗谱图计算得电导率结果表明，酸催化（PEO）8LiClO4-SiO2和碱催化（PEO）8LiClO4-SiO2电解质膜的电导率随着SiO2含量的增加先不断增大，当SiO2含量达到10wt％时，两体系的电导率均达到最大值，继续增加SiO2含量，电导率反而减小。当SiO2含量为10wt％时，酸催化（PEO）8LiClO4-SiO2和碱催化（PEO）8LiClO4-SiO2在30℃时的电导率分别为2.2×10-5S·cm-1和1.1×10-5S·cm-1。气敏性测试结果表明，酸催化（PEO）8LiClO4-SiO2复合物膜在空气中的响应电阻为717.1KΩ，在乙醇中的响应电阻为508.1KΩ；碱催化（PEO）8LiClO4-SiO2复合物膜在空气中的响应电阻为2792.1KΩ，在乙醇中的响应电阻为796.6KΩ。本体电阻越小，电导率越高，酸催化的电导率比碱催化的高，这与电导率测试的结果一致。接触角测试的结果表明，（PEO）8LiClO4-SiO2复合物膜的表面能与（PEO）8LiClO4-SiO2复合物解质电导率存在一定关系，表面能大的（PEO）8LiClO4-SiO2复合物的电导率小，表面能小的（PEO）8LiClO4-SiO2复合物的电导率大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 复合固态聚合物电解质
• 1.1.1 聚合物电解质简介
• 1.1.2 复合型固态聚合物电解质的发展
• 1.1.3 复合型固态聚合物电解质的制备方法
• 1.1.4 复合固态聚合物电解质电导率的影响因素与导电增强机制
• 2复合材料的研究'>1.2 聚合物/SiO₂复合材料的研究
• 2复合材料的性能与应用'>1.2.1 聚合物/SiO₂复合材料的性能与应用
• 2'>1.2.2 溶胶-凝胶法制备SiO₂
• 2复合材料'>1.2.3 原位复合法制备聚合物/SiO₂复合材料
• 2复合材料的研究方法'>1.2.4 聚合物/SiO₂复合材料的研究方法
• 1.3 选题意义与主要研究内容
• 8LiClO₄-SiO₂复合物结构的影响'>第二章 催化对（PEO）₈LiClO₄-SiO₂复合物结构的影响
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂与仪器
• 2'>2.2.2 溶胶-凝胶法制备SiO₂
• 2'>2.2.3 原位复合法制备PEO/SiO₂
• 8LiClO₄-SiO₂复合物'>2.2.4 原位复合法制备（PEO）₈LiClO₄-SiO₂复合物
• 2.2.5 测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 催化对TEOS水解过程与产物结构的影响
• 2复合物结构的影响'>2.3.2 催化对原位复合法制备PEO/SiO₂复合物结构的影响
• 8LiClO₄-SiO₂复合物结构的影响'>2.3.3 催化对原位复合法制备（PEO）₈LiClO₄-SiO₂复合物结构的影响
• 2.4 小结
• 8LiClO₄-SiO₂复合物性能的影响'>第三章 催化剂对（PEO）₈LiClO₄-SiO₂复合物性能的影响
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 主要试剂与仪器
• 3.2.2 测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 8LiClO₄-SiO₂复合物的热分析'>3.3.1 （PEO）₈LiClO₄-SiO₂复合物的热分析
• 8LiClO₄-SiO₂复合物的XRD分析'>3.3.2 （PEO）₈LiClO₄-SiO₂复合物的XRD分析
• 8LiClO₄-SiO₂复合物的离子导电性能'>3.3.3 （PEO）₈LiClO₄-SiO₂复合物的离子导电性能
• 8LiClO₄-SiO₂复合物的气敏响应性'>3.3.4 （PEO）₈LiClO₄-SiO₂复合物的气敏响应性
• 8LiClO₄-SiO₂复合物的表面性质'>3.3.5 （PEO）₈LiClO₄-SiO₂复合物的表面性质
• 3.4 小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果