用于电化学沉积过渡层的导电聚苯胺材料的研制

论文摘要

将导电高分子聚苯胺用于非金属材料电化学沉积的新型导电过渡层材料，适应某些表面改性的特殊需要，是实用前景广阔、理论意义重大的新型表面工程技术。本论文针对原始聚苯胺导电率不高、溶解性差和成膜附着力差的缺点，从高分子聚合理论出发，系统的研究了合成和掺杂条件对聚苯胺性能的影响机理，设计了简单有效的制备高附着力聚苯胺膜方法，设计合成了两种不同N取代聚苯胺衍生物，设计合成了两种聚苯胺Schiff碱-Cu化合物，初步探讨了利用聚苯胺实现非金属表面电镀的可行性。所制备改性聚苯胺材料有望在摩擦学的表面改性领域得到潜在应用。论文的主要研究内容和结论如下：1、研究了合成和掺杂条件的不同因素对聚苯胺性能产生影响的机理，确定了聚苯胺的最佳合成条件和掺杂工艺。2、依据Hildebrand理论，通过环氧基团的开环反应和烷基的亲核取代反应对聚苯胺进行改性，制备了两种N取代聚苯胺衍生物，即聚（N-2-羟基丙基苯胺）及聚（N-2-羟基丙基苯胺），并对其物理性能和光谱特性进行了表征和分析。研究和测试结果表明，质子酸有助于大分子胺对环氧基团开环；一定极性的取代基有助于同时提高聚苯胺在强极性、极性和非极性溶剂中的溶解度，但是取代基过大将导致其衍生物导电率大幅下降。3、依据聚苯胺的导电机理和络合物的化学和电子学特性，设计合成了两种聚苯胺Schiff碱-Cu化合物，分析了铜和聚苯胺的键合特征，并对两种聚苯胺Schiif碱-Cu化合物的性能进行了测试和表征。结果表明，聚苯胺Schiff碱和Cu2+可以配位络合，配位后，聚苯胺缩水杨醛Schiff碱-Cu化合物的共轭长度增长，形成大络合共轭体系，相对改性前聚苯胺，其电导率增加数倍；而聚苯胺缩乙二醛Schiff碱-Cu化合物则没有增加有效共轭。4、利用偶联剂的性质和环氧基团同亚胺的反应，设计了聚苯胺成膜时进行偶联接枝的成膜方法。研究结果表明，这种方法不仅可以有效避免偶联基团的提前水解失效，而且所制备的聚苯胺膜具有良好的附着力和耐水解性能，同时维持了较好的电导率；另外，成膜过程中聚苯胺的偶联反应对聚苯胺的掺杂程度稍有影响，反应完毕后继续掺杂可以增加聚苯胺膜的导电性能。5、针对聚苯胺的导电性，初步探讨了利用聚苯胺实现非金属表面电化学沉积的可行性，在聚苯胺导电膜表面成功电镀上基本完整的金属铜镀层。本论文在合成影响因素的确定、基于提高附着强度的成膜方法、基于提高溶解性能的聚苯胺取代基的选择以及提高聚苯胺链间共轭程度的方法等许多方面均具有创新性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 导电高分子在电化学沉积技术中应用前景
• 1.2 聚苯胺作为导电高分子材料的特殊性
• 1.3 聚苯胺应用于电化学沉积过渡层的障碍
• 1.5 聚苯胺制备、改性和成膜研究中存在的问题
• 1.6 研究目的、理论依据和主要研究内容
• 第二章 聚苯胺的化学氧化合成工艺研究
• 2.1 实验原料和设备
• 2.2 掺杂态聚苯胺的化学氧化法合成
• 2.3 测试与表征
• 2.3.1 过滤速度表征
• 2.3.2 反应产率测量
• 2.3.3 电学性能测试
• 2.4 实验结果及讨论
• 2.4.1 单体和氧化剂配比对导电率和聚合的影响
• 2.4.2 盐酸浓度对导电率和聚合的影响
• 2.4.3 温度对导电率和聚合的影响
• 2.4.4 反应时间对导电和聚合的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 掺杂对聚苯胺性能和结构的影响
• 3.1 实验原料和设备
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 本征态聚苯胺的制备
• 3.2.2 不同类型酸的掺杂态聚苯胺的制备
• 3.3 性能测试
• 3.3.1 电学性能测试方法
• 3.3.2 溶解性测试方法
• 3.3.3 UV-Vis光谱分析
• 3.4 实验结果及讨论
• 3.4.1 掺杂剂种类对导电率和溶解性的影响
• 3.4.2 不同酸掺杂聚苯胺的紫外光谱分析
• 3.4.3 掺杂温度对聚苯胺性能的影响
• 3.4.4 对甲基苯磺酸的配比对聚苯胺性能影响
• 3.4.5 掺杂时间对导电率和溶解性的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 N-取代聚苯胺衍生物的合成及性能
• 4.1 两种N-取代聚苯胺的合成原理
• 4.2 两种N-取代聚苯胺的合成
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 合成操作
• 4.3 N-取代聚苯胺的FTIR分析
• 4.3.1 本征及掺杂态聚苯胺的FTIR光谱
• 4.3.2 环氧基团和聚苯胺反应的机理
• 4.3.3 聚（N-2-羟基丙基苯胺）的FTIR分析
• 4.4 TSA对两种N-取代聚苯胺的掺杂
• 4.5 掺杂态N-取代聚苯胺衍生物的性能
• 4.5.1 两种掺杂态聚苯胺衍生物的取代度
• 4.5.2 掺杂态N取代聚苯胺衍生物的溶解性能
• 4.5.3 掺杂态N取代聚苯胺衍生物的紫外光谱特性
• 4.5.4 掺杂态N取代聚苯胺的电学性能
• 4.6 提高聚苯胺溶解性方法的比较
• 4.7 本章小结
• 第五章 聚苯胺-Cu络合物的合成及性能
• 5.1 聚苯胺-Cu络合物的合成原理及可能产物
• 5.2 两种聚苯胺Schiff碱化合物的制备
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 合成操作
• 5.3 聚苯胺-Cu络合物的制备
• 5.3.1 实验原料
• 5.3.2 合成操作
• 5.4 所设计的合成反应产物的结构
• 5.5 反应产物的红外光谱分析
• 5.6 反应产物的X射线光电子能谱分析
• 5.7 TSA掺杂聚苯胺-Cu络合物制备及性能
• 5.7.1 TSA对聚苯胺-Cu络合物的掺杂
• 5.7.2 聚苯胺-Cu络合物的电学性能
• 5.7.3 聚苯胺-Cu络合物的UV-vis特征光谱
• 5.7.4 聚苯胺-Cu络合物的溶解性能
• 5.8 本章小结
• 第六章 聚苯胺的成膜研究
• 6.1 实验原料和设备
• 6.2 掺杂态硅烷偶联基团接枝聚苯胺膜的制备及性能
• 6.2.1 掺杂态硅烷偶联基团接枝聚苯胺膜的制备
• 6.2.2 偶联剂与聚苯胺反应的FTIR分析
• 6.2.3 偶联剂接枝聚苯胺的X射线光电子能谱分析
• 6.2.4 偶联剂接枝聚苯胺的电学性能
• 6.2.5 偶联接枝聚苯胺的紫外-可见光谱分析
• 6.2.6 聚苯胺膜的附着力
• 6.3 高附着力聚苯胺导电厚膜的制备及性能
• 6.3.1 导电聚苯胺厚膜的制备
• 6.3.2 导电聚苯胺厚膜的耐水性能
• 6.3.3 聚苯胺厚膜的导电性能
• 6.4 本章小结
• 第七章 聚苯胺膜表面的电化学沉积
• 7.1 聚苯胺压制膜表面的电化学沉积
• 7.1.1 聚苯胺压制膜的制备
• 7.1.2 聚苯胺压制膜的表面形貌
• 7.1.3 聚苯胺压制膜的表面处理
• 7.1.4 聚苯胺压制膜表面的电化学沉积
• 7.1.5 电化学沉积铜前后试片颜色的改变
• 7.1.6 电化学沉积铜后的微观形貌
• 7.1.7 镀铜后试样的电学性能
• 7.2 聚苯胺溶液浇铸厚膜表面的电化学沉积
• 7.2.1 聚苯胺溶液浇铸厚膜的制备
• 7.2.2 聚苯胺溶液浇铸厚膜表面的电化学沉积
• 7.2.3 电化学沉积后膜的表面形貌
• 7.3 本章小结
• 第八章 全文主要成果、结论及研究展望
• 8.1 全文主要成果和结论
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 附录:攻读硕士期间的主要工作及发表的论文
• 致谢