聚苯胺微/纳米结构的合成及其结构表征

论文摘要

导电聚苯胺微/纳米结构因其高度共轭的分子结构,类金属的电导率,易制备以及良好的环境稳定性等特点,在纳米材料和纳米器件上具有广泛应用前景,引起了科学家的极大关注,成为导电聚合物纳米材料领域的研究热点。合成导电聚合物的微/纳米结构通常采用“模板”法及“无模板”法。“模板法”中,由于模板的使用,使得该方法不仅合成步骤复杂,而且成本较高。“无模板”自组装法虽然无须使用模板,但其可控性和制备有序结构方面有待更深入的研究。“界面聚合”是最近提出的合成聚苯胺纳米纤维的新方法,该方法不仅简单、实用,而且纳米纤维的形貌均一,产率高。但是,该法所采用的有机溶剂如甲苯、氯仿等不仅易挥发而且都有毒性,对环境造成一定的危害。因此,寻找一种新型无污染的溶剂是界面聚合法亟待解决的一个问题。同时,探寻更为简单有效的制备导电聚合物微/纳米结构的新方法也一直是科学研究的目标。聚合物空心微球由于具有优异的物理化学性能和广泛的技术应用前景而成为当今材料科学研究领域的前沿,空心微球的制备也是当今科学研究关注的热点。本论文在“界面聚合”法的基础上,围绕着采用新型溶剂代替传统溶剂实现对界面聚合的改进以及探索更为简单、有效的微/纳米纤维及空心微球的合成方法等课题展开研究,主要取得了以下结果:1.以离子液体为有机相,采用“界面聚合”法成功制备出了具有纤维形貌的聚苯胺,实现了对传统“界面聚合”法的改进。实验过程中发现,掺杂剂/苯胺的摩尔比对产物形貌及其直径具有重要影响,掺杂剂/苯胺摩尔比越小,越有利于纤维形貌的形成。此外,以盐酸和对甲苯磺酸作掺杂剂时,掺杂剂/苯胺的摩尔比与产物直径成线性关系。以对甲苯磺酸为例,采用紫外表征手段,对掺杂剂、离子液体、苯胺及其盐的紫外谱图进行了比较,结果表明离子液体对聚合反应没有影响。2.在水/离子液体两相界面体系中,没有任何外加酸性掺杂剂的条件下,以APS作氧化剂,成功合成了聚苯胺纳米纤维(d=100～185nm),该方法不仅简化了“界面聚合”合成聚苯胺纳米结构的方法,而且减少了反应试剂,降低了反应成本。反应过程中溶液颜色和pH值的变化表明,在“简化法”中,反应主要由氧化聚合和掺杂两个过程组成,APS在氧化过程中,同时起到掺杂的作用。实验过程中发现,搅拌时间,去离子水的加入以及氧化剂的用量对产物形貌都具有重要影响。3.以醋酸铜为氧化剂,在水热条件下,采用“化学一步法”成功制备出聚苯胺空心微球。实验发现,苯胺/醋酸铜的摩尔比对产物有重要影响,合成出的聚苯胺微球形貌有两种:光滑微球和蒜瓣状微球。以苯胺/醋酸铜摩尔比=1:1为基础,增大苯胺的量有助于光滑微球的形成,反之,增大醋酸铜的量,有助于蒜瓣状微球的形成。实验过程操作简单,并且无须去除模板,为合成聚合物微球提供了一条新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 导电聚合物
• 1.1.1 导电聚合物的发展概况
• 1.1.2 典型的导电聚合物
• 1.2 聚苯胺
• 第二章 水/离子液体界面聚合法制备聚苯胺微/纳米纤维
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 聚苯胺纳米纤维的合成
• 2.1.4 结构表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 盐酸掺杂的聚苯胺纳米纤维（PANI-HCl）
• 2.2.2 对甲苯磺酸掺杂的聚苯胺纳米纤维（PANI-TSA）
• 2.2.3 离子液体未参与反应的验证
• 2.2.4 结构表征
• 2.3 结论
• 第三章 简化的“界面聚合法”制备导电聚苯胺
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 试剂
• 3.1.2 仪器设备
• 3.1.3 聚苯胺纳米纤维的合成
• 3.1.4 结构表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 “简化法”制备的聚苯胺纳米纤维的形貌
• 3.2.2 APS 在自组装过程中氧化和掺杂的双重功能
• 3.2.3 “简化法”聚苯胺纳米纤维的聚合过程
• 3.2.4 实验条件的改变对产物形貌的影响
• 3.2.5 结构表征
• 3.3 结论
• 第四章 “化学一步”法合成聚苯胺微球
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 试剂
• 4.1.2 仪器
• 4.1.3 聚苯胺微球的合成
• 4.2 结果与讨论
• 2]摩尔比对产物形貌的影响'>4.2.1 [An]/[ Cu（Ac）₂]摩尔比对产物形貌的影响
• 4.2.2 产物的TEM 形貌
• 4.2.3 结构表证
• 4.3 结论
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 5.3 存在的问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文