无模板自组装法制备掺杂聚苯胺微/纳米结构与性能研究

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导电高聚物微米/纳米结构是目前科学研究的热点之一。聚苯胺因其具有高电导率、良好的环境稳定性、易于合成及可控的物理化学性质等优点,引起了科学家的广泛关注,已成一类最具开发前景的新型纳米功能材料。本文主要工作是研究用无模板自组装法制备掺杂聚苯胺微/纳米结构和电学、荧光、表面浸润性能等。围绕着影响导电聚苯胺微/纳米结构的反应条件因素、改善聚苯胺的性能、探究功能化应用等方面展开,主取得的主要结论如下:采用简化的无模板自组装法制备不同酸性氧化剂掺杂的聚苯胺,选用的酸性氧化剂为:过硫酸铵APS、氯化铁FeCl3、硝酸铁Fe(NO3)3和硫酸铁Fe2(SO4)3。其中酸性氧化剂同时起氧化剂和掺杂剂的双重作用。通过改变反应条件,发现影响聚苯胺纳米结构的因素主要有三个:(1)苯胺单体与氧化剂的浓度;(2)苯胺单体与氧化剂物质的量之比;(3)氧化剂的种类及氧化电位的高低。掺杂PANI的室温电导率在10-2S/cm到100 S/cm范围,电导率—温度依赖关系显示出了半导体的性质,电导率—温度依赖关系能很好的满足Mott三维变程跳跃模型(3D Mott-VRH)。另外,不同氧化剂掺杂PANI压片表面显示具有亲水性的行为。虽然聚苯胺具有比较优良的电学性质,但聚苯胺的光学性能并不突出。为了改善聚苯胺的光学性质,在本论文中,采用一种新荧光物质(TPA-BTD-BN)作为掺杂剂掺杂到聚苯胺主链上,制备了具有优良电学和荧光性质的聚苯胺纳米结构。红外结构表征证实得到了典型的聚苯胺。而且随着荧光掺杂剂含量的增大,荧光信号增强。测得PANI/TPA-BTD-BN的室温电导率大约为10-1~100S/cm。水接触角实验显示PANI/TPA-BTD-BN表面为亲水性的。研究了常温常压时分别在水、乙醇和硝酸溶液作用下PANI-CSA薄膜电阻的变化,其中PANI-CSA薄膜为通过“掺杂-脱掺杂-再掺杂”方法制备的樟脑磺酸(CSA)掺杂聚苯胺导电薄膜。少量水分子进入PANI-CSA薄膜电阻下降,增加了非晶区聚合物分子链和导电通道之间的载流子数,而过量水分子进入薄膜电阻迅速增加,是由于过量水分子使分子链间距增大而导致部分导电通道阻隔。乙醇浸入PANI-CSA薄膜电阻迅速增大,远远大于初始值,硝酸溶液浸入PANI-CSA薄膜由于质子酸掺杂和离子导电而使电阻迅速下降。聚苯胺薄膜这些性质可被用在化学传感器方面。
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