聚苯胺纳米管的原位合成机理及电磁学性能研究

作     者：苟宇 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周祚万

授予年度：2010年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：聚苯胺纳米矩形管 双层胶束 电磁损耗 吸波性能 抗磁性 

摘      要：聚苯胺纳米管除具有其作为导电聚合物的优异性能外,还具有更强的分子链排列有序性、比表面积大及独特的中空结构等优点。聚合物材料的性质与其微观形貌有着密切的关系,因此具有独特形貌的聚苯胺低维纳米材料的制备方法、形成机理及其功能化应用研究一直受到人们的广泛关注。 本论文首先以苯胺为原料,过硫酸铵为引发剂和氧化剂,手性樟脑磺酸（CSA）为原位掺杂剂,通过化学氧化法制得掺杂态的聚苯胺纳米管结构,并且通过对反应条件如苯胺浓度、掺杂酸浓度、苯胺与掺杂酸摩尔比、掺杂酸种类以及引发剂浓度等的调节,得到不同管型、内外径和壁厚的纳米管,以及其它低维纳米结构。研究表明,聚苯胺纳米管的最佳制备条件为：3/4≤nCSA/nANi≤1,0.05M≤[ANi]≤0.1M,nAPS／nANi=1.1,反应温度0-5℃,反应时间大于16 h,滴加氧化剂起反应体系静置。制得聚苯胺纳米管外径：200-500 nm,内径：100-300 nm,电导率：10-3-100S／cm。研究还发现所制得聚苯胺纳米管的分子排列更加规整有序,同时CSA还诱导聚苯胺分子链形成一定的螺旋构型。 其次,本论文在聚苯胺纳米管制备的基础上放大实验,研究聚苯胺低维纳米结构的电磁性能和热性能,并总结相应的规律。研究表明：CSA掺杂聚苯胺纳米管电导率明显大于纳米纤维及纳米颗粒,并且随着有效掺杂度和分子链排列规整性的提高,其导电率有突变式增长;手性聚苯胺纳米管呈现出室温抗磁性,而非手性纳米颗粒则随外加磁场的增大逐渐由抗磁性转变为超顺磁性;在一定范围内提高掺杂度和分子链排列有序性,可提高聚苯胺纳米结构的热性能。 再次,本论文以CSA掺杂聚苯胺纳米矩形管为研究对象,从观察胶束形貌、表征胶束结构以及分析聚合过程中产物形貌等方面展开工作,以期提出其合理的形成机制。通过对胶束形貌和结构的观察分析,首次提出了基于双层平面胶束模型的聚苯胺纳米矩形管形成机理。对反应过程产物PH值、分子结构及形貌等的分析表明,聚合过程可依次分为胶束形成、异质结构低聚物产生和矩形管形成三个阶段。 最后,为了应用化研究的需要,本论文通过对原位合成的传热-传质控制,成功实现了聚苯胺低维纳米材料放大100倍批量生产。同时对不同形貌,以及手性非手性聚苯胺产物的电磁参数和吸波性能进行了比较研究。研究发现：聚苯胺纳米管和纤维的磁损耗和介电损耗均优于纳米颗粒,并且其手性结构产物既有介电损耗也有磁损耗,而HCl掺杂的纳米颗粒则没有磁损耗;手性聚苯胺纳米管和纤维均表现出优良的吸波性能,且最大衰减和吸收频带等均优于同电导率数量级下的非手性产物。结果表明产物的手征性和形貌是影响聚苯胺低维纳米结构电磁参数和吸波性能的主要因素。