导电聚合物/碳材料复合物的制备及其电磁屏蔽性能研究

作     者：林腾飞 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：俞豪杰;王立

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚苯胺 聚吡咯 二茂铁 石墨烯 聚合物基复合材料 电磁屏蔽 

摘      要：随着科技的快速发展,电磁波污染日趋严重,电磁辐射对精密设备及人类的健康产生了不利影响。电磁屏蔽材料可有效减少电磁波的危害而备受关注。本文选用易分散的C60、二茂铁修饰氧化石墨烯和二茂铁修饰乙二胺功能化氧化石墨烯,分别与苯胺（ANI）和吡咯通过原位化学氧化聚合制备系列导电聚合物/碳材料复合物,对其电磁屏蔽性能和机理进行研究。本文具体工作如下:（1）用原位化学氧化聚合的方法,通过改变反应条件（苯胺浓度、C60浓度、掺杂酸H2SO4浓度和反应温度）制得了 22个聚苯胺/富勒烯（PANI/C60）复合材料样品。通过FT-IR、XRD和XPS对所制备的样品结构和组成进行了表征,使用SEM和TEM对样品形貌进行了观察。通过四探针法测定了样品电导率。讨论了 PANI/C60复合材料可能的生成机理并确定了最佳合成条件（Sample-12:ANI/K2Cr2O7=5.74:1（摩尔比）、[H2SO4]=3.5 mol/L、ANI=1 mL、反应温度 T=0℃）。在1～4.5 GHz的频率范围内测试了 PANI/C60复合材料的电磁屏蔽性能,研究了电导率对复合材料电磁屏蔽性能的影响。发现在石蜡基体中添加50 wt%Sample-12时,其平均电磁干扰屏蔽效能（EMISE）值最高,达到了约23.01 dB。这可能是由于PANI和C60之间异质界面产生的界面极化有效地消耗电磁波。此外,PANI提供的导电网络对电子跃迁有很大贡献,使得电磁屏蔽性能进一步改善。同时,PANI/C60内部电磁波的多次反射能使更多电磁波转换成热能。另外,PANI上大量的极子和偶极子也可使电磁波损耗。（2）将二茂铁单甲酸（FcCOOH）和1,1’-二茂铁二甲酸（Fc（COOH）2）酰氯化后,再与氧化石墨烯（GO）表面的-OH反应,制备了二茂铁修饰氧化石墨烯（GO-Fc和GO-Fc-GO）。以甲基橙为模板,通过原位化学氧化聚合法制备了聚吡咯纳米管/二茂铁修饰氧化石墨烯复合材料（PNT/GO-Fc和PNT/GO-Fc-GO）。利用 FT-IR、XRD、EDS、XPS、SEM、TEM、TGA 和 Raman 对所制得的样品的结构、组成、形貌及热稳定性进行了表征。通过四探针法测得了样品的电导率,并研究了电导率对复合材料电磁屏蔽性能的影响。FT-IR、XRD和EDS结果表明,GO表面已被二茂铁基团修饰,PNT/GO-Fc和PNT/GO-Fc-GO复合材料已被成功制备。Raman测试结果也表明二茂铁基团对GO表面的成功修饰,且二者之间存在相互作用。XPS结果表明,相比于GO,GO-Fc和GO-Fc-GO表面的C-OH含量明显降低,这与二茂铁基团通过与-OH反应的方法引入相符合。SEM和TEM观察表明,改性的GO表面粗糙度和厚度增加,而PNT则是长度约为十几微米、直径约为几百纳米的中空棒状结构。采用同轴法对所制备的复合材料在1～4.5 GHz频段内的电磁屏蔽性能进行了研究,测试结果表明,在石蜡基体中添加50 wt%所制备的PNT/GO-Fc-GO复合材料时,其EMI SE值为20.8 dB,这可能是由于GO-Fc-GO所形成的共轭体系和PNT之间存在π-π堆积、氢键和静电力等相互作用,加快了电子在复合材料中的传输,提升了电子跃迁能力,同时偶极极化、异质界面间所产生的界面极化和材料内部的多级反射进一步提升了复合材料的电磁屏蔽性能。（3）将FcCOOH和Fc（COOH）2酰氯化后,通过与GO表面的环氧基桥连乙二胺反应,制备了二茂铁修饰乙二胺功能化氧化石墨烯（GO-EDA-Fc和GO-EDA-Fc-EDA-GO）。以甲基橙为模板,通过原位化学氧化聚合法制备了聚吡咯纳米管/二茂铁修饰乙二胺功能化氧化石墨烯复合材料（PNT/GO-EDA-Fc和PNT/GO-EDA-Fc-EDA-GO）。利用 FT-IR、XRD、EDS、XPS、SEM、TEM、TGA和Raman对所制得的样品的结构、组成、形貌及热稳定性进行了测试和表征。通过四探针法测得样品的电导率,并研究了电导率对复合材料电磁屏蔽性能的影响。FT-IR、XRD和EDS结果表明了乙二胺的桥连、二茂铁基团的引入以及PNT/GO-EDA-Fc 和 PNT/GO-EDA-Fc-EDA-GO 复合材料的成功制备。Raman 测试结果也表明二茂铁基团对乙二胺功能化的GO的成功修饰,且二者之间存在相互作用。XPS结果表明,此时Fe元素以Fe（Ⅱ）为主,少量的Fe（Ⅲ）可能归因于部分的二茂铁被氧化。SEM和TEM观察表明,乙二胺功能化的GO形貌和GO无明显差异,而二茂铁基团修饰的乙二胺功能化GO表面的粗糙度和厚度增加、褶皱变少。采用同轴法对所制备的复合材料在1～4.5 GHz频段内的电磁屏蔽性能进行了研究,测试结果表明,在石蜡基体中添加50 wt%所制备的PNT/G