核殼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的制備及表征

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1、核殼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的制備與表征核殼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的制備與表征張友帆北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京：100875【摘要】本實(shí)驗(yàn)利用“核/殼結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料兼有核聚合物和殼聚合物兩組分的性能，同時(shí)還可能由于協(xié)同效應(yīng)而產(chǎn)生新的性能”的特點(diǎn)，采用種子乳液聚合技術(shù)，以期制備出綜合性能優(yōu)良的核/殼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物復(fù)合微球，并采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)其結(jié)構(gòu)與形貌進(jìn)行表征，最后利用四探針電阻率儀測(cè)試樣品的電性能?！娟P(guān)鍵詞】核/殼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物；聚乙烯；聚吡咯；單分散乳液；種子乳液聚合；冷凍干燥導(dǎo)電聚合物是20世紀(jì)70年代開始興起的一個(gè)研究領(lǐng)域，至

2、今已取得較大進(jìn)展。1977年，日本化學(xué)家白川英樹等人發(fā)現(xiàn)了用AsF5、I2進(jìn)行p型摻雜的聚乙炔具有高導(dǎo)電率以來(lái)，導(dǎo)電聚合物的研究就成了國(guó)際交叉邊緣學(xué)科十分活躍的領(lǐng)域之一。瑞典皇家科學(xué)院宣布了2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的得主—日本筑波大學(xué)白川英樹(ShirakawaH.)、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)艾倫·馬克迪爾米德(MacdiarmidA.G.)和美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的艾倫·黑格爾(HeegerA.J.),以表彰他們?cè)趯?dǎo)電聚合物這一新興領(lǐng)域所做的開創(chuàng)性工作?？梢妼?dǎo)電聚合物研究的巨大魅力。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，導(dǎo)電高分子材料的研究與納米技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了一個(gè)新的研

3、究熱點(diǎn)——導(dǎo)電聚合物納米復(fù)合材料。常見的有機(jī)高分子如聚苯胺(PAn)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)和聚對(duì)苯乙炔(PPV)的納米復(fù)合材料由于具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和在光、電、磁方面的獨(dú)特性質(zhì)，使它在能源、信息、光電子器件、化學(xué)和生物傳感器、電磁屏蔽、隱身技術(shù)以及金屬腐蝕防護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，導(dǎo)電聚合物難以實(shí)用化的最主要的原因是純的PAn、PPy、PTh和PPV等一般是難溶難熔物，導(dǎo)致其加工性能較差。因此，研究出可加工型導(dǎo)電高分子復(fù)合材料具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)是采用種子乳液聚合技術(shù)制備核/殼結(jié)構(gòu)的聚乙烯/聚吡咯導(dǎo)電聚合物復(fù)合材

4、料。1實(shí)驗(yàn)1.1儀器與試劑S4800掃描電子顯微鏡(SEM)，日立公司；FD-1E冷凍干燥機(jī)，北京德天佑科技發(fā)展有限公司；RTS-8型數(shù)字式四探針測(cè)試儀，廣州四探針科技公司；電子天平，真空泵，電磁攪拌器，機(jī)械攪拌器等。苯乙烯，甲基丙烯酸β羥乙酯，吡咯，聚乙烯基吡咯烷酮(PVPK30)，過硫酸銨，硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)，過氧化氫實(shí)驗(yàn)所用單體苯乙烯、吡咯均需采用減壓蒸餾法進(jìn)行精制。1.2實(shí)驗(yàn)原理聚苯乙烯制備屬于自由基聚合機(jī)理，在此不必詳細(xì)論述。聚苯乙烯/聚吡咯復(fù)合乳液制備機(jī)理：首先是體系形成游離，10核殼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的制備與表征然后

5、游離的引發(fā)吡咯在聚苯乙烯核的表面進(jìn)行聚合反應(yīng)，吡咯聚合機(jī)理如下因?yàn)檫量┑木酆鲜前苍诰郾揭蚁┖送膺M(jìn)行的，故可以表示為：1.3實(shí)驗(yàn)過程1.3.1單分散聚苯乙烯乳液的制備(1)搭裝置：100℃溫度計(jì)、機(jī)械攪拌器、球形冷凝器和通氣管連于250mL四口燒瓶上，下為水浴。(2)裝料：聚乙烯基吡咯烷酮和100mL蒸餾水，N2保護(hù)下升溫至70℃。完全溶解后，加入苯乙烯(St)、甲基丙烯酸β羥乙酯(HEMA)，攪拌30min，然后把24mL過硫酸銨(APS)加入反應(yīng)體系。乳液原料按照下表配方加入：組分重量/g體積/mL蒸餾水124124PVPK303——St15.

6、416.94HEMA0.70.65APS2——(3)反應(yīng)8h，整個(gè)過程要始終通N2保護(hù)反應(yīng)體系，攪拌速度穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速一般200～400rpm，溫度控制在70℃。可觀察到體系為白色乳液，邊沿略泛藍(lán)。(4)取一定重量乳液，稱重后干燥，直到重量穩(wěn)定后稱重固體量。計(jì)算固含量和轉(zhuǎn)化率。10核殼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的制備與表征(5)取出5mL乳液，加入10mL蒸餾水，導(dǎo)入9#培養(yǎng)皿，保鮮膜封口，扎適量小孔，冰箱中凍成冰，用冷凍干燥機(jī)干燥，得到表面顯粉紅色的白色粉末，以備電性能測(cè)試。(6)剩余樣保存好，以備SEM觀察。1.3.2單分散核/殼結(jié)構(gòu)聚苯乙烯/聚吡咯導(dǎo)

7、電復(fù)合乳液的制備(1)搭裝置：100mL圓底燒瓶，0℃冰水浴，電磁攪拌，翻口橡皮塞，N2保護(hù)。(2)加料：①5g單分散聚苯乙烯乳液，1.5mgFeSO4·7H2O，40mLH2O，5mL1mol/L稀鹽酸，通N21min；②用0.25mL注射器注入0.1mL吡咯，10min后，另一注射器注入0.2mLH2O2。(3)始終保持冰水浴，反應(yīng)24h，可觀察到體系在加入過氧化氫后，出現(xiàn)明顯的顏色變化過程，如下：(4)冷凍干燥：20mL復(fù)合乳液，用等體積甲醇破乳，100mL砂濾漏斗抽濾，蒸餾水洗至濾液無(wú)色。所得固體加水超聲混合，倒入9#培養(yǎng)皿，保鮮膜封口，扎

8、孔，冰箱冷凍成冰，再冷凍干燥得黑色粉末，以備電性能測(cè)試。由于抽濾時(shí)固體未能濾出，改用高速離心(轉(zhuǎn)速約6000rpm)也未能