基于原位聚合的导电形状记忆聚合物分子复合材料的制备和性能表征

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形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers,SMPs)是一种新型智能材料,具有显著的形状记忆效应。目前SMPs的导电功能化是SMPs多功能化研究的重要内容之一。开发具有导电性能的SMPs材料,从而获得兼具形状记忆效应和导电性能的多功能智能材料,进而促进SMPs在电子工程领域的应用和发展。针对导电形状记忆聚合物复合材料存在的问题,如导电相与SMPs基体的相容性差、导电相不易在基体中均匀分散、制备工艺复杂等问题,本论文基于柔性乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-vinyl acetate copolymer,EVA)和刚性聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC)聚合物的形状记忆效应和导电聚苯胺(Polyaniline,PANI)的聚合反应,分别对EVA和PVC基体进行溶胀处理,使聚苯胺原料单体进入基体的分子网络空隙就地原位聚合,从而获得导电和形状记忆效应并存的聚苯胺/SMPs分子复合材料。对聚苯胺/SMPs分子复合材料的原位聚合制备方法和材料的导电性能、形状记忆效应、热性能、力学性能和微观结构特征进行了研究。论文具体内容如下:(1)聚苯胺/乙烯-醋酸乙烯酯分子复合材料(PANI/EVA-MC)的制备及性能研究:制备了PANI/EVA-MC,研究了苯胺浓度、溶胀时间、氧化剂浓度、氧化时间、氧化剂溶液的pH值和掺杂剂盐酸浓度制备参数对材料导电性能的影响。根据最优制备参数制备的导电PANI/EVA-MC的电导率为5.24×10-2 S·cm-1,且在120°C以下温度加热后室温电导率保持在10-3 S·cm-1。微观结构分析结果表明在基体中成功合成了PANI,且断面微观形貌呈现连续均一的相,可推测PANI在EVA基体内形成分子级别的混合,PANI/EVA-MC的导电层厚度约为20μm40μm。热性能分析结果表明,PANI大分子链和基体EVA有良好的相容性。力学性能结果表明刚性PANI的引入增强了基体材料的强度。形状记忆性能结果显示,PANI/EVA-MC的形状记忆性能与纯EVA基本相同,说明PANI大分子链的引入对基体的形状记忆性能影响很较小。且在形状记忆效应过程中,在室温和玻璃化转变温度下拉伸预变形20%和100%的PANI/EVA-MC预变形后电导率为10-3 S·cm-1,在室温预变形且再加热恢复后其电导率保持在10-3 S·cm-1,在玻璃化转变温度预变形且再加热恢复后其电导率为10-3 S·cm-110-5 S·cm-1。(2)聚苯胺/聚氯乙烯分子复合材料(PANI/PVC-MC)的制备及性能研究:制备了PANI/PVC-MC,研究了苯胺浓度、溶胀时间、氧化剂浓度、氧化时间、氧化剂溶液的pH值和掺杂剂盐酸浓度制备参数对材料导电性能的影响。根据最优制备参数制备的导电PANI/PVC-MC的电导率为4.26×10-2 S·cm-1,且在100°C以下温度加热后室温电导率保持在10-3 S·cm-1。微观结构分析结果表明在PVC基体内成功合成了PANI,并且PANI没有形成单独的相,推测PANI大分子链与PVC网络形成了分子水平的混合,合成的PANI进入PVC基体的深度范围为20μm50μm。热性能和力学性能分析结果表明PANI大分子链和基体PVC有良好的相容性,但与PVC相比,PANI/PVC-MC的热稳定性和强度有所降低,可归因于苯胺的溶胀效应。形状记忆性能结果显示PANI/PVC-MC有显著的形状记忆效应。在形状记忆效应过程中,预变形20%和100%的PANI/PVC-MC在室温和玻璃化转变温度下拉伸后和加热恢复后电导率均为10-3 S·cm-1。综上所述,以柔性EVA和刚性PVC形状记忆聚合物基体为研究对象,通过聚苯胺的聚合反应体系,将PANI大分子链引入SMPs网络结构中,在保持形状记忆效应的前提下,可以实现SMPs的导电功能,获得聚苯胺/SMPs分子复合材料,为已固化成型的SMPs的导电功能化提供了简单易行的新方法。
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