多壁碳纳米管/聚苯胺纳米复合材料的制备及其在导电纸中的应用

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导电纸,一种新型特种纸、功能纸,继承了传统纸张本身的轻质、灵活、低成本、环保等特征,在未来电子元件及新能源材料中具备潜在应用前景。事实上,纤维本身不具导电性,纸张的导电性主要取决于导电填料及其应用方式。目前,用于赋予纸张导电性的填料主要包括:碳黑、碳纤维、碳纳米管、石墨、石墨烯以及聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等导电聚合物。近年来,基于碳纳米管和聚合物的导电纳米复合材料的研究受到极大的关注。本论文以苯胺(AN)为单体,在多壁碳纳米管(MWCNTs)存在的情况下利用原位氧化聚合的方法制备了多壁碳纳米管/聚苯胺(MWCNT/PANI)纳米复合材料,并将其作为导电填料基于湿部成形的方法制备导电纸,研究了导电纸的导电性能、力学性能,热稳定性及微观结构。MWCNTs具有极大的比表面积和范德华力,易于团聚,势必影响其应用性能,因此首先对MWCNTs进行表面改性。本论文利用混酸(H2SO4/HNO3=1/1)对MWCNTs进行了表面改性,并对改性前后的MWCNTs进行了表征。对比试验结果表明,改性MWCNTs的分散稳定性明显提高。FT-IR分析显示,MWCNTs在3433cm-1、1637cm-1和1595cm-1处出现特征峰,改性MWCNTs的羟基及羧基数量明显增加。TG曲线中,改性MWCNTs失重速率的增加说明其表面带有较多的羟基和羧基,且拉曼光谱分析证实其结构并没有受到破坏。SEM结果证实,改性MWCNTs表面含有的无定形碳及其它杂质明显减少,纯度得到提高。然后,利用原位氧化聚合的方法制备了MWCNT/PANI纳米复合材料,探讨了MWCNT/PANI纳米复合材料的制备工艺,包括MWCNTs的含量、氧化剂过硫酸铵(APS)的用量以及聚合时间等。本研究范围内通过单因子优化法得到MWCNT/PANI纳米复合材料的最佳制备工艺为:m(MWCNTs): m(AN)=1:1,m(APS): m(AN)=5/4,氧化聚合时间为6小时。此外,对MWCNT/PANI纳米复合材料进行了表征。FT-IR分析中,复合材料中检测到了PANI的主要特征峰。结合TEM观察结果,可知成功制备出了核壳形的MWCNT/PANI纳米复合材料。XRD及TG分析结果表明,在MWCNT/PANI纳米复合材料中PANI以纳米晶的形式存在,且MWCNTs的加入使MWCNT/PANI纳米复合材料的热稳定性得到一定程度的提高。最后,将MWCNT/PANI纳米复合材料作为导电填料,基于湿部成形方法制备了导电纸。为了突出MWCNTs的改性作用,特地引入以原始MWCNTs与AN合成的复合材料作为比较。随后,对导电纸的导电性能、力学性能、热稳定性及微观结构均进行了表征。结果表明,随着MWCNT/PANI纳米复合材料含量的增加,导电纸的电导率逐渐增大,力学性能呈先增加后减小的趋势。另外,MWCNTs的表面改性对其在导电纸的功能化应用产生重要影响。利用原始MWCNTs与PANI制备的复合材料在导电纸中的应用性能较差,而改性后MWCNTs基于同样的工艺制备的导电纸在导电性能和力学性能方面显示出明显的优势。TG分析结果表明MWCNT/PANI纳米复合材料的添加改善了导电纸的热稳定性。SEM结果证实,改性MWCNT/PANI复合材料均匀分布在导电纸纸浆纤维的表面及内部,而未改性纳米复合材料则呈现严重的团聚。
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