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自从导电聚合物在二十世纪七十年代末期被人们发现以来,既具有导电性又具有高分子性质的导电聚合物材料引起了人们的广泛关注,并已成为科学研究的一大热点。由于导电聚合物具有密度小、质量轻、导电性能可以根据使用需要在导体、半导体和绝缘体之间进行调节等一系列优点,目前已经在金属防腐、高能电池、微波吸收等领域得到初步的应用。
近年来,低维材料,尤其是纳米材料的发展给物理、化学、材料、生物、信息等基础与应用领域带来了新的机会与活力。这一技术必将带来新的功能材料和具有卓越性能的功能器件,对人类未来生活产生深远的影响。材料的微米/纳米结构化有利于材料的集成与组装,同时能为材料带来相应的尺寸效应和空间效应,提高材料的性质,丰富材料的功能。导电高分子纳米材料通常分为纳米管(线),纳米复合材料及其空心结构以及其它一些具有特殊形貌的具有纳米/微米结构的导电高分子。目前人们对高分子材料的分子结构、制备过程对微米/纳米结构化材料性能的影响还不十分清楚。每一种制备技术通常只适用于一些特殊的导电高分子,且效率较低,从而限制了材料的广泛应用。因此,进一步探索材料的生长与组装机理,进一步开发普适、高效的导电高分子微米/纳米结构的加工技术既具有重要的理论意义,也有明显的实用价值。
本文在开发新的导电高分子合成手段来制备高性能的导电高分子微米/纳米结构材料:研究导电高分子微米/纳米结构材料的控制生长技术;表征和测试材料的结构、形貌和性能等方面进行了探索,并得到了一些新的结果。
(1)导电高分子纳米管的制备
本文提出了一种既具有“无模板法”简便易行的优点又具有“硬模板法”普适性的新体系来制备导电高分子纳米管(线)。同时作为掺杂剂和模板剂的甲基橙分子与氧化剂三氯化铁形成纤维状的可反应性沉淀。吡咯单体在这种纤维状沉淀表面氧化聚合,同时由于三价铁离子被还原而使沉淀发生自降解,最终得到了即具有光电转换功能又具有导电性的聚吡咯纳米管。这种聚吡咯纳米管由甲基橙、氯离子以及微量的铁离子复合物(FeCl4-)掺杂,掺杂率为0.36,并具有较高的分子链规整性,电导率为96S/cm。惰性气氛下煅烧可得到碳纳米管,这为碳纳米管的制备提供了一种新的途径。
(2)无机材料—导电高分子纳米臌米复合物的制备
与常规高分子不同,导电高分子由于其不溶不熔的性质使其非常难以加工。因此,人们在发展新的方法来改善导电高分子的加工性方面作了很多努力。其中引起人们广泛兴趣的一种方法为在无机或者有机纳米颗粒表面均匀沉积一层导电高分子层,制备具有胶体稳定性的复合材料。本文首次将壳聚糖吸附在二氧化硅表面,然后通过自组装的方法成功的制备了“向日葵”型二氧化硅/聚吡咯复合纳米颗粒,即130nm左右的聚吡咯小球均匀生长在500nm的二氧化硅表面,壳聚糖分子链存在于聚吡咯小球的间隙中。这种特殊的结构使得这种复合颗粒既具有高的电导率,同时又具有一定的胶体稳定性。此外,本文采用二氧化硅表面预磺化处理,在高分子稳定剂PVP存在下聚合吡咯单体,成功的得到了分散性良好的导电聚吡咯—二氧化硅复合微球。
(3)金属—导电高分子纳米臌米复合物的制备
在金属纳米颗粒表面修饰导电高分子如聚吡咯或聚苯胺已经成为纳米复合材料中很有意义的一部分。在制备金属胶体的过程中如果还原剂是一种单体而且能够氧化聚合,那么将很方便的得到导电高聚物与金属的复合材料。在本文中,我们用UV来诱导硝酸银氧化聚合吡咯单体,单体的聚合与金属的还原同时进行,在稳定剂PVP存在下,一步即可生成具有核/壳结构的银/聚吡咯纳米颗粒,而不是生成金属颗粒与聚吡咯的混合物。
(4)共离子法制备导电高分子空心球
本文报道了一种共离子法一步完成氯化银为核聚吡咯为壳的纳米复合材料
的制备。在合成该核/壳结构纳米粒子的过程中,采用三氯化铁作为吡咯聚合的氧化剂,壳聚糖作为稳定剂,硝酸银提供银离子的来源。三氯化铁滴加入含有吡咯单体、硝酸银、壳聚糖的均一混合溶液中时,氯离子与银离子结合生成白色的氯化银沉淀,同时三价铁离子氧化吡咯单体,并在吸附了壳聚糖的氯化银颗料表面成核聚合,最终一步得到了氯化银/聚吡咯核壳结构的纳米粒子。进一步将作为模板的氯化银颗粒溶解,可得到聚吡咯的纳米空心球。此空心球的壳厚可由加入的吡咯单体的量控制。 (5)LbL自组装方法制备导电高分子空心球
纳米/微米级中空功能小球由于其广阔的应用前景引起人们的广泛兴趣,但通常的牺牲模板的方法制备空心球往往会破坏空心球的结构。本文在带负电荷的聚苯乙烯胶体颗粒表面先层层自组装带阳离子的壳聚糖以及带阴离子的聚苯乙烯磺酸钠,然后用戊二醛交联壳聚糖层以提高聚电解质多层膜的强度,最后将聚苯乙烯溶解得到自支撑的中空聚电解质多层膜。本文将吡咯单体直接在这类微型反应器上聚合得到中空聚吡略微球。这种方法制备的中空聚吡咯小球的结构不会由于核的溶解受到破坏,同时得到的聚吡咯壳层较疏松,可望在生物和医药领域得到广泛应用。