具有本征导电功能的形状记忆聚合物的制备及性能研究

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形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,SMP)是一种新型智能材料,实现基于形状记忆效应的多功能化,以满足不同工程应用的具体需求是其今后发展的大趋势。当前的电子工程领域,柔性化、智能化、便携式和低成本是其发展的大方向,对SMP这类智能材料有极为迫切的需求。然而,SMP的电绝缘性极大限制了其在电子工程领域的应用,因此,实现SMP的导电功能化对推动SMP在电子工程领域的发展具有重要意义。针对应用复合材料技术制备的导电形状记忆复合材料存在的问题,诸如导电相与聚合物基体的相容性差、导电填料难以在聚合物基体中均匀分布并与基体形成有效连接等问题,本论文采用互穿聚合物网络(Interpenetrating Polymer Network,IPN)技术,分别通过分步法和同步法将聚苯胺(Polyaniline,PANI)的导电大分子链引入环氧形状记忆聚合物(Epoxy,EP)的三维分子交联网络结构中,制备具有IPN结构的兼具导电性能和形状记忆性能的聚苯胺/环氧(PANI/EP)半-IPN本征导电形状记忆聚合物。利用热失重分析仪、差示扫描量热分析仪、傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、四探针测试仪等仪器,对制备材料的热性能、特征官能团、微观形貌、导电性能进行了表征,并考察了材料的形状记忆性能。论文具体内容如下:(1)PANI的制备及性能研究:以十二烷基苯磺酸(DBSA)为掺杂酸,分别采用溶液聚合法、乳液聚合法和再掺杂方法(市售的PANI经脱掺杂后再掺杂处理)制备DBSA掺杂PANI;以硫酸(H2SO4)为掺杂酸,采用溶液聚合法合成PANI。分析测试结果表明:H2SO4和DBSA成功掺杂进入PANI的分子链,使其具备导电性能;溶液聚合法制备的H2SO4掺杂PANI的电导率为7.00×10-1S/cm,溶液聚合法、乳液聚合法和再掺杂方法制备的DBSA掺杂PANI的电导率分别为1.30×10-1 S/cm、1.74×10-1 S/cm和1.24×10-2 S/cm。在溶液聚合法合成的PANI中,无机酸-H2SO4掺杂PANI的导电性高于有机酸-DBSA掺杂PANI,但与有机磺酸-DBSA掺杂PANI相比,无机酸-H2SO4掺杂PANI的可溶性差。在DBSA掺杂PANI中,溶液聚合法和乳液聚合法合成的PANI的电导率均高于再掺杂方法制备的PANI。(2)分步法制备具有IPN结构的PANI/EP本征导电形状记忆聚合物及其性能研究:以DBSA为掺杂酸,分别以乳液聚合法和再掺杂方法制备的PANI为IPN中的一个组元聚合物,以EP为IPN的另一个组元聚合物,进行PANI/EP半-IPN本征导电形状记忆聚合物制备实验。乳液聚合法制备的PANI与EP形成的材料具有导电性能,其电导率为1.53×10-4 S/cm;形状记忆性能良好,预变形后能完全恢复至初始形状;乳液聚合法制备的PANI与EP形成的材料中PANI与EP没有发生反应,仅存在一个玻璃化转变,无明显相分离,扫描电子显微镜观测到的断面微观形貌中无明显可见的PANI,这些结果表明PANI与EP形成了IPN结构。再掺杂方法制备的PANI与EP形成的材料,虽然也具有导电性能(电导率为2.95×10-8 S/cm)和形状记忆效应,但热性能测试结果表明材料中有紧邻的两个玻璃化转变,存在微相分离,扫描电子显微镜断面形貌可见PANI颗粒,部分区域存在双相连续结构,推测材料中形成了不完善的IPN结构。(3)同步法制备具有IPN结构的PANI/EP本征导电形状记忆聚合物及其性能研究:采用同步法,分别以无机酸-H2SO4和有机酸-DBSA为掺杂酸,制备了H2SO4和DBSA掺杂的PANI/EP半-IPN本征导电形状记忆聚合物。分析测试结果表明:同步法制备的两种材料均具有导电性能,以H2SO4和DBSA为掺杂剂所对应的两种材料的电导率分别为1.31×10-5 S/cm和6.70×10-6 S/cm;两种材料都具有良好的形状记忆性能,均能完全恢复至初始形状;PANI的合成反应路线和EP的合成反应路线没有相互干涉,制备的两种材料均仅存在一个玻璃化转变,无明显相分离,扫描电子显微镜观察的断面形貌为均相结构,表明了制备的两种材料均为IPN结构。综上所述,本论文采用IPN技术,将PANI的导电性能和SMP的形状记忆性能引入同一种聚合物中,从而实现了具有半导体导电水平的PANI/EP半-IPN本征导电形状记忆聚合物的制备,为SMP在电子工程领域的应用做出了有益的探索性工作,同时也为SMP的多功能化研究提供了新方法。
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