掺杂态聚苯胺纳米纤维的制备及其功能化研究

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在众多导电聚合物当中,聚苯胺以其良好的物理/化学性质、独特的掺杂/解掺杂性能、广泛的应用前景等引起科学研究工作者的广泛关注。本论文采用直接混合法在不同的掺杂酸体系中制备出了聚苯胺纳米材料,对合成的掺杂态聚苯胺的产率、电导率进行了测量,并通过扫描电镜、红外光谱和紫外光谱对其形貌及结构进行了表征。然后用氨水对硫酸掺杂态聚苯胺纳米纤维进行了解掺杂。以提高聚苯胺纳米纤维的防腐蚀性能为目的,对解掺杂态的聚苯胺用磷酸进行了二次掺杂。将不同功能酸掺杂的聚苯胺纳米材料与环氧树脂复合制备成聚苯胺防腐涂料,通过电化学技术研究了不同功能酸二次掺杂聚苯胺材料在模拟海水体系中对低碳钢的防腐蚀性能,并对其防腐蚀机理进行了分析。此外,利用无模板直接混合法在有机/无机复合酸体系制备了形貌良好的聚苯胺纳米纤维,并研究了复合酸掺杂对聚苯胺性能以及结构的影响,通过红外光谱、紫外光谱等测试技术研究了复合酸掺杂态聚苯胺的导电性能和溶解性能等综合性能。主要研究成果如下:  (1)以过硫酸铵为氧化剂采用直接混合法在不同的无机酸和有机酸体系合成了聚苯胺产物。结果表明,直接混合法是制备聚苯胺纳米材料的有效方法,但不同酸体系对生成的聚苯胺纳米结构的性能及形貌具有较大的影响。利用氨水对硫酸掺杂后形成的聚苯胺纳米纤维进行解掺杂,形成的本征态聚苯胺能保持原本的纳米结构。  (2)将硫酸体系中合成的聚苯胺纳米纤维经氨水解掺杂后,用磷酸对解掺杂态聚苯胺进行二次掺杂。结果表明,室温下磷酸浓度为1mol/L,搅拌反应24h时,磷酸二次掺杂聚苯胺的电导率以及产率达到最大值,电导率为0.25S/cm,产率达到138.7%。由SEM图可以看出磷酸二次掺杂聚苯胺的纤维长度相对于磷酸一次掺杂聚苯胺有所增长,且粗细较均匀,形貌良好。通过分析紫外谱图和红外谱图可以证明磷酸能有效掺杂到聚苯胺中,改善其电导率以及产率。  (3)采用电化学测试技术研究了对甲苯磺酸、磷酸、酒石酸一次和二次掺杂态聚苯胺的防腐蚀性能。电化学测试的结果表明不同功能酸掺杂制备的聚苯胺均表现出良好的防腐蚀性能;功能酸二次掺杂态聚苯胺的防腐蚀能力优于一次掺杂态聚苯胺;二次掺杂态聚苯胺涂层拥有更高的阻抗值,其中酒石酸二次掺杂态聚苯胺涂层的阻抗最高,浸泡90天后为3.27×107Ω·cm2,较其一次掺杂态聚苯胺涂层高出一个数量级。  (4)采用直接混合法在有机/无机复合酸体系中制备了聚苯胺纳米纤维。结果表明,复合酸掺杂的聚苯胺导电率以及溶解度相对于单一酸掺杂的聚苯胺有了明显的提高。室温下对甲苯磺酸和硫酸的摩尔比为0.3时,掺杂态的聚苯胺产率、电导率以及溶解度达到最大值,产率为148.25%,电导率可达3.33S/cm,在氮甲基吡咯烷酮(NMP)中溶解率为62.6%。通过扫描电镜可以看出,复合酸掺杂形成的聚苯胺纳米纤维长度可达200nm-500nm且粗细均匀。紫外光谱以及红外光谱都表明了复合酸掺杂的有效性。
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