离子液体中聚吡咯/四氧化三铁磁性纳米复合材料的制备及性质研究

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纳米级的Fe3O4具有颗粒粒径小,比表面积高等特点,是一种多功能磁性材料。碳纳米管(CNTs)独特的力学、电学、磁学等性能,被广泛应用于电磁纳米复合材料中。共轭导电高分子聚吡咯(PPy)具有电导率高、稳定性好、柔韧性好、易加工等优点,又因为它的尺寸是纳米级的,因此,具有与常规材料相比不同的光、电、声和磁方面的性能。本文首次以磁性离子液体(MIL)1-丁基-3-甲基咪唑四氯化铁盐([bmim]FeCl4)作为反应原料兼溶剂,制备了Fe3O4纳米粒子;以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯化盐([bmim]Cl)为多壁碳纳米管(MWCNTs)的分散剂和反应的溶剂,在MWCNTs的表面负载了Fe3O4纳米粒子;以[bmim]FeCl4作为反应的溶剂和聚合反应的氧化剂,制备了PPy/Fe3O4和PPy/Fe3O4/MWCNTs纳米复合材料。这是一种在磁性离子液体中,不添加其他掺杂剂的条件下,制备导电聚合物磁性纳米复合材料的一种简便易行的新方法。具体内容如下:(1)采用化学共沉淀的方法,以[bmim]FeCl4、FeCl2·4H2O和氨水为原料,制备了Fe3O4纳米粒子。纳米粒子的粒径在58nm,粒径小,且比较均匀,但有团聚现象。从X射线晶体衍射(XRD)谱图的分析可以看出,Fe3O4纳米粒子的吸收峰尖锐,峰型较宽,说明Fe3O4纳米粒子的结晶性较好。穆斯堡尔谱图显示出Fe3O4纳米粒子具有良好的铁磁性和一定的超顺磁性。(2)以[bmim]FeCl4作为吡咯(Pyrrole)单体聚合的氧化剂和反应溶剂,采用原位聚合的方法,制备了聚吡咯/四氧化三铁(PPy/Fe3O4)纳米复合材料。实验结果表明,随着吡咯单体量的增加,复合材料的形貌逐渐趋向于球形,但吡咯单体达到一定量后,复合材料的形貌又由原来的球形,变为结合在一起的块状物。复合材料导电性的变化趋势与形貌的变化趋势是一致的,呈现先增大后减小的趋势,导电性最高达3.1S/cm,对于纯PPy来说有所提高。热重分析显示复合材料的热稳定性较纯PPy有所提高。对复合材料的微波吸收性能进行了研究,研究表明PPy5.0/Fe3O4纳米复合材料的微波吸收性能最好,最高反射损失可达-32.61dB,反射损失小于-10dB的频宽为5GHz。(3)将多壁碳纳米管(MWCNTs)超声分散在含有[bmim]FeCl4的[bmim]Cl中,制备了负载有Fe3O4纳米粒子的MWCNTs,即Fe3O4/MWCNTs纳米复合材料。复合材料的SEM和TEM图中可以看到,MWCNTs的表面负载有许多Fe3O4纳米粒子。复合材料的XRD图中也可以看出,Fe3O4结晶性仍然良好。穆斯堡尔谱显示出,复合材料具有一定的铁磁性和超顺磁性。(4)以[bmim]FeCl4作为Fe3O4/MWCNTs纳米复合材料的分散剂以及反应的溶剂,与此同时还是吡咯单体聚合的氧化剂,在不添加其他掺杂剂的条件下,采用原位聚合的方法,制备了PPy/Fe3O4/MWCNTs纳米复合材料。从SEM和TEM图中可以看到,复合材料的形貌是具有核壳结构的管状物,Fe3O4纳米粒子夹杂在PPy层与MWNCTs之间。随着吡咯单体的量的增加,PPy层越来越厚,最后呈现出管与管连结在一起的形貌结构。复合材料的导电性与它的形貌的变化趋势一致,随着吡咯单体量的增加,呈现出先增大后减小的趋势,电导率最大达到25S/cm。由TGA图可以看出,复合材料的热稳定性较纯PPy,有一定程度的提高。用穆斯堡尔谱对复合材料进行了分析,分析结果显示,复合材料具有一定的铁磁性和良好的超顺磁性,且随着吡咯单体的增加,复合材料的磁性逐渐降低。用N5244A型矢量网络分析仪对复合材料的电磁吸波性能进行了研究,结果显示,复合材料具有一定的电磁吸波性能,但由于复合材料的介电损耗较大,磁损耗较低,复合材料存在阻抗匹配性不好的问题,这也是接下来的工作需要优化的地方。
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