基本信息
- 项目名称：
- 低维聚苯胺纳米纤维及其复合纤维的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 导电聚合物和纳米技术的结合，带来了许多新的化学和物理性能，进一步扩大了其应用领域，正在成为近期导电高分子研究的热点。聚苯胺具有许多优良的物理化学性能，有广阔的应用前景。设计具有特定形貌的聚苯胺纳米材料及其复合材料，并使其具有一定的功能，是导电聚合物研究中一个富有挑战性的课题。本论文以聚苯胺纳米结构制备方法展开，探索出简单有效的制备多种形貌的聚苯胺纳米材料及其复合材料的方法。
- 详细介绍：
- 导电聚合物和纳米技术的结合，带来了许多新的化学和物理性能，进一步扩大了其应用领域，正在成为近期导电高分子研究的热点。聚苯胺具有许多优良的物理化学性能，有广阔的应用前景。设计具有特定形貌的聚苯胺纳米材料及其复合材料，并使其具有一定的功能，是导电聚合物研究中一个富有挑战性的课题。本论文以聚苯胺纳米结构制备方法展开，探索出一系列简单有效的制备多种形貌的聚苯胺纳米材料及其复合材料的方法。 在不额外使用表面活性剂的情况下，通过水杨酸和掺杂同时起模板剂的作用，控制合成了多形貌（如粒子、纤维、编织席状纤维）低维聚苯胺纳米材料：聚苯胺纤维的直径可以通过简单调整苯胺的浓度来控制；采用用适当的掺杂剂和苯胺浓度比可以来制备出编织席状纤维；改变APS对苯胺的浓度比，可以形成三维的、互相交错联接的纳米碟结构。该方法开辟了一条可控合成高分子纳米结构材料的有效途径。 用硬脂酸做模板和掺杂剂通过自组装过程来制备线型聚苯胺纳米管，树枝状和网状聚苯胺纳米纤维。管的平均直径大约在200 nm，长度在1微米以下或达几微米。树枝状聚苯胺纤维由于内部连接形成三维的网状结构。聚苯胺的形态与大小取决于苯胺与硬脂酸浓度比，基于紫外可见光谱和拉曼光谱中得到的结论，三种典型产物的掺杂水平因不同的反应条件而不同。 通过采用紫外吸收光谱、拉曼光谱和X－射线衍射等手段，深入研究了各不同形貌聚苯胺与其分子结构之间的关系。从微观领域阐释了形成不同纳米结构的可能机理，为纳米结构聚苯胺的控制合成提供了坚实的理论基础。 利用已制备出的树枝状聚苯胺纳米纤维作模板，通过溶胶-凝胶的方法来合成聚苯胺/二氧化硅复合纤维，复合纤维的室温电导率高于聚苯胺纤维，复合纤维的直径可以通过选择聚苯胺纤维的直径来选择，而聚苯胺的直径可以通过控制反应条件来调节。 通过煅烧复合纤维，得到保持聚苯胺树枝状的二氧化硅纤维，提供了一种模板法制备树枝状无机物纳米纤维的新方法，所制备的树枝状无机物纳米纤维由于聚苯胺的烧除而带介孔结构，使其在催化和吸附等领域具有很高的应用价值。
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撰写目的和基本思路
- 本论文以聚苯胺纳米结构制备方法展开，探索出简单有效的制备多种形貌的聚苯胺纳米材料及其复合材料的方法。通过改变聚苯胺与掺杂剂的浓度比，控制聚苯胺纳米结构形态的改变。
科学性、先进性及独特之处
- 本文探究了前人没有涉及到的聚苯胺的形态从线型到树枝型转化的问题，同时具有创造性地用树状聚苯胺纳米纤维作为模板制备出了多功能复合纤维，发展了用模板法制备树枝状无机纳米纤维的新方法。
应用价值和现实意义
- 低维聚苯胺纳米结构材料在高分子纳米线、微－纳米电子装置、纳米器件及气体分离膜方面具有极大的潜在应用价值。通过对低维聚苯胺纳米纤维及其复合纤维的研究，有利于我们理解聚苯胺纳米结构的形成机理，指导我们改善聚苯胺的可加工性。
学术论文摘要
- 导电聚合物和纳米技术的结合，带来了许多新的化学和物理性能，进一步扩大了其应用领域，正在成为近期导电高分子研究的热点。聚苯胺具有许多优良的物理化学性能，有广阔的应用前景。设计具有特定形貌的聚苯胺纳米材料及其复合材料，并使其具有一定的功能，是导电聚合物研究中一个富有挑战性的课题。本论文以聚苯胺纳米结构制备方法展开，探索出简单有效的制备多种形貌的聚苯胺纳米材料及其复合材料的方法。主要内容如下： 1．采用自组装的方法，在有机酸（水杨酸、硬脂酸）掺杂下通过化学氧化聚合，首次控制合成多形貌聚苯胺纳米结构，包括颗粒、树枝状纳米纤维、纳米管、纳米纤维编织席和纳米碟等。采用扫描电镜和透射电镜方法观察了产物形貌；综合运用紫外、红外、X射线衍射和拉曼光谱等表征手段分析了聚合产物的分子结构；探讨了这种通过自组装作用形成的新形貌的机理。 2．选择阈值最低、最具应用价值的树枝状纳米纤维为模板，首次采用溶胶-凝胶技术合成了树枝状聚苯胺/SiO2(TiO2)复合纤维，煅烧除去有机成分，得到介孔结构树枝状无机物纳米纤维。发展了一种以聚苯胺纤维为模板合成新型无机物纳米结构材料的新方法。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1，所得聚苯胺在Hitachi S-4300场发射扫描电子显微镜和JEOL JEM-100CX透射显微镜下进行观察； 2，所得聚苯胺固体通过超声溶解于间甲酚溶液后，在紫外光谱仪（1601UVPC，日本）上进行测定； 3，Raman光谱在LabRam I光谱仪上进行测定，激发光波长为632.8nm； 4，广角X射线衍射在Rigaku 97D/max-2500上进行；pH值由pH-3S (San- 99gli)pH计测得。
同类课题研究水平概述
- 近年来，低维纳米结构聚苯胺的构建吸引了科学家极大兴趣，主要是由于它们在高分子纳米线、微－纳米电子装置、纳米器件及气体分离膜方面具有极大的潜在应用价值。聚苯胺纳米材料由于比块体材料具有更大的比表面积因而具有更为优越的性能，聚苯胺的电子/离子性能主要是决定于其形貌结构。因此，聚苯胺纳米结构的控制不论在理论上还是应用上都有重要意义。 科学家们发展出了多种合成聚苯胺纳米材料的方法或策略，包括硬/软模板法，种子诱导聚合法，界面聚合法，快速混合反应法，电沉积法，辐射聚合法以及稀释聚合法等等。在所有以上提到的聚苯胺合成方法中，乳液聚合法被认为是合成聚苯胺纳米材料最有效的软模板法。通常，乳液聚合需要使用大量表面活性剂作乳化剂，聚合反应完成后，表面活性剂的处理和回收是非常繁琐的任务。 前人已经通过自组装过程制备了亚微米级树枝状聚苯胺，或在低温凝胶中通过氧化聚合反应制备三维树枝聚苯胺纳米纤维，但这方面的报道很少，只有有限的几篇。不久前，我们已经成功的用水杨酸作为模板及掺杂物在室温下制备出直径在30-40 nm之间的树枝状及网状聚苯胺纳米纤维。关于聚苯胺的形态从线型到树枝型的转化问题，没有任何一篇文献同时涉及到一维线型和三维树枝型纳米纤维的控制问题。在前期工作基础上进行更深入的研究，成功的合成多形貌聚苯胺纳米结构。 另一方面，在众多的导电聚合物中, 聚苯胺( PANI) 因其特殊的质子掺杂性、良好的氧化还原性和环境稳定性以及较高的掺杂导电率, 易于大量生产和成本相对低廉引起了广泛的关注，被认为是最有实际商业应用前景的导电高分子之一。但PANI 因其分子强刚性链以及链间的强相互作用,综合力学性能差，自身难熔并且不易溶于一般有机溶剂和流变性能不良，使其难以采用传统加工成型方法，严重妨碍了在各个领域的推广应用。纳米粒子由于颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点使其具有特殊的物理化学特性，聚苯胺纳米复合材料不仅可充分利用两者性能互补的优势，改善基体的物理与化学性能，还可以赋予导电高分子新的性能；可以改善导电高分子的性能。 我们所制备的树枝状或者网络状结构的聚苯胺纳米纤维比其它纳米结构具有更低的使用阈值。还在成功控制制备树枝状聚苯胺纳米纤维的基础上，发展了一种模板法制备树枝状无机物纳米纤维的新方法。
