碘掺杂碳纳米管—共轭高分子复合材料的导电性和导电机理探究

发布时间：2017-12-23 18:21

本文关键词：碘掺杂碳纳米管—共轭高分子复合材料的导电性和导电机理探究　出处：《华东师范大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：自20世纪70年代导电高分子出现以来,经过40多年的发展,目前已经逐步进入到应用化的阶段,实现高分子材料导电性的突破一直是研究的热点。碳纳米管(CNTs)优异的一维纳米结构和物理化学性能,使其成为不可多得的高分子导电填料。然而这种高分子复合材料导电性虽然在原有基础上有所提高,但仍然远低于碳纳米管的导电性能。为了能够进一步改善CNT-高分子复合材料的导电性,本文做了一下工作：1、本文采用原位聚合的方式制备聚吡咯(PPy)包裹CNTs的复合材料,利用机械共混法对上述复合材料进行碘掺杂。实验结果表明,碘掺杂纯的PPy和纯的CNTs后,材料的导电性并没有改善；而用碘掺杂碳纳米管-聚吡咯(CNT-PPy)复合材料时,复合材料的导电性在原有基础上可提高约3.4倍。通过SEM, Raman和XPS的分析可知,在CNTs与PPy之间存在π-π相互作用,碘掺杂后,在CNT-PPy和碘之间形成P-π共轭,这种增强的共轭作用有利于N阳离子自由基的产生,从而载流子浓度增加,导电性提高。2、在第一项工作的基础上,我们分别研究了碳纳米管-聚苯胺(CNT-PANI),碳纳米管-聚噻吩(CNT-PTh)和碳纳米管-聚苯乙炔(CNT-PPA)这三种复合材料在掺碘后的导电性变化趋势,并与CNT-PPy进行对比。结果表明,CNT-PPA掺碘后导电性并未提高,而其他三种复合材料掺碘后导电性有不同程度的提高。CNT-PANI掺碘后可在原来基础上提高2个数量级；CNT-PPy可提高3.4倍；CNT-PTh可提高4个数量级。当CNTs的含量处于阈值中时,碘掺杂的效果最显著。对这几种复合材料的结构及化学作用进行分析可知,碘与CNTs,高分子中的杂原子发生相互作用,从而改善复合材料的导电性。高分子基体中所含杂原子不同,掺碘后发生的相互作用也会有差异。当杂原子是N时,掺碘后形成P-π共轭,共轭作用增强,有利于N阳离子自由基的产生,导电率上升。当杂原子是S时,CNTs与PTh之间存在π-π共轭作用,掺碘后,碘与PTh之间还能形成电子转移复合物,载流子浓度上升,导电性提高。本文还引入复合导电单元的概念,认为CNTs与临近的高分子存在强相互作用,构成独立的导电单元。掺碘后,由于共轭作用增强,导电单元会增大。当CNTs的含量处于阂值中时,碘掺杂促进了导电单元相互连接,逐步形成连续的导电网络结构,因此在这一阶段碘掺杂提高导电性的效果最显著。本文对这一系列碘掺杂高分子复合材料的研究,不仅填补了目前这方面研究的空白,也为高分子复合材料的导电性的进一步优化奠定了基础。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33

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