聚苯胺及其衍生物复合薄膜电致变发射率性能研究

发布时间：2020-09-14 17:59

　　 材料在外加电场作用下发生光学性质(透过率、反射率、吸收率等)的可逆变化的现象称为电致变色现象,电致变色材料在智能窗、柔性光学显示器、汽车防炫目后视镜等领域具有广泛应用前景。电致变色材料在红外波段的电致变色现象又称为电致变发射率,电致变色在红外波段的应用开拓了军事红外隐身、航天器智能热控研究的新领域。相比于WO3等其他无机电致变色材料而言,导电高分子聚苯胺(PANI)具有成本低廉、合成简单、柔性质轻、响应速度快、红外调控高等优点,成为研究最广泛的一种有机电致变发射率材料。本文采用电化学恒电流法聚合了硫酸和十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯胺薄膜以及聚邻甲苯胺-聚苯胺双层结构复合薄膜。采用扫描电子显微镜、傅立叶变换红外光谱、拉曼光谱、电化学工作站等手段对制备的薄膜进行形貌结构表征及性能研究。详细研究了聚合单体浓度、聚合电流、聚合时间等制备工艺参数对聚合曲线、薄膜的循环伏安特性、红外透过率和红外发射率性能的影响,建立了聚苯胺薄膜电导率、红外透过率和发射率之间的关系。对质子酸掺杂聚苯胺薄膜的研究结果表明,硫酸和十二烷基苯磺酸两种不同酸掺杂的聚苯胺薄膜的性质存在很大差异。硫酸掺杂的聚苯胺薄膜更致密均匀,十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯胺薄膜表层更疏松、表面较粗糙。硫酸掺杂的聚苯胺的发射率调制幅度较低,聚合时间4000 s的硫酸掺杂的聚苯胺薄膜发射率变化最大,最大为0.051。十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯胺薄膜发射率变化最大的制备条件为:苯胺单体浓度0.03 mol/L、聚合电流0.4 m A、聚合时间1000 s。最大发射率调制幅度为0.261,循环100次后发射率变化幅度衰减24.5%,响应时间为秒级。对聚苯胺-聚邻甲苯胺双层结构复合薄膜的研究结果表明,其性质于单层薄膜不同,微观形貌为表面带有缝隙的沟壑状,表面更加粗糙。当底层聚邻甲苯胺膜层聚合3000 s,顶层聚苯胺膜层聚合1500 s时,得到的双层结构复合薄膜发射率变化最大,最大发射率调制为0.394。双层结构复合薄膜循环性能与十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯胺单层结构薄膜相比,循环稳定性能相近,100次循环后发射率调制衰减24.1%,响应时间较十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯胺单层结构薄膜慢一倍左右。通过对在ITO基底上不同厚度的十二烷基苯磺酸掺杂聚苯胺薄膜电导率、红外透过率和发射率的研究,分析了ITO/PANI发射率调制的机理。当聚苯胺薄膜较薄时,ITO/PANI的红外反射率由红外高反射的ITO基底决定,不同状态下的聚苯胺薄膜电导率的变化影响聚苯胺膜层的红外透过,进而改变ITO对ITO/PANI的反射作用,而ITO/PANI红外反射的变化决定了其发射率的调制。当聚苯胺薄膜达到一定厚度时,聚苯胺膜层的红外透过显著降低,大幅降低了ITO基底对ITO/PANI的反射作用,此时聚苯胺膜层的反射对ITO/PANI的影响超过ITO基底反射的影响,而不同状态下的聚苯胺薄膜电导率的变化影响其红外反射,进而决定了ITO/PANI发射率的调制。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2;O633.21
【部分图文】：

图 1-1 电致变色的应用领域总体来说，电致变色材料按照结构来源将其分为无机电致变色材料和有变色材料两大类。无机电致变色材料的变色性能稳定，其变色机理来自电子的注入和抽出。有机电致变色材料具有色彩丰富，易进行分子设点,其变色是由于可逆的氧化还原反应而引起的。下面对无机和有机这两材料分别予以介绍。2.1 无机电致变色材料无机电致变色材料大多数是由过渡金属氧化物及其衍生物组成的[16]。无变色材料具有颜色对比度高，循环稳定性好，附着力强等优点；但也存在化单一，成本较高不易加工成型等缺点。无机电致变色材料由于具备不稳子层结构，过渡金属氧化物当中的金属离子在外在影响下，发生可逆的价，形成离子的混合价态共存状态。随着离子价态及其浓度变化的同时，颜之发生变化。无机电致变色材料按照施加电压可分为阳极和阴极两种变

色材料材料具有无机变色材料所不具备的一些优丰富，方便分子设计以便优化性能，材料电致变色材料相比较，有机电致变色材料，与基底结合不牢等[22-25]。ens)[26]是氧化-还原型有机电致变色材料的,4’-联吡啶。像这类化合物分子包括一定长分。紫罗精存在三种氧化还原态，包括无带有非定域正电荷的单价阳离子，当电子得到一个电子时就变成另一种无色的还性能，分子轨道能级的改变以及电荷在分子效调节。

征态导电聚合物是不导电的。导电聚合物可被氧化或还原，伴随其，对离子嵌入聚合物主链以中和电荷，经此“掺杂”后聚合物就使得导电性。阳离子掺杂对应为 P 型掺杂，阴离子掺杂对应为 N 型掺物经掺杂后的电导率大概在 10-6-105S/cm 之间，导电良好的聚合物金属导体级别。材料颜色的变化主要是由掺杂剂种类和浓度决定物经掺杂后，聚合物中即引入极化子和双极化子等载流子，掺杂浓同时，导带和价带能隙中便产生了极化子和双极化子能级，价带电跃迁，光谱随之发生变化。在外加电压作用下，可改变聚合物的掺响禁带宽度，导致价电子在不同能级的跃迁，出现光谱吸收，宏观的变化，这就是导电聚合物的电致变色原理。能变色的导电聚合物结构的高分子材料，主要有聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。苯胺苯胺（PANI）是最早的导电聚合物类的有机电致变色材料之一。聚低廉，响应时间短，循环次数高，光学性能优良等优点，使其成为段范围内极具前途的电致变色材料。图 1-3 是聚苯胺分子链的结

【参考文献】

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本文编号：2818480