高性能聚噻吩导电复合材料的设计制备与性能研究

发布时间：2023-04-01 15:25

　　聚噻吩(PTh)是一类导电高分子,聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)是聚噻吩的衍生物之一,具有优异的导电性质、化学稳定性和光学性质,是目前商业化应用最为广泛的导电高分子材料。但由于聚噻吩共轭分子链的刚性,其力学性能较差,通常只能作为涂层附着在合适的基底上使用。为了提高PEDOT的力学性能的同时不破坏其电化学性能,我们通过超分子组装的方法,将刚性的PEDOT和另一种柔性高分子在分子水平上进行组装,得到了两种同时具有高强度和高电化学活性的柔性PEDOT复合材料,分别是具有优良电容性质的PEDOT-PVA(聚乙烯醇)水凝胶和具有湿度响应性的PEDOT/PAA-AMPS(聚丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基并磺酸共聚物)薄膜,并以这两种PEDOT复合材料为基础分别制备了高性能的柔性超级电容器和可进行仿生螺旋运动的驱动器。另一方面,我们利用电化学合成法,在聚噻吩氧化聚合过程中掺杂增塑剂与阴离子表面活性剂,得到高强度高韧性的导电聚乙二醇2000-对甲基苯磺酸钠-聚噻吩(PEG2000-SPTS-PTh)薄膜,并在此基础上组装了具有良好柔性的聚噻吩超级电容器。本论文对设计合成柔性导电高分子复合材料及相...

【文章页数】：141 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
引言
第1章 聚噻吩的电化学及刺激响应性研究概述
    1.1 PEDOT的发展与研究
        1.1.1 PEDOT的研究历史
        1.1.2 PEDOT的化学结构
        1.1.3 PEDOT的合成方法
        1.1.4 PEDOT复合物的平面结构及立体结构
    1.2 超级电容器
        1.2.1 超级电容器的组成
        1.2.2 超级电容器的分类
        1.2.3 超级电容器面临的挑战与未来发展方向
        1.2.4 导电高分子作为超级电容器活性材料
    1.3 PEDOT在超级电容器领域的研究现状
        1.3.1 聚合方法对于PEDOT比电容值的影响
        1.3.2 聚合条件对于PEDOT比电容值的影响
        1.3.3 表面形态对PEDOT比电容值的影响
    1.4 刺激响应性材料
        1.4.1 自然界中的响应性运动
        1.4.2 智能响应性材料
        1.4.3 刺激响应性材料
        1.4.4 刺激响应性材料研究进展
    1.5 湿度响应性材料
        1.5.1 利用细菌孢子组装的湿度响应性驱动器
        1.5.2 仿生湿度响应性聚吡咯驱动器
        1.5.3 高分子复合物光控湿度驱动驱动器
    1.6 PEDOT在响应性材料领域的研究现状
        1.6.1 PEDOT:PSS/PVDF湿度响应性双层驱动器
        1.6.2 PEDOT:PSS/PDMS湿度响应性双层驱动器
        1.6.3 PEDOT:PSS/PEG湿度响应性双层驱动器
    1.7 磁场响应性材料的研究现状与展望
        1.7.1 磁铁纳米颗粒的结构
        1.7.2 磁铁纳米颗粒的合成方法
        1.7.3 磁铁纳米颗粒的主要应用
    1.8 磁铁纳米颗粒在刺激响应性材料中的应用简介
        1.8.1 负载磁铁纳米颗粒的可注射形状记忆水凝胶
        1.8.2 超轻磁性的负载磁铁纳米颗粒的石墨烯压力响应性弹性体
        1.8.3 形状记忆的远程调控性磁铁纳米颗粒-纳菲纤维
    1.9 响应性材料的定向运动
        1.9.1 通过施加外界磁场控制湿度响应性聚吡咯薄膜运动方向
        1.9.2 通过湿度响应性CNP薄膜一端部分保护实现定向运动
        1.9.3 通过在体系中加入纤维结构使薄膜运动具有取向性
    1.10 自然界中的螺旋运动
        1.10.1 黄瓜藤的手性螺旋生长
        1.10.2 豆英的手性螺旋张开
        1.10.3 种子芒的螺旋弯曲运动
        1.10.4 卷柏茎的螺旋弯曲
    1.11 人工合成螺旋运动材料的研究现状
        1.11.1 通过手性液晶分子得到具有特定运动方向的光热响应材料
        1.11.2 通过双层结构的材料得到具有特定形变方式的响应性驱动器
        1.11.3 通过两种周期性平行排列的材料得到特定形变方式
    1.12 高强度高韧性聚噻吩的合成及性能研究
        1.12.1 聚噻吩的聚合机理
        1.12.2 聚噻吩掺杂的研究
        1.12.3 聚噻吩超级电容器的研究
    1.13 利用超分子自组装法提高导电高分子材料的力学性能
第2章 基于PEDOT-PVA水凝胶的柔性超级电容器
    2.1 前言
    2.2 合成PEDOT-PVA水凝胶
        2.2.1 聚合反应机理
        2.2.2 聚合反应步骤
        2.2.3 反应体系的优化
    2.3 PEDOT-PVA水凝胶的化学表征
        2.3.1 PEDOT-PVA水凝胶的化学结构
        2.3.2 PEDOT-PVA水凝胶的微观结构
        2.3.3 PEDOT-PVA水凝胶的其他表征
    2.4 PEDOT-PVA水凝胶的力学性能
    2.5 PEDOT-PVA水凝胶电化学主要参数计算
    2.6 PEDOT-PVA水凝胶在三电极体系中的电化学性能
        2.6.1 制备PEDOT-PVA水凝胶电极
        2.6.2 循环伏安与电化学阻抗曲线
        2.6.3 恒电流充放电曲线
    2.7 组装PED0T-PVA水凝胶SSC
        2.7.1 制备PVA-Na₂SO₄电解质
        2.7.2 制备PEDOT-PVA水凝胶SSC
        2.7.3 PEDOT-PVA水凝胶SSC的电化学性质检测条件
        2.7.4 PEDOT-PVA水凝胶SSC的电压窗口上限
        2.7.5 PEDOT-PVA水凝胶SSC的电化学稳定性
    2.8 总结
第3章 PPA薄膜的合成及湿度响应性
    3.1 前言
    3.2 合成PPA薄膜
        3.2.1 方法设计
        3.2.2 实验路线摸索
        3.2.3 合成步骤
        3.2.4 制备湿度响应性薄膜
    3.3 PPA薄膜的化学表征
        3.3.1 紫外光谱
        3.3.2 光学显微镜观察
        3.3.3 PPA薄膜化学结构表征
    3.4 PPA薄膜的力学性能
        3.4.1 PPA薄膜的拉伸性能
        3.4.2 PPA薄膜的承重性能
    3.5 PPA薄膜的湿度响应性现象
        3.5.1 PPA薄膜的湿度响应性现象
        3.5.2 PPA薄膜的湿度响应性运动
    3.6 PPA薄膜的湿度响应性量化
        3.6.1 温度对湿度响应性运动的影响
        3.6.2 薄膜几何形状对湿度响应性运动的影响
        3.6.3 PPA薄膜的灵敏度
    3.7 PPA薄膜湿度响应性的非接触控制
        3.7.1 PPA薄膜对远程湿度梯度的响应性现象
        3.7.2 PPA薄膜的蝴蝶状呼吸运动
        3.7.3 基于PAA湿度响应性的非接触开关
    3.8 PPA薄膜的湿度响应性机理推断
        3.8.1 通过光学显微镜观察PPA薄膜的吸水与失水
        3.8.2 通过红外光谱检测PPA薄膜与空气中的水交换过程
        3.8.3 薄膜响应性机理推断
    3.9 总结
第4章 PPA薄膜的定向响应性运动
    4.1 前言
    4.2 磁铁纳米颗粒的合成及表征
        4.2.1 磁铁纳米颗粒的合成原理及反应过程
        4.2.2 磁铁纳米颗粒反应后处理
        4.2.3 磁铁纳米颗粒的化学性质表征
    4.3 磁铁纳米颗粒的掺杂及PPA薄膜的磁场-水汽双应性运动
        4.3.1 掺杂方式的选择
        4.3.2 掺杂对PPA薄膜化学结构的影响
        4.3.3 磁铁纳米颗粒掺杂量对PPA薄膜方向性运动速度的影响
        4.3.4 磁铁纳米颗粒掺杂量对PPA薄膜湿度响应性翻转频率的影响
    4.4 PPA薄膜的手性螺旋运动
        4.4.1 PPA薄膜手性运动的发现
        4.4.2 PPA薄膜手性螺旋运动的量化
    4.5 PPA薄膜手性螺旋运动的机理
        4.5.1 PPA薄膜手性螺旋运动机理的推测
        4.5.2 PPA薄膜手性螺旋运动机理的验证
        4.5.3 PPA手性螺旋运动的应用
    4.6 总结
第5章 基于高强度高韧性聚噻吩复合材料的柔性电子器件
    5.1 前言
    5.2 研究方法
        5.2.1 聚噻吩的电化学合成
        5.2.2 聚噻吩的力学性能及结构表征
        5.2.3 聚噻吩的电化学性质表征
    5.3 增塑剂及表面活性剂单掺杂对聚噻吩薄膜性能的影响
        5.3.1 增塑剂掺杂对聚噻吩薄膜性能的影响
        5.3.2 表面活性剂掺杂对聚噻吩薄膜性能的影响
    5.4 双掺杂体系对聚噻吩薄膜性能的影响
        5.4.1 聚乙二醇分子量对聚噻吩薄膜性能的影响
        5.4.2 聚合温度对聚噻吩薄膜性能的影响
        5.4.3 聚合电压对聚噻吩薄膜性能的影响
        5.4.4 聚噻吩薄膜的掺杂原理
    5.5 聚噻吩薄膜的化学结构
        5.5.1 聚噻吩薄膜的红外光谱
        5.5.2 聚噻吩薄膜的拉曼光谱
        5.5.3 聚噻吩薄膜的SEM形貌特征
        5.5.4 聚噻吩薄膜的XRD光谱及拉伸机制
    5.6 聚噻吩薄膜的电化学性质
        5.6.1 聚噻吩薄膜柔性导体
        5.6.2 聚噻吩电极的电化学性质
        5.6.3 聚噻吩超级电容器的电化学性质
    5.7 总结
第6章 全文总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
附录一：图表目录
附录二：简称及缩写
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果



本文编号：3777386