rGO/PEDOT：PSS/PVA静电纺丝纤维的制备工艺及其性能研究
发布时间：2021-01-17 07:53
利用导电聚合物制备聚合物导电纤维,是材料学领域近年来的一个研究热点。聚3,4-乙撑二氧噻吩（PEDOT）是一种典型的导电聚合物,其能隙小、电导率高,可与PSS形成稳定的PEDOT:PSS水性分散液,具备丰富的加工空间,因此得到广泛关注和应用。本文通过高压静电纺丝制备了具备一定机械性能的rGO/PEDOT:PSS/PVA的复合导电纤维。实验首先以可纺性和纤维形貌为基准,寻找PEDOT:PSS/PVA最佳的组分配比,并以此为基础探讨不同rGO组分下的rGO/PEDOT:PSS/PVA纤维的拉伸及导电性能。其中,rGO/PEDOT:PSS通过化学氧化法单独合成,以此提高rGO在PEDOT:PSS中的分散性,减少无机组分rGO的团聚效应,同时rGO中少量的含氧官能团能够增强与PEDOT:PSS分子间的作用力,相比本征状态下的共混,能够有效降低rGO参杂对纤维力学性能的影响。在纺丝实验的过程中,将纺丝机中常规的静止接收屏改进为可高速旋转的接收台,得到了较规则的环状同心圆形貌的纤维膜,使其在“弧向”与“径向”分别具备不同的机械性能优势。实验的主要结果如下:（1）制备了PEDOT:PSS/PVA静电...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEDOT电致变色机理
第1章绪论-5-图1-3PEDOT在PSS链上的分布情况PEDOT:PSS水溶液体系的合成过程为释放电子的p型掺杂过程[18]。在此过程中，PEDOT在氧化剂的作用下失去电子成为阳离子，而PSS链上的若干硫酸根基团由于极易失去H+成为-SO3-，可与带正电荷的PEDOT分子链在静电力的作用下形成稳定的PEDOT:PSS水溶液。在水性分散液体系中，PSS的含量略高，且PEDOT的聚合度远小于PSS，但是由于彼此间的分子间作用力，PEDOT呈粒子状粘附在PSS长链上，因此提高聚合物分子链的规整度（图1-3）。1.2.3PEDOT:PSS的改性在PEDOT:PSS体系中，可以使其电导率提升的掺杂溶剂有多元醇、无机酸、有机试剂、离子液体、金属盐等，能够将PEDOT:PSS薄膜的电导率提升2~3个数量级。二次掺杂PEDOT:PSS导电性提高机理[19]为：(1)掺杂溶剂可以起到改变PEDOT的晶粒尺寸的作用，当晶粒越粗时，晶界面积会变小，从而降低晶间跳跃势垒，最终促进电子的传输；(2)可以诱导PEDOT和PSS之间进行相分离，促使PEDOT的结构构象发生变化，降低能带间隙，利于载流子的移动，提升PEDOT的导电性；(3)离子型掺杂剂可有效增加电荷载流子的浓度，提高电荷迁移率，从而提高PEDOT:PSS的导电性。PEDOT:PSS薄膜拥有良好的光学和电学性能，为进一步提升其光电特性，王明晖等[20]在玻璃基片上分别制备了由丙三醇（C3H8O3）、山梨糖醇（C6H14O6）、二甲基亚砜（C2H6OS）掺杂的PEDOT∶PSS透明导电膜。这类掺杂剂都拥有多元羟基，且分子极性很强，能够诱导PEDOT∶PSS分子结构的平面化和舒展化，在之后的观测中发现这类掺杂剂都对薄膜的微观形貌结构产生了积极影响，总体上都促使薄膜的表面更为平整和光滑。经测试表明，掺杂后薄膜的电导率和透光率均有明显提高，其
燕山大学工学硕士学位论文8图1-4高压静电纺丝装置及泰勒锥1.3.2.2静电纺丝装置工作机理首先聚合物溶液经注入装置以恒定的速度通过注射喷头，溶液在表面张力和自身重力的作用下在喷头处形成Taylor锥[31]（半球状液滴，即泰勒锥，如图1-4），由于电压的作用，聚合物溶液内部的离子在泰勒锥表面汇集，与接收屏之间生成高压静电场，当电场力的大小等于液滴的表面张力时，带电液滴在毛细管末端处于平衡，随着电场力逐渐增大，电荷进一步汇集，液滴逐渐被拉长直到突破表面张力的束缚，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的泰勒锥顶点被加速，形成聚合物溶液的射流，这些聚合物射流由于裹挟着大量的电荷，在电场中被牵引着前进，溶剂在空中蒸发凝结为纳米级的纤维丝，随后被接收屏捕获接收，最终干结固化形成纤维膜（或称纤维毡）。1.3.2.3静电纺丝的影响因素[32]静电纺丝法制备纳米纤维的影响因素很多，这些因素可分为：（1）溶液性质，如黏度、弹性、电导率和表面张力；（2）设备的控制变量，如毛细管中的静电压、毛细管口的电势和毛细管口与收集器之间的距离（又称板间距）；（3）环境参数，如溶液温度、纺丝环境中的空气湿度和温度、气流速度等。在实验工作中，纺丝设备的变量往往要根据溶液性质来调节，此外环境因素也可通过纺丝机自身的辅助功能来降低影响，如光照、加热、鼓风等等。1.4石墨烯1.4.1石墨烯的结构与性能有关石墨烯（Graphene，GR）的研究始于最近的20年，随着研究的进一步深入，有望在化学传感器、晶体管、柔性显示屏以及新能源电池等领域带来技术革新[33]。石墨烯是一种二维纳米材料，其内部为碳原子通过sp2杂化轨道构成的六边形蜂巢状
本文编号：2982484
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEDOT电致变色机理
第1章绪论-5-图1-3PEDOT在PSS链上的分布情况PEDOT:PSS水溶液体系的合成过程为释放电子的p型掺杂过程[18]。在此过程中，PEDOT在氧化剂的作用下失去电子成为阳离子，而PSS链上的若干硫酸根基团由于极易失去H+成为-SO3-，可与带正电荷的PEDOT分子链在静电力的作用下形成稳定的PEDOT:PSS水溶液。在水性分散液体系中，PSS的含量略高，且PEDOT的聚合度远小于PSS，但是由于彼此间的分子间作用力，PEDOT呈粒子状粘附在PSS长链上，因此提高聚合物分子链的规整度（图1-3）。1.2.3PEDOT:PSS的改性在PEDOT:PSS体系中，可以使其电导率提升的掺杂溶剂有多元醇、无机酸、有机试剂、离子液体、金属盐等，能够将PEDOT:PSS薄膜的电导率提升2~3个数量级。二次掺杂PEDOT:PSS导电性提高机理[19]为：(1)掺杂溶剂可以起到改变PEDOT的晶粒尺寸的作用，当晶粒越粗时，晶界面积会变小，从而降低晶间跳跃势垒，最终促进电子的传输；(2)可以诱导PEDOT和PSS之间进行相分离，促使PEDOT的结构构象发生变化，降低能带间隙，利于载流子的移动，提升PEDOT的导电性；(3)离子型掺杂剂可有效增加电荷载流子的浓度，提高电荷迁移率，从而提高PEDOT:PSS的导电性。PEDOT:PSS薄膜拥有良好的光学和电学性能，为进一步提升其光电特性，王明晖等[20]在玻璃基片上分别制备了由丙三醇（C3H8O3）、山梨糖醇（C6H14O6）、二甲基亚砜（C2H6OS）掺杂的PEDOT∶PSS透明导电膜。这类掺杂剂都拥有多元羟基，且分子极性很强，能够诱导PEDOT∶PSS分子结构的平面化和舒展化，在之后的观测中发现这类掺杂剂都对薄膜的微观形貌结构产生了积极影响，总体上都促使薄膜的表面更为平整和光滑。经测试表明，掺杂后薄膜的电导率和透光率均有明显提高，其
燕山大学工学硕士学位论文8图1-4高压静电纺丝装置及泰勒锥1.3.2.2静电纺丝装置工作机理首先聚合物溶液经注入装置以恒定的速度通过注射喷头，溶液在表面张力和自身重力的作用下在喷头处形成Taylor锥[31]（半球状液滴，即泰勒锥，如图1-4），由于电压的作用，聚合物溶液内部的离子在泰勒锥表面汇集，与接收屏之间生成高压静电场，当电场力的大小等于液滴的表面张力时，带电液滴在毛细管末端处于平衡，随着电场力逐渐增大，电荷进一步汇集，液滴逐渐被拉长直到突破表面张力的束缚，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的泰勒锥顶点被加速，形成聚合物溶液的射流，这些聚合物射流由于裹挟着大量的电荷，在电场中被牵引着前进，溶剂在空中蒸发凝结为纳米级的纤维丝，随后被接收屏捕获接收，最终干结固化形成纤维膜（或称纤维毡）。1.3.2.3静电纺丝的影响因素[32]静电纺丝法制备纳米纤维的影响因素很多，这些因素可分为：（1）溶液性质，如黏度、弹性、电导率和表面张力；（2）设备的控制变量，如毛细管中的静电压、毛细管口的电势和毛细管口与收集器之间的距离（又称板间距）；（3）环境参数，如溶液温度、纺丝环境中的空气湿度和温度、气流速度等。在实验工作中，纺丝设备的变量往往要根据溶液性质来调节，此外环境因素也可通过纺丝机自身的辅助功能来降低影响，如光照、加热、鼓风等等。1.4石墨烯1.4.1石墨烯的结构与性能有关石墨烯（Graphene，GR）的研究始于最近的20年，随着研究的进一步深入，有望在化学传感器、晶体管、柔性显示屏以及新能源电池等领域带来技术革新[33]。石墨烯是一种二维纳米材料，其内部为碳原子通过sp2杂化轨道构成的六边形蜂巢状
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