納米導電聚合物

1、納米導電聚合物第1頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二第九節(jié) 納米導電聚合物 第2頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二一、導電聚合物的發(fā)展及應用前景 1977年、和白川英樹(H.Shirakawa)發(fā)現(xiàn)，聚乙炔薄膜經電子受體(IAsF6)摻雜后電導率增加了9個數(shù)量級,由10-6S/cm增加到103S/cm(他們共同獲得了2000年諾貝爾化學獎)。這一發(fā)現(xiàn)打破了有機聚合物都是絕緣體的傳統(tǒng)觀念，開創(chuàng)了導電聚合物的研究領域，誘發(fā)了世界范圍內導電聚合物的研究熱潮。大量的研究表明，各種共軛聚合物經摻雜后都能變?yōu)榫哂胁煌瑢щ娦阅艿膶щ娋酆衔?，具有代表性的共軛聚合物?/p>

2、聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。第3頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二 導電聚合物的突出優(yōu)點是既具有金屬和無機半導體的電學和光學特性，又具有有機聚合物柔韌的機械性能和可加工性，還具有電化學氧化還原活性。這些特點決定了導電聚合物材料將在未來的有機光電子器件和電化學器件的開發(fā)和發(fā)展中發(fā)揮重要作用。第4頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二二、納米導電聚合物的應用納米導電聚合物的應用前景很廣闊，主要有：(1)納米復合膜(2)納米纖維(管)(3)納米粒子第5頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二 1、納米復合膜 含有可離子化側基（如一COOH

3、，一SO3H等）的導電聚合物極易與聚陽離子化合物自組裝成聚電解質的納米復合膜，如聚（3一醋酸噻吩）（PTAAPAH）和碳化聚苯胺（SPAn-PAH）等都是具有一定電活性的有機薄膜。與上述帶可離子化側基的導電高聚物衍生物不同，聚吡咯、聚苯胺等共軛高分子經p-型摻雜后，高分子鏈中產生離域化的正電荷載流子，可與聚陰離子化合物自組裝成具有較高環(huán)境穩(wěn)定性、導電性的納米復合膜。利用SA(分子自組裝膜)法，通過控制浸漬時間及改變溶液的化學成分，極易獲得不同厚度、不同電導率的功能性聚合物納米復合膜，為導電聚合物的實用化創(chuàng)造了良好條件。第6頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二 2、導電聚合物

4、納米纖維（管） 納米碳管是最細的分子導線”以及最小的“試管”和“納米線圈”。事實上，導電聚合物本身在理論上就是分子導線。但用常規(guī)的化學合成方法得到的是沒有力學強度的導電高分子聚集體，因此合成具有良好力學性的納米尺度的導電聚合物微管或纖維，有著十分誘人的應用前景。Zhihua等最早以亞微米的介孔膜為模板，合成了直徑僅為幾百納米的取向聚吡咯和聚（3-甲基噻吩）納米導電纖維。一般地，導電纖維的電導率隨著直徑的增加而逐漸下降，因此，直徑為30nm的取向導電纖維較常規(guī)合成的導電高分子的電導率10-100Scm-1，高出1個數(shù)量級。 第7頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二3導電聚合物

5、納米粒子 直接合成導電聚合物膠體粒子是獲得導電高分子均一溶液的有效途徑之一，Armess等人利用空間位阻穩(wěn)定化機理制得了粒徑約為 120nm的聚苯胺顆粒；Chan HSO等人在（WO）乳化液中聚合聚苯胺超微顆粒（直徑1030nm）后，進而用電沉積法制成導電率可達8.5scm-1的聚苯胺膜；宋根萍等選擇 SDBS-An-H2O三組分O-W微乳液與苯胺單體共存的兩相體系進行苯胺聚合(微乳法是合成納米材料常用的方法)，獲得了直徑僅為3nm，分散均勻且有較好導電性的PAn超細顆粒。以上方法得到的納米級聚苯胺微粒，可作為納米導電材料。 第8頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二三、導電

6、聚合物納米結構的制備 由于納米科學和納米技術的迅速發(fā)展，聚合物納米結構的研究也引起了科學家們的高度重視。目前，制備導電聚合物納米結構的方法很多，這里主要介紹：(1)模板法(Template Synthesis)(2)無模板自組裝法(Template-free Synthesis)(3)靜電紡絲技術(Electrospinning)第9頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二(1)模板法 所謂模板法，是以某些特殊形貌的材料(多孔材料、納米纖維、膠體顆粒等)作為反應或加工的模板，合成或制備具有相對應形貌的目標材料的方法。多孔聚碳酸酯(Polycarbonate)和氧化鋁(Anodi

7、c aluminum oxide，AAO)模板可以制備導電聚吡咯、聚苯胺和聚三甲基噻吩等納米線和納米管。利用聚(L-丙交酯)(poly(L-lactide)，PLA)和聚(四亞甲基己二酰二胺)(poly(tetramethylene adipamide)，PA)等納米纖維制備高分子、金屬及其他材料的微米納米管。以碳納米管(Carbonnanotubes，CNTs)或碳納米管陣列為模板，可以得到導電聚合物包覆的碳納米管。以球形的膠體微粒作為模板可得到導電聚合物空心微球。第10頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二模板法制備的聚合物納米管第11頁，共20頁，2022年，5月20日

8、，10點0分，星期二 利用模板法制備的導電聚合物納米線和納米管的尺寸可控性好，應用范圍較廣，并且容易實現(xiàn)納米結構的有序排列。但是，模板的使用，使得制備過程變得相對繁瑣和復雜。一方面，模板的本身制備過程比較復雜；另一方面，模板的去除不僅增加反應步驟，也會對產物形貌造成破壞。第12頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二(2)無模板法 自組裝是利用分子間氫鍵、范德華力和配位鍵等弱相互作用，通過自發(fā)過程，形成管、線、球等復雜結構及二維和三維有序結構。 與模板法相比，無模板自組裝方法簡單，廉價，對實驗條件要求不嚴格，可以通過化學和電化學手段來實現(xiàn)聚合，但在可控性和制備有序結構方面有所欠

9、缺，有待進一步的研究和提高。近年來，采用自組裝過程直接制備聚合物納米結構材料的研究發(fā)展很快。第13頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二無模板法制備的納米管和空心微米球第14頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二(3)靜電紡織技術 電紡絲技術可用于聚合物納米纖維的制備。靜電紡絲法制備聚合物納米纖維具有設備簡單、使用廣泛、成本低廉、操作容易以及高效等優(yōu)點，因此它被認為是制備大量聚合物連續(xù)納米纖維最有效的方法，近幾年來越來越引起人們的重視。第15頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二靜電紡織裝置示意圖第16頁，共20頁，2022年，5月20日，

10、10點0分，星期二 如圖所示，在靜電紡絲工藝過程中，聚合物熔體或溶液被裝入紡絲容器內，加上幾千至幾萬伏的高壓靜電，在毛細管和接地的接收裝置間產生一個強大的電場力。相同電荷相斥導致了電場力與液體的表面張力的方向相反。隨著電場力的增大，在毛細管末端呈半球狀的液滴在電場力的作用下將被拉伸成圓錐狀，稱為泰勒錐。當電場力超過一個臨界值后，排斥的電場力將克服液滴的表面張力形成射流，而在靜電紡絲過程中，液滴通常具有一定的靜電壓并處于一個電場當中，因此，當射流從毛細管末端向接收裝置運動的時候，都會出現(xiàn)加速現(xiàn)象，這也導致了射流在電場中的拉伸，最終在接收裝置上形成無紡布狀的納米纖維。第17頁，共20頁，2022年，5月20日，10點0分，星期二 近年來，人們通過改變紡絲條件來制備有序排列的納米纖維例如，利用滾筒、圓盤等設備來代替接收屏，可以得到有序度非常高的納米纖維。靜電紡絲技術是制備納米材料的一種非常有效可行的方法，已成功制成多種復合、陶瓷納米纖維，得到世界各地科學家們的廣泛重視。到目前為止約有上百種聚合物纖維被電紡絲技術制備出來，尤其是近幾年，靜電紡絲技術發(fā)展迅猛，在光