核壳结构导电聚合物复合材料的制备与表征-北京师范大学精品课程.DOC

核壳结构导电聚合物复合材料的制备与表征 任哲 北京师范大学化学学院，北京 100875 摘 要：依靠自由基乳液聚合反应，依靠聚乙烯基吡咯烷酮作为乳化剂，苯乙烯和甲基丙烯酸β羟乙酯共聚合生成聚苯乙烯微球作为复合结构的核。并进一步通过氧化偶联机理，依靠亚铁—过氧化氢体系使吡咯在聚苯乙烯微球表面聚合，形成核/壳结构导电聚合物复合材料。通过扫描电子显微镜和四探针电阻率仪检验实验产物，表明核（聚苯乙烯）性质正常，而复合物不具有导电性。最后对实验失败的原因进行了讨论。 关键词：核壳结构；聚吡咯；导电聚合物；电性能 长期以来，高聚物一直处于和金属对立的位置上，被视为绝缘材料。直到1977年,美国科学家Hegger , MacDiarmid 和日本科学家白川英树合作发现，聚乙炔薄膜经电子受体进行p型掺杂后，电导率增加到103S/ cm，才打破了有机高分子聚合物都是绝缘体的传统观念，并开创了新的研究领域——导电聚合物, 而这三位教授也因此而获得诺贝尔化学奖。又经过了多年的研究，聚吡咯、聚噻吩等导电聚合物相继被发现，相关理论也逐渐成形。目前,导电聚合物已成为一门新型的多学科交叉的研究领域，越来越受到学术界的关注。而其中导电聚吡咯是倍受关注的一种典型导电聚合物，具有多种传统金属导体所无法比拟的优点, 具有广泛的应用前景。 目前，聚吡咯难以实用化的主要原因是其难溶难熔，加工性能较差。因而，研制出可加工型导电吡咯聚合物具有深远的理论意义和广泛的应用前景。 本实验利用“核/壳聚合物复合材料兼有核聚合物和壳聚合物两（多）组分性质，同时还可能用于协同效应而产生新的性能”的特点，采用种子（两阶段）乳液聚合技术，以制得综合性能优良的核/壳结构导电聚合物复合微球，并采用扫描电镜技术对其结构进行表征，同时，利用四探针电阻率仪测试样品的电性能。 1仪器与试剂 1.1.仪器 S4800扫描电子显微镜(SEM)，日立公司；FD-1E冷冻干燥机，北京德天佑科技发展有限公司；RTS-8型数字式四探针测试仪，广州四探针科技公司；电子天平，真空泵，旋转蒸发仪，电磁搅拌器，机械搅拌器等。 1.2.试剂 苯乙烯，甲基丙烯酸β羟乙酯，吡咯，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP K30)，过硫酸铵，硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)，过氧化氢 实验所用单体苯乙烯、吡咯均需采用减压蒸馏法进行精制。 2 实验 2.1.合成过程 2.1.1.单分散聚苯乙烯乳液的制备 首先搭建装置，将100℃温度计、机械搅拌器、球形冷凝器和通气管连于250mL四口烧瓶上，下为水浴。 随后进行装料操作。在四口瓶中加入聚乙烯基吡咯烷酮和100mL蒸馏水，N2保护下升温至70℃。待完全溶解后，加入苯乙烯(St)、甲基丙烯酸β羟乙酯(HEMA)，搅拌30min，然后把24mL过硫酸铵(APS)加入反应体系。 乳液原料配比如下： 组分 重量/g 体积/mL 蒸馏水 124 124 PVP K30 2.99 —— St 15.4 17.0 HEMA 0.73 0.7 APS 2 —— 反应8h，整个过程一直持续通N2保护反应体系，并保证搅拌速度稳定在235rpm，温度始终控制在70℃。反应完成后，取一定重量乳液，称重后干燥，直到重量稳定后称重固体量。计算固含量和转化率；另取出5mL乳液，加入10mL蒸馏水，倒入9#培养皿，保鲜膜封口，扎适量小孔，冰箱中冻成冰，用冷冻干燥机干燥，以备电性能测试；剩余样品放入锥形瓶中用橡胶塞封存，以备SEM观察。 2.1.2.单分散核/壳结构聚苯乙烯/聚吡咯导电复合乳液的制备 100mL圆底烧瓶浸于0℃冰水浴中，装备好电磁搅拌，翻口橡皮塞。 将5g单分散聚苯乙烯乳液，1.5mgFeSO4·7H2O，40mL H2O，5mL 1mol/L稀盐酸加入到原底烧瓶中，并通N21min排尽氧气。随后用0.25mL注射器注入0.1mL吡咯，持续冰水浴冷却10min后，另一注射器注入0.2mLH2O2。在始终保持冰水浴冷却的情况下，反应24h。 反应完成后，取20mL复合乳液，用等体积甲醇破乳，100mL砂滤漏斗抽滤，蒸馏水洗至滤液无色。所得固体加水超声混合，倒入9#培养皿，冰冻保存，以备电性能测试。由于抽滤时固体未能滤出，改成使用烘箱在40℃左右持续烘干，得到黑色粉末产品，密封保存，以备电性能检测。剩余复合乳液保存好，以备SEM观察。 2.1.3． 加样 组别 乳液量/g 乳液放置 水/mL HCl/mL FeSO4·7H2O/mg 1号样 5.01 1周 41 5.1 20 2号样 5.01 1周 40 5 20 3号样 5.03 2周 40 5 20 组别 吡咯/mL H2O2/mL 条件 1号样 0.1 0.2 见光 2号样 0.1 0.2 遮光 3号样 0.1 0.2 遮光 反应