改性细菌纤维素基复合导电材料的制备及其应用研究
细菌纤维素(BC)是一种由微生物发酵而来的具有特殊性能的天然高分子,随着全球化石能源的日益紧缺及对环保问题的高度重视,对BC的研究成为国内外研究的焦点。目前报道的BC导电材料主要是利用BC与导电高分子之间通过氢键作用连接,但因BC分子内部本身极强的氢键作用使导电高分子与BC之间的氢键缔合具有较大阻碍,使所合成的复合材料达不到预期效果。因此本文对BC进行了改性,将改性后的BC与导电高分子聚苯胺(PANI)复合,使BC与PANI通过化学键连接而不是单纯的氢键作用,并对合成的复合材料进行了研究和性能优化。<br>  本文以BC为基体,使用环氧氯丙烷(E...
细菌纤维素(BC)是一种由微生物发酵而来的具有特殊性能的天然高分子,随着全球化石能源的日益紧缺及对环保问题的高度重视,对BC的研究成为国内外研究的焦点。目前报道的BC导电材料主要是利用BC与导电高分子之间通过氢键作用连接,但因BC分子内部本身极强的氢键作用使导电高分子与BC之间的氢键缔合具有较大阻碍,使所合成的复合材料达不到预期效果。因此本文对BC进行了改性,将改性后的BC与导电高分子聚苯胺(PANI)复合,使BC与PANI通过化学键连接而不是单纯的氢键作用,并对合成的复合材料进行了研究和性能优化。
  本文以BC为基体,使用环氧氯丙烷(ECIP)对BC进行改性,向改性后的溶液中加入苯胺,酸性条件下加入过硫酸铵(APS)引发苯胺聚合,制备了一系列环氧氯丙烷改性细菌纤维素/聚苯胺(ECIP/BC/PANI)复合导电材料。讨论了BC改性前后复合材料的性能差异,探讨了ECIP加入量对复合材料的导电性、热稳定性、力学性能的影响,并将制备的导电纤维与植物纤维混合抄纸,研究了导电纤维含量对导电纸性能的影响。结果表明,ECIP成功接枝在BC分子上,经ECIP改性后的复合材料中PANI能更加均匀的分布在BC网状结构中,且改性后复合材料的拉伸强度由原来的8.97MPa增加到18.47MPa,导电率由0.12S/cm增加到1.08S/cm,质量损失为10%时的热分解温度由268℃升高到310℃。研究发现:ECIP加入量对整个反应有着十分重要的影响,ECIP加入量过多或过少都会降低PANI在BC分子上的接枝率,当ECIP加入量为0.33g时,ECIP、BC与PANI之间的相容性最好,所制备的复合材料性能最佳。
  ECIP的加入提高了BC与PANI的接枝率,也提高了复合材料的力学性能,但与纯BC相比,ECIP/BC/PANI复合材料的力学性能下降,破坏了BC本身拥有的优良力学性能。为了改善复合材料的力学性能,向ECIP/BC/PANI(简称BENI)体系中加入聚丙烯酰胺(PAM),利用PAM分子中的氨基(-NH2)与BC分子中的羟基(-OH)及聚苯胺分子中的氨基(-NH2)之间的氢键作用制备出具有优良力学性能的改性细菌纤维素/聚苯胺/聚丙烯酰胺(BENI/PAM)复合材料。探讨了PAM投加量对复合材料的导电性、热稳定性、力学性能的影响,并将制备的导电纤维与植物纤维混合抄纸,研究了导电纤维含量对导电纸性能的影响。研究结果表明:PAM通过氢键作用成功连接在BENI分子上,添加PAM后的复合纤维之间发生互相粘结,结构较未加PAM前更加紧密。拉伸测试结果显示,添加PAM后BENI/PAM复合薄膜的拉伸强度由18.97MPa升高至47.94MPa(同比提高60.43%),断裂伸长率由2.93%上升至4.58%,且随着PAM含量的增加,BENI/PAM复合薄膜的拉伸强度和断裂伸长率都有所增加。
  为了提升复合材料的导电性能,向BENI/PAM体系中加入不同含量的酸化改性碳纳米管分散液(CNTs),通过简单的物理共混制备了具有优良导电性能的改性细菌纤维素/聚苯胺/聚丙烯酰胺/碳纳米管(BENI/PAM/CNTs)导电纤维。对比了CNTs酸化改性前后的结构变化和在水溶液中分散稳定性的差异,讨论了不同CNTs加入量对复合材料的结构和导电性、热稳定性、力学性能的影响,并将制备的导电纤维与植物纤维混合抄纸,研究了导电纤维含量对导电纸性能的影响。研究结果表明,经酸化处理后的CNTs分子内壁成功被打破,其内部含有的羟基和羧基基团暴露在外部,使CNTs具有部分极性,有利于在水溶液中分散,使得BENI、PAM、改性CNTs分子之间具有很好的相容性,当CNTs含量为30%时,BENI/PAM/CNTs复合纤维导电率可达8.51S/cm。
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作者: 郭倩
学科专业: 应用化学
授予学位: 硕士
学位授予单位: 陕西科技大学
导师姓名: 王海花
学位年度: 2018
语 种: chi
分类号: TM242 TM205.1
在线出版日期: 2018年9月30日