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1、第九节第九节 纳米导电聚合物纳米导电聚合物 邓敏纳米导电聚合物课件一、一、导电聚合物的发展及应用前景导电聚合物的发展及应用前景 1977年年 A.J.Heeger、 A.G.MacDiarmid和和 白白 川川 英英 树树(H.Shirakawa)发发现现，聚聚乙乙炔炔薄薄膜膜经经电电子子受受体体(IAsF6)掺掺杂杂后后电电导导率率增增加加了了9个个数数量量级级,由由10-6S/cm增增加加到到103S/cm(他他们们共共同同获获得得了了2000年年诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖)。这这一一发发现现打打破破了了有有机机聚聚合合物物都都是是绝绝缘缘体体的的传传统统观观念念，开开创创了了导导电电聚聚合
2、合物物的的研研究究领领域域，诱诱发发了了世世界界范范围围内内导导电电聚聚合合物物的的研研究究热热潮潮。大大量量的的研研究究表表明明，各各种种共共轭轭聚聚合合物物经经掺掺杂杂后后都都能能变变为为具具有有不不同同导导电电性性能能的的导导电电聚聚合合物物，具具有有代代表表性性的的共共轭轭聚聚合合物物有有聚聚乙乙炔炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。邓敏纳米导电聚合物课件 导导电电聚聚合合物物的的突突出出优优点点是是既既具具有有金金属属和和无无机机半半导导体体的的电电学学和和光光学学特特性性，又又具具有有有有机机聚聚合合物物柔柔韧韧的的机机械械性性能能和和可可加加工工性性，还还具具
3、有有电电化化学学氧氧化化还还原原活活性性。这这些些特特点点决决定定了了导导电电聚聚合合物物材材料料将将在在未未来来的的有有机机光光电电子子器器件件和电化学器件的开发和发展中发挥重要作用。和电化学器件的开发和发展中发挥重要作用。邓敏纳米导电聚合物课件二、纳米导电聚合物的应用二、纳米导电聚合物的应用纳米导电聚合物的应用前景很广阔，主要有：纳米导电聚合物的应用前景很广阔，主要有：(1)纳米复合膜纳米复合膜(2)纳米纤维纳米纤维(管管)(3)纳米粒子纳米粒子邓敏纳米导电聚合物课件 1、纳米复合膜、纳米复合膜 含含有有可可离离子子化化侧侧基基（如如一一COOH，一一SO3H等等）的的导导电电聚聚合合物物
4、极极易易与与聚聚阳阳离离子子化化合合物物自自组组装装成成聚聚电电解解质质的的纳纳米米复复合合膜膜，如如 聚聚 （ 3一一 醋醋 酸酸 噻噻 吩吩 ） （ PTAA PAH） 和和 碳碳 化化 聚聚 苯苯 胺胺（SPAn-PAH）等等都都是是具具有有一一定定电电活活性性的的有有机机薄薄膜膜。与与上上述述带带可可离离子子化化侧侧基基的的导导电电高高聚聚物物衍衍生生物物不不同同，聚聚吡吡咯咯、聚聚苯苯胺胺等等共共轭轭高高分分子子经经p-型型掺掺杂杂后后，高高分分子子链链中中产产生生离离域域化化的的正正电电荷荷载载流流子子，可可与与聚聚阴阴离离子子化化合合物物自自组组装装成成具具有有较较高高环环境境稳
5、稳定定性性、导导电电性性的的纳纳米米复复合合膜膜。利利用用SA(分分子子自自组组装装膜膜)法法，通通过过控控制制浸浸渍渍时时间间及及改改变变溶溶液液的的化化学学成成分分，极极易易获获得得不不同同厚厚度度、不不同同电电导导率率的的功功能能性性聚聚合合物物纳纳米米复复合合膜膜，为为导导电电聚聚合合物物的的实实用用化化创造了良好条件。创造了良好条件。邓敏纳米导电聚合物课件 2、导电聚合物纳米纤维（管）、导电聚合物纳米纤维（管） 纳纳米米碳碳管管是是最最细细的的分分子子导导线线”以以及及最最小小的的“试试管管”和和“纳纳米米线线圈圈”。事事实实上上，导导电电聚聚合合物物本本身身在在理理论论上上就就是是
6、分分子子导导线线。但但用用常常规规的的化化学学合合成成方方法法得得到到的的是是没没有有力力学学强强度度的的导导电电高高分分子子聚聚集集体体，因因此此合合成成具具有有良良好好力力学学性性的的纳纳米米尺尺度度的的导导电电聚聚合合物物微微管管或或纤纤维维，有有着着十十分分诱诱人人的的应应用用前前景景。ZhihuaZhihua等等最最早早以以亚亚微微米米的的介介孔孔膜膜为为模模板板，合合成成了了直直径径仅仅为为几几百百纳纳米米的的取取向向聚聚吡吡咯咯和和聚聚（3-3-甲甲基基噻噻吩吩）纳纳米米导导电电纤纤维维。一一般般地地，导导电电纤纤维维的的电电导导率率随随着着直直径径的的增增加加而而逐逐渐渐下下降
7、降，因因此此，直直径径为为30nm30nm的的取取向向导导电电纤纤维维较较常常规规合合成成的的导导电电高高分分子子的的电电导导率率10-10-100S100Scmcm-1-1，高出，高出1 1个数量级。个数量级。 邓敏纳米导电聚合物课件3导电聚合物纳米粒子导电聚合物纳米粒子 直直接接合合成成导导电电聚聚合合物物胶胶体体粒粒子子是是获获得得导导电电高高分分子子均均一一溶溶液液的的有有效效途途径径之之一一，Armess等等人人利利用用空空间间位位阻阻稳稳定定化化机机理理制制得得了了粒粒径径约约为为 120nm的的聚聚苯苯胺胺颗颗粒粒；Chan HSO等等人人在在（WO）乳乳化化液液中中聚聚合合聚聚
8、苯苯胺胺超超微微颗颗粒粒（直直径径1030nm）后后，进进而而用用电电沉沉积积法法制制成成导导电电率率可可达达8.5scm-1的的聚聚苯苯胺胺膜膜；宋宋根根萍萍等等选选择择 SDBS-An-H2O三三组组分分O-W微微乳乳液液与与苯苯胺胺单单体体共共存存的的两两相相体体系系进进行行苯苯胺胺聚聚合合(微微乳乳法法是是合合成成纳纳米米材材料料常常用用的的方方法法)，获获得得了了直直径径仅仅为为3nm，分分散散均均匀匀且且有有较较好好导导电电性性的的PAn超超细细颗颗粒粒。以以上上方方法法得得到到的的纳纳米米级级聚聚苯苯胺胺微微粒粒，可可作作为纳米导电材料。为纳米导电材料。 邓敏纳米导电聚合物课件三
9、、导电聚合物纳米结构的制备三、导电聚合物纳米结构的制备 由于纳米科学和纳米技术的迅速发展，聚合物纳由于纳米科学和纳米技术的迅速发展，聚合物纳米结构的研究也引起了科学家们的高度重视。目前，米结构的研究也引起了科学家们的高度重视。目前，制备导电聚合物纳米结构的方法很多，这里主要介绍：制备导电聚合物纳米结构的方法很多，这里主要介绍：(1)模板法模板法(Template Synthesis)(2)无模板自组装法无模板自组装法(Template-free Synthesis)(3)静电纺丝技术静电纺丝技术(Electrospinning)邓敏纳米导电聚合物课件(1)(1)模板法模板法 所所谓谓模模板板法
10、法，是是以以某某些些特特殊殊形形貌貌的的材材料料( (多多孔孔材材料料、纳纳米米纤纤维维、胶胶体体颗颗粒粒等等) )作作为为反反应应或或加加工工的的模模板板，合合成成或或制制备备具具有有相相对对应应形形貌貌的的目目标标材材料料的的方方法法。多多孔孔聚聚碳碳酸酸酯酯(Polycarbonate)(Polycarbonate)和和氧氧化化铝铝(Anodic (Anodic aluminum aluminum oxideoxide，AAO)AAO)模模板板可可以以制制备备导导电电聚聚吡吡咯咯、聚聚苯苯胺胺和和聚聚三三甲甲基基噻噻吩吩等等纳纳米米线线和和纳纳米米管管。利利用用聚聚(L-(L-丙丙交交酯
11、酯)(poly(L-lactide)(poly(L-lactide)， PLA)PLA)和和 聚聚 ( (四四 亚亚 甲甲 基基 己己 二二 酰酰 二二 胺胺)(poly(tetramethylene )(poly(tetramethylene adipamide)adipamide)，PA)PA)等等纳纳米米纤纤维维制制备备高高分分子子 、 金金 属属 及及 其其 他他 材材 料料 的的 微微 米米 纳纳 米米 管管 。 以以 碳碳 纳纳 米米 管管(Carbonnanotubes(Carbonnanotubes，CNTs)CNTs)或或碳碳纳纳米米管管阵阵列列为为模模板板，可可以以得得到到
12、导导电电聚聚合合物物包包覆覆的的碳碳纳纳米米管管。以以球球形形的的胶胶体体微微粒粒作作为为模模板板可可得得到到导电聚合物空心微球。导电聚合物空心微球。邓敏纳米导电聚合物课件模板法制备的聚合物纳米管邓敏纳米导电聚合物课件 利利用用模模板板法法制制备备的的导导电电聚聚合合物物纳纳米米线线和和纳纳米米管管的的尺尺寸寸可可控控性性好好，应应用用范范围围较较广广，并并且且容容易易实实现现纳纳米米结结构构的的有有序序排排列列。但但是是，模模板板的的使使用用，使使得得制制备备过过程程变变得得相相对对繁繁琐琐和和复复杂杂。一一方方面面，模模板板的的本本身身制制备备过过程程比比较较复复杂杂；另另一一方方面面，模
13、模板板的的去去除除不不仅仅增增加加反反应应步步骤骤，也会对产物形貌造成破坏。也会对产物形貌造成破坏。邓敏纳米导电聚合物课件(2)(2)无模板法无模板法 自自组组装装是是利利用用分分子子间间氢氢键键、范范德德华华力力和和配配位位键键等等弱弱相相互互作作用用，通通过过自自发发过过程程，形形成成管管、线线、球球等等复复杂杂结结构及二维和三维有序结构。构及二维和三维有序结构。 与与模模板板法法相相比比，无无模模板板自自组组装装方方法法简简单单，廉廉价价，对对实实验验条条件件要要求求不不严严格格，可可以以通通过过化化学学和和电电化化学学手手段段来来实实现现聚聚合合，但但在在可可控控性性和和制制备备有有序
14、序结结构构方方面面有有所所欠欠缺缺，有有待待进进一一步步的的研研究究和和提提高高。近近年年来来，采采用用自自组组装装过过程程直接制备聚合物纳米结构材料的研究发展很快。直接制备聚合物纳米结构材料的研究发展很快。邓敏纳米导电聚合物课件无模板法制备的纳米管和空心微米球邓敏纳米导电聚合物课件(3)(3)静电纺织技术静电纺织技术 电电纺纺丝丝技技术术可可用用于于聚聚合合物物纳纳米米纤纤维维的的制制备备。静静电电纺纺丝丝法法制制备备聚聚合合物物纳纳米米纤纤维维具具有有设设备备简简单单、使使用用广广泛泛、成成本本低低廉廉、操操作作容容易易以以及及高高效效等等优优点点，因因此此它它被被认认为为是是制制备备大大
15、量量聚聚合合物物连连续续纳纳米米纤纤维维最最有有效效的的方方法法，近近几几年来越来越引起人们的重视。年来越来越引起人们的重视。邓敏纳米导电聚合物课件静电纺织装置示意图邓敏纳米导电聚合物课件 如如图图所所示示，在在静静电电纺纺丝丝工工艺艺过过程程中中，聚聚合合物物熔熔体体或或溶溶液液被被装装入入纺纺丝丝容容器器内内，加加上上几几千千至至几几万万伏伏的的高高压压静静电电，在在毛毛细细管管和和接接地地的的接接收收装装置置间间产产生生一一个个强强大大的的电电场场力力。相相同同电电荷荷相相斥斥导导致致了了电电场场力力与与液液体体的的表表面面张张力力的的方方向向相相反反。随随着着电电场场力力的的增增大大，
16、在在毛毛细细管管末末端端呈呈半半球球状状的的液液滴滴在在电电场场力力的的作作用用下下将将被被拉拉伸伸成成圆圆锥锥状状，称称为为泰泰勒勒锥锥。当当电电场场力力超超过过一一个个临临界界值值后后，排排斥斥的的电电场场力力将将克克服服液液滴滴的的表表面面张张力力形形成成射射流流，而而在在静静电电纺纺丝丝过过程程中中，液液滴滴通通常常具具有有一一定定的的静静电电压压并并处处于于一一个个电电场场当当中中，因因此此，当当射射流流从从毛毛细细管管末末端端向向接接收收装装置置运运动动的的时时候候，都都会会出出现现加加速速现现象象，这这也也导导致致了了射射流流在在电电场场中中的的拉拉伸伸，最最终终在在接接收收装装
17、置置上上形形成成无无纺纺布布状的纳米纤维。状的纳米纤维。邓敏纳米导电聚合物课件 近近年年来来，人人们们通通过过改改变变纺纺丝丝条条件件来来制制备备有有序序排排列列的的纳纳米米纤纤维维例例如如，利利用用滚滚筒筒、圆圆盘盘等等设设备备来来代代替替接接收收屏屏，可可以以得得到到有有序序度度非非常常高高的的纳纳米米纤纤维维。静静电电纺纺丝丝技技术术是是制制备备纳纳米米材材料料的的一一种种非非常常有有效效可可行行的的方方法法，已已成成功功制制成成多多种种复复合合、陶陶瓷瓷纳纳米米纤纤维维，得得到到世世界界各各地地科科学学家家们们的的广广泛泛重重视视。到到目目前前为为止止约约有有上上百百种种聚聚合合物物纤纤维维被被电电纺纺丝丝技技术术制制备备出出来来，尤尤其其是是近近几几年年，静静电电纺纺丝丝技技术术发发展展迅迅猛猛，在在光光电电技技术术、生生物物医医学学、防防护护服服、过滤等科技领域有着非常广泛的应用前景。过滤等科技领域有着非常广泛的应用前景。邓敏纳米导电聚合物课件静电纺丝法制备的纳米纤维的SEM图片接收极为(a) 接收屏(b)滚筒邓敏纳米导电聚合物课件谢谢，请您指正！邓敏纳米导电聚合物课件
