有机抗静电纤维的制备与性能研究大学本科毕业论文.docx

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有机抗静电纤维的制备与性能研究大学本科毕业论文

毕业设计（论文）

题目：

有机抗静电纤维的制备与性能研究

学院：

纺织与材料学院

专业班级：

纺织工程（针织成型）

（1）班

指导教师：

职称：

讲师

摘要

聚苯胺（polyaniline）,简称PANI,是一种十分重要的导电高分子聚合物，它不仅具有原料易得，合成方法简单，优异的导电性，氧化还原性，电催化性能，电致变色行为，质子交换性及光电特性等优点，而且还可以与许多有机，无机，高分子化合物结合而形成多种具有独特功能的，其他化合物不可比拟的新型材料。

本文主要研究的是聚丙烯腈-聚苯胺抗静电纤维的制备。

通过单因素变量共混纺丝法，最终确定出最佳的合成工艺。

将0.2%的聚苯胺（占聚丙烯腈母粒总量的质量百分比）加入87.5%（wt.）的二甲基亚砜溶液（占配置聚合液总量的质量百分比）在磁力搅拌器的搅拌30min使聚苯胺均匀分散在二甲基亚砜中，所得聚合溶液通过水浴加热到60℃后加入12.5%（wt.）母粒（占配置聚合液总量的质量百分比）使其充分溶解，静置24小时使聚合液气泡完全排除后，经静电纺丝纺制聚丙烯腈-聚苯胺抗静电纤维。

关键词：

聚苯胺，二甲基亚砜，抗静电，静电纺丝

ABSTRACT

Polyaniline（polyaniline）,abbreviationPANI,isaisimportantofconductivepolymerpolymer,itnotonlyhasrawmaterialseasyhave,synthesismethodsimple,excellentofconductivesexual,oxidationrestoresexual,electriccatalyticperformance,electrictocoloracts,protonexchangesexualandthephotoelectriccharacteristics,advantages,andalsocanandmanyorganic,inorganic,polymercompoundscombinedandformedmultiplehasuniquefeaturesof,othercompoundsnotmatchofnewmaterial.

Thispaperstudiesthepolyacrylonitrile-polyanilineantistaticfiber.Thesinglefactorvariableblendspinningmethod,andultimatelydeterminetheoptimalsynthesisprocess.0.2%ofthepolyaniline（PANsharepercentagebymassofthetotalmasterbatch）wasaddedto87.5%（wt.）indimethylsulfoxidesolution（representingthetotalconfigurationofthepercentagebymasspolymerizationsolution）wasstirredonamagneticstirrer30mintopolyanilinedispersedindimethylsulfoxide,andtheresultingpolymersolutionwaspassedthroughawaterbathheatedto60℃afteradding12.5%（wt.）particles（representingthetotalconfigurationofthepercentagebymasspolymerizationsolution）tofullydissolve,staticthepolymerizationsolutionfor24hourstocompletelyexcludeairbubbles,afterelectrospunpolyacrylonitrilespinning-polyanilineantistaticfiber.

KEYWORDS:

Polyaniline,dimethylsulfoxide,antistatic,electrospinning

目录

前言1

第一章绪论2

1.1引言2

1.2聚苯胺的概述2

1.3聚苯胺的导电机理3

1.3.1导电机理4

1.3.2导电模型5

1.3.3导电与结构之间的关系8

1.4聚苯胺的掺杂8

1.4.1一次掺杂8

1.4.2掺杂—脱掺杂—再掺杂9

1.4.3二次掺杂9

1.4.4共掺杂9

1.5导电高分子的发展10

1.5.1导电高分子的合成10

1.6课题来源11

第二章导电聚苯胺的结构与性能12

2.1聚苯胺的结构与性质12

2.1.1聚苯胺的结构12

2.1.2聚苯胺的基本性质14

2.2聚苯胺导电纤维的应用16

2.2.1光电和能源领域的应用17

2.2.2微型传感器方面的应用17

2.2.3生物医药方面的应用17

2.3本章小结18

第三章聚苯胺的制备19

3.1聚苯胺的合成19

3.1.1化学氧化聚合19

3.1.2电化学聚合20

3.2聚苯胺的制备22

3.2.1聚苯胺制备方法的选择22

3.2.2实验仪器22

3.2.3实验主要试剂22

3.2.4实验反应工艺条件22

3.2.5实验过程22

3.3影响聚苯胺合成的因素23

3.3.1酸的种类及其浓度对合成聚苯胺性能的影响23

3.3.2氧化剂种类及其浓度对合成聚苯胺性能的影响23

3.3.3反应温度及单体浓度对合成聚苯胺性能的影响23

3.4本章小结24

第四章聚丙烯腈聚合液的制备25

4.1实验仪器和材料25

4.1.1实验材料25

4.1.2实验主要试剂25

4.1.3实验主要仪器25

4.2聚丙烯腈聚合液制备的工艺处方及条件25

4.2.1影响聚丙烯腈聚合液各条件的优化25

4.2.2聚丙烯腈母粒溶解工艺处方28

4.3本章小结29

第五章聚苯胺导电纤维的制备30

5.1静电纺丝30

5.1.1实验器材30

5.1.2实验材料与试剂30

5.1.3实验流程30

5.1.4实验结果及分析30

5.2溶液浓度对纤维定向排列程度的影响31

5.3本章小结32

结论33

参考文献34

致谢37

诚信声明38

前言

近年来，许多新的导电聚合物不断被开发出来，如聚乙炔、聚苯乙炔、聚对苯、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等。

在众多导电聚合物材料中，聚苯胺由于原料价格低、合成简单、导电率高、耐高温及抗氧化性好、环境稳定性好等优点，成为研究的热点，被认为是最具有应用前景的导电高分子材料，已在二次电池、抗静电及电磁屏蔽材料、防腐蚀材料、超级电容器、选择性透过膜、传感器、分子导线及分子器件、人工肌肉等方面获得应用。

目前，尽管导电聚苯胺材料在许多方面获得应用，并且已经产业化，但是其市场规模仍受到限制，仍然存在一些问题需要解决:

聚苯胺的溶解性差，难于加工，合成过程对环境产生污染，导电率仍需要进一步提高。

随着这些问题的解决以及各国在聚苯胺的研究与开发上投入大量资金与技术，而且由于聚苯胺具异的导电性、光电性质、氧化还原性等，预计将来，聚苯胺导电材料将取代金属和非金属材料在一些方面的应用，在智能材料、光电材料、纳米材料方面将有不可估量的应用前景。

第一章绪论

1.1引言

1977年美国宾夕法尼亚大学的MacDiarmid等人发现了聚乙炔（PA）经掺杂后具有金属的导电特性[1],这一发现了打破了高分子材料都是绝缘材料的传统观念并且引起了人们的极大关注。

后来人们相继发现聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPY）、聚噻吩（PTH）、聚硫醚（PPS）、聚对苯撑（PPV）等导电高分子。

由于导电高聚物同时具有高聚物的柔韧性和易加工性，以及无机半导体和金属导体的一些特性，因而具有巨大的潜在商业价值。

导电高聚物主要应用在防静电、电磁波屏蔽、腐蚀、敏感元件、电致变色材料、太阳能电池、传感器元件、催化材料和隐身技术等方面。

相对于其他共轭高聚物而言，聚苯胺具有[2]多样化的结构、独特的掺杂机理、优异的物化性能、良好的稳定性和价廉易得、合成简单等优点，因而被认为是最有希望在实际中得到应用的导电高分子材料之一，并得到了广泛的研究。

其中聚苯胺导电纤维是研究重点之一。

导电纤维可以应用于抗静电、电磁屏蔽、智能服装、传感器医用等领域具有广泛的应用前景。

聚苯胺导电纤维具有其他导电纤维所不具有的性质，如电磁波吸收性能、电化学性能、光学性能等，所以在许多领域有广阔的应用前景。

1.2聚苯胺的概述

在20世纪中发展起来的功能高分子中，导电高分子是最突出的代表之一。

20世纪70年代以前，人们一直将高分子材料作为绝缘材料来使用，从来没有“导电高分子”的概念。

美国的MacDiarmid在参观日本东京大学时，看到白川英澍试验室所合成的聚乙炔薄膜具有奇特的金属光泽，惊叹这可能就是他和Heeger等多年寻求的有机导电高分子，于是邀请白川到他的实验室进行合作研究。

他们根据研究硫氮聚合物（SN）n的经验,用I2和AsF5掺杂聚乙炔，发现经过掺杂的聚乙炔，导电率增加了10～12个数量级,接近于金属导体，并于1977年报道了这一结果。

这一发现，突破了“高分子是绝缘体”的传统观念,立即在科学界和技术界产生了巨大的影响和冲击。

理论物理学家从Pierls相变的理论出发,进行量子力学计算，计算出反式聚乙炔中长短键长的差约0.02nm,由此长短键交替所形成的导带和价带之间的间隙宽度是114eV,与试验观测值一致。

进而提出了包括孤子、极化子、双极化子等内容的聚乙炔导电的SSH理论。

实验物理学家进行了聚乙炔的一系列光谱、结构和光、电、磁学测量,验证了理论物理学家的理论结果，同时发现了当时的理论和模型尚不能解释的新现象。

高分子化学家和材料学家则不断改进合成技术，提高聚合物的性能，使聚乙炔的导电率达到105S/cm量级，可以和金属铜相媲美。

在短短的20多年中，相继合成出了数十种导电高分子,并对它们的光、电、磁性能进行了系统深入的研究,许多新的科学现象和原理被揭示出来,导电高分子在若干高新技术领域的应用已经实现,或正在蕴育之中。

正是由于Heeger、MacDiarmid和白川英澍对导电高分子领域的开创性贡献，他们被授予2000年的Nobel化学奖。

中国高分子科学家钱人元和王佛松[3]较早介入导电聚乙炔的研究。

在他们的领导下，中国科学院长春应化所进行了合成聚乙炔的稀土催化体系的研究，制备出高性能的高顺式聚乙炔,中国科学院化学所的曹镛[4]等观察到了这种聚乙炔的微区单晶衍射，并推算了聚乙炔的晶包参数,景遐斌等进行了反式和顺式聚乙炔振动光谱的理论计算，揭示了大分子共轭体系与小分子共轭体系的差别，研究了聚乙炔的顺反异构化动力学，提出了“曲柄式内旋转”的异构化机理[5-6]。

到1980年前后，人们普遍认识到、聚乙炔的导电率可以很高，但稳定性的问题难以解决，于是，逐步地把注意力转到化学稳定性较好的共轭聚合物，这就是后来出现的聚苯，聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等。

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