导电聚苯胺的合成及电磁学性能、吸波性能研究

资源类型:pdf 资源大小:554.00KB 文档分类:工业技术 上传者:李辉

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【作者】 陈骁  熊忠  陶雪钰  方醌  吴其晔 

【关键词】聚苯胺 掺杂 电磁学性能 吸波性能 溶液聚合 乳液聚合 正相微乳液聚合 反相微乳液聚合 

【出版日期】2005-05-30

【摘要】分别采用溶液聚合、乳液聚合、正相和反相微乳液聚合法合成了不同掺杂、不同电导率(电导率范围10-5~10S/cm)的聚苯胺,测试了导电聚苯胺的电磁学参数和吸波性能。结果证明制得的聚苯胺在2~12GHz范围内有较好的吸波性能,在2~12GHz范围内,雷达波反射率绝对值大于10dB的频宽范围大于7.5GHz,最大吸收率达到30dB。

【刊名】塑料工业

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自海湾战争以来,隐身技术愈加吸引众多科研工作者的目光。通过在武器装备上涂覆雷达波吸收剂达到“隐身”目的是一种最为直接的方法。现代军事要求雷达波吸收剂具有“薄(涂层薄)、轻(涂层密度小)、宽(吸波频率范围宽)、强(吸波能力强)”的特点。在吸收剂选择方面,导电高分子材料中的聚苯胺(PAn)由于其独特的性质而被认为是最有可能达到这些要求的材料[1~3]。本实验就不同聚合方法合成导电聚苯胺的电磁学性能和吸波性能进行了研究。1实验部分1.1主要试剂苯胺(An):CP,经二次减压蒸馏,天津市泰兴试剂厂;过硫酸铵[(NH4)2S2O8]:分析纯,上海爱建试剂厂;十二烷基苯磺酸(DBSA):CP,济南海华化工厂;十二烷基苯磺酸钠(SDBS):CP,济南海华化工厂;烷基酚聚氧乙烯醚:TX10、TX4,CP,辽阳华兴化学品有限公司;樟脑磺酸(CSA),CP,华东师范大学化工厂。1.2聚苯胺(PAn)的制备1.2.1溶液聚合[4]以苯胺为单体,过硫酸铵为氧化剂,盐酸为掺杂剂,用溶液法合成聚苯胺,将所得溶液放置沉淀、过滤、洗涤、在60~70℃真空干燥、研磨得到盐酸掺杂的聚苯胺(HCl PAn)粉末产物。1.2.2乳液聚合[5]以苯胺为单体,过硫酸胺为氧化剂、DBSA为乳化剂和掺杂剂,用乳液法合成聚苯胺,所得乳液过滤、分离,用pH<3的DBSA水溶液洗涤,在60~70℃真空干燥得到DBSA掺杂的聚苯胺(DBSA PAn)。1.2.3正相微乳液法[6](O/W)以苯胺为单体,过硫酸胺为氧化剂,SDBS为乳化剂和掺杂剂,用正相微乳液法合成聚苯胺,所得乳液洗涤、过滤、在60~70℃真空干燥得到SDBS掺杂的聚苯胺(SDBS PAn)。1.2.4反相微乳液法[7](W/O)以苯胺为单体,过硫酸胺为氧化剂,烷基酚聚氧乙烯醚(TX10/TX4)为乳化剂,盐酸为掺杂剂,用反相微乳液法合成聚苯胺。1.2.5本征态聚苯胺制备[6]向溶液法合成得到的溶液中加入过量的25%氨水溶液脱掺杂,然后放置沉淀、过滤、洗涤、60~70℃真空干燥后得到本征态PAn(I PAn)粉末产物。1.2.6CSA掺杂聚苯胺制备[6]将本征态聚苯胺粉末与CSA在玛瑙研钵中研磨混合均匀,加入一定量的苯酚溶剂,混合、研磨、真空干燥得到CSA掺杂的聚苯胺(CSA PAn)。1.3性能测试电磁参数测量:采用反射传输网络参数法进行,测量范围为2~18GHz,测试单位为航空材料研究院;吸波性能测量:采用反射率弓形测试法,测量范围为2~12GHz,测试单位为航空航天部二院207研究所。2结果与讨论2.1聚苯胺(PAn)的电导率测试表1不同方法合成聚苯胺的室温电导率Tab1ConductivityofPAnsynthesizedbydifferentmethods本征态PAn29#30#溶液法合成PAn38#42#乳液法合成PAn40#44#反相微乳液法合成PAn50#60#电导率/S·cm-13.74×10-53.44×10-510.0710.481.49×10-21.19×10-21.60×10-11.90×10-1表1为不同聚合方法合成的PAn的室温电导率。其中脱掺杂态的本征态聚苯胺(I PAn)的室温电导率较低,在10-5S/cm数量级;乳液法合成的DBSA PAn室温电导率达到了10-2S/cm数量级;反相微乳液法合成的盐酸掺杂PAn室温电导率达到了10-1S/cm数量级;而用溶液法合成的盐酸掺杂的PAn室温电导率较高,较其脱掺杂态的本征态聚苯胺提高了6个数量级,达到了101S/cm数量级。实验结果证明:掺杂态聚苯胺的室温电导率较本征态聚苯胺有大幅度提高,都达到了半导体材料的电导率范围。这是由于掺杂剂掺杂聚苯胺后,在聚苯胺分子中形成了孤子、极化子等多种载流子,提高了掺杂态聚苯胺的导电能力[8]。2.2聚苯胺的电磁参数测试图1a~f分别为不同掺杂态聚苯胺的电磁参数在2~18GHz频段随频率的变化。实验结果证明:脱掺杂的本征态聚苯胺的电磁学参数在2~18GHz范围内值都很小,且基本没有变化,说明本征态聚苯胺的电a b c de f图1频率对掺杂态聚苯胺电磁学参数的影响Fig1Influenceoffrequencyonelectromagneticproperties ofdoped PAn磁学性能较差;经过掺杂剂掺杂后,掺杂态聚苯胺的电参数(ε,ε″和tgδe)在2~18GHz整个频段范围内较本征态聚苯胺都有明显增大,并且在2~4GHz的低频范围内这种增大趋势尤为显著,同时,在2~18GHz范围内,掺杂态聚苯胺的磁参数(μ,μ″和tgδm)较本征态聚苯胺有一定提高,但其值仍然较小,这是因为聚苯胺本身是一种潜在的导电材料,经过掺杂剂掺杂后,其电性能可以有较大提升,但其并非导磁材料,掺杂后磁性能不会较本征态有大的变化;另外,本实验所制备的几种掺杂态PAn中,CSA PAn的电参数(ε,ε″)提高幅度最大,这可能是因为本征态聚苯胺经过大分子磺酸——樟脑磺酸的再次掺杂后,由于樟脑磺酸根作为反离子“悬挂”在PAn分子链上,增大了PAn分子之间的距离,降低了PAn分子之间的作用力,有利于分子链上电荷的离域化,从而使其电参数有较大幅度的提高[9]。2.3聚苯胺的吸波性能图2是乳液法和反相微乳液法合成的PAn的吸波性能曲线。从图2可以看出:在2~12GHz频率范围内测试,乳液法合成PAn反射率绝对值的最大值为GHz。这说明乳液法合成的聚苯胺和反向微乳液法合成的聚苯胺都有良好的吸波性能。这是因为:经过掺杂剂掺杂后,聚苯胺的电学性能(ε′,ε″)大幅度提高,使其具有了较好的吸波性能。a-乳液法合成PAn(涂层厚7.8mm)b-反相微乳液法合成PAn(涂层厚10.7mm)图2乳液法和反相微乳液法合成聚苯胺(PAn)的吸波性能测量曲线Fig2MicrowaveabsorptivityofPAnsynthesizedbyemulsion polymerizationandinversemicro emulsionpolymerization3结论1)聚合方法和掺杂态不同导致了聚苯胺电导率的不同,掺杂态聚苯胺的电导率较本征态聚苯胺有大幅度的提高;其中本实验采用溶液法合成盐酸掺杂的聚苯胺(HCl PAn)电导率最高,达到101S/cm数量级。2)电磁学参数测试表明:在2~18GHz频率范围内,本征态聚苯胺的电磁学性能较差;掺杂态聚苯胺的电参数较本征态聚苯胺有较大幅度提高,尤其是在2~4GHz的低频范围;掺杂态聚苯胺的磁参数较本征态变化不大。3)吸波性能测试表明:在2~12GHz频率范围内,乳液法和反相微乳液法合成的聚苯胺都有较好的吸波性能。导电聚苯胺的合成及电磁学性能、吸波性能研究@陈骁$青岛科技大学高分子科学与工程学院!山东青岛266042 @熊忠$青岛科技大学高分子科学与工程学院!山东青岛266042 @陶雪钰$青岛科技大学高分子科学与工程学院!山东青岛266042 @方醌$青岛科技大学高分子科学与工程学院!山东青岛266042,北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083 @吴其晔$青岛科技大学高分子科学与工程学院!山东青岛266042聚苯胺;;掺杂;;电磁学性能;;吸波性能;;溶液聚合;;乳液聚合;;正相微乳液聚合;;反相微乳液聚合分别采用溶液聚合、乳液聚合、正相和反相微乳液聚合法合成了不同掺杂、不同电导率(电导率范围10-5~10S/cm)的聚苯胺,测试了导电聚苯胺的电磁学参数和吸波性能。结果证明制得的聚苯胺在2~12GHz范围内有较好的吸波性能,在2~12GHz范围内,雷达波反射率绝对值大于10dB的频宽范围大于7.5GHz,最大吸收率达到30dB。1ChambersB.FlectronicsLetters,1994,30(19):1626 2秦嵘.宇航材料工艺,1997,(4):20 3王秀春.隐身技术,1993,(4):68 4AboutanosV,BarisciJN,Kane maguireLAP,etal.SynthMet,1999,106:89 5封伟,韦玮,吴洪才.高等学校化学学报,1999,20:318 6方醌.新型导电高分子磁性纳米复合材料制备及电磁波吸收与屏蔽性能研究:[博士论文].青岛:青岛科技大学,2003 7WangLY,LinYJ,ChinWY.SynthMet,2001,119:155 8殷敬华,莫志深.现代高分子物理学.北京:科学出版社,2001 9苏静,王庚超,邓惠山等.功能高分子学报,2002,15(2):122

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