聚乙炔活性炭复合材料的制备及其导电性能的研究.pdf
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1、聚 乙炔 活性炭复合材料的制备及其导电性能的研 究 宋林花等 8 3 聚 乙炔 活性炭复合材料的制备及其导 电性能的研究 宋林花,王国锋,姜翠玉,胡明明 (中国石油大学(华东)理学院,青岛 2 6 6 5 8 0)摘 要 研 究 以非均相聚合 法制备 的不同类型的聚 乙炔 活性炭 复合材料,并 考察 活性 炭 的预 处理条件 对复合 材料 导电性的影响。运 用红外光谱(F T-I R)、扫描 电镜(S E M)、差热 分析(T G-D TA)和 四探 针 电导率仪 对其进行 了 表征。实验结果表明,本方法反应条件较为温和,制备的复合材料呈现较好的热稳定性,并且以木质活性炭为载体制 成 的复合材
2、料 的电导率达 0 5 S m。关键词 聚乙炔活性炭复合材料导电性能 中图分类 号:TQ 3 1 7 4 文献标识码:A P r e p a r a t i o n a n d E l e c t r i c a l P r o p e r t y o f P 0 l y a c e t y l e n e Ac t i V e Ca r bo n Co mp o s i t e M a t e r i a l s S ONG Li n h u a,WANG Gu o f e n g,J I ANG Cu i y u,HU Mi n g mi n g (Co l l e g e o f S c
3、 i e n c e,C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m(Ea s t Ch i n a),Qi n g d a o 2 6 6 5 8 0)Ab s t r a c t A h e t e r o g e n e o u s p o l y me r i z a t i o n me t h o d w a s e mp l o y e d t o s y n t h e s i z e p o l y a c e t y l e n e a c t i v e c a r b o n c o mp o s i t e s(P
4、A AC)i n t o l u e n e c a t a l y z e d b y i r o n(1 I)n a p h t h e n a t e s u p p o r t e d o n t h e A C a n d t r i i s o h u t y l a l u mi n i u 札 Th e f u n c t i o n a l g r o u p。mo r p h o l o g y t h e r ma l p r o p e r t i e s a n d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f P A
5、 A C we r e i n v e s t i g a t e d b y Fr _ I R,S EM,TG-DS C a n d f o u r-p r o b e me t h o d,r e s p e c t i v e l y Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h i s n e w me t h o d h a s t h e a d v a n t a g e o f mi l d r e a c t i o n c o n d i t i o n s I n a d d i t i o n,t h i s p r e p a r a
6、t i o n p r o c e d u r e l e a d s t o t h e f o r ma t i o n O f P A A C wi t h h i g h c o n d u c t i v i t y(0 5 Sm1)a n d g o o d t h e r ma l s t a b i l i t y Ke y wo r d s p o t y a c e t y l e n e,a c t i v e c a r b o n,c o mp o s i t e s,c o n d u c t i v e p r o p e r t y 聚乙炔(P o l y a
7、c e t y l e n e,P A)在 电学上具有能量密度高的 特点,但是电导率低,而炭材料恰恰相反,炭材料电导率 高、比表面积大,但是其能量密度低,因此将两者复合 以制备导 电性好、能量密度高的超级 电容器 已成为研究 的热点_ 1 。除 此以外,聚乙炔 炭材料复合材料具有优 良的物理化学性能,在生物传感 器 、电致变 色材料 l 3 、太 阳能 电池_ 4 、防腐材 料 等诸多领域有着广阔的应用前景,并且掺杂后具有电导 率高及电荷密度大等优点。在众多炭材料中,活性炭(A c t i v e c a r b o n,A O 具有 比表面积大、电导率高、循环寿命长、原料易 得等优点,可用在
8、水溶液和非水溶液反应体系,这使其成为 备受关注的研究对象。然而,活性炭在导 电聚合物复合材料 中的应用还鲜有报道。本研究 以不同类 型活性炭 为催化剂 载体,采用非均相催化聚合法 在常温下合成 聚乙炔 活性炭(P A A C)复合材料,考察 了表面含氧基团、模板剂类型对所 制备的聚乙炔 微孔活性炭复合材料性能的影响。1 实验 1 1 负载催化剂的制备 在装有搅拌器、冷凝管、控温装置的三 口瓶 中,加入一定 量的活性炭和一定浓度 的酸或碱,将混合物加热 到 5 O 6 0 后搅拌 3 h,再将上述混合物 回流 6 h。经抽滤后分离得到 酸或碱处理的活性炭,并用去离子水洗至中性,在 1 0 0真
9、空干燥 1 2 h,待用。取酸或碱处理的活性炭 1 0 g,置于上述的 三口瓶 中,加入不同浓度的环烷酸亚铁浸渍 1 2 h,过滤后得 到的产品在 6 5 真空干燥,制得铁催化剂负载的活性炭。1 2 聚乙炔 活性炭复合材料的制备 反应器采用 2 5 0mL三 口瓶,加入 4 O mL甲苯和 1 5 g载 铁活性炭,用 N 置换 1 5 mi n后,加入一定量的三异丁基铝助 催化剂(A 1 与 F e 的比例为 5:1)并陈化 1 5 rai n,通人乙炔气 后聚合反应开始。聚合反应 l h 后,用盐酸 乙醇溶液终止反 应,过滤,分别用盐酸乙醇溶液和甲苯洗涤 3 次,6 0 真空干 燥 8 h后
10、称重。为 了研究模板剂类型对复合材料的导电性能 的影响,采用上述方法制备 了不 同类型的聚乙炔 活性炭复 合材料。1 3 复合材料性质和性能测试 红外光谱测试采用美 国 T h e r mo Ni c o l e t 公司的 NE XUs 型红 外 光 谱 仪。热 分 析 采 用 P e r k i n E l e m r I n s t r u m e n t s P y r i s l 型差示扫描量热仪,以 1 0 rai n的速率从 4 O扫描 到 8 0 0。电镜观察在 C HI 6 6 0 A型电化学工作站上进行,选择 电压 3 0 k V,工 作距 离 9 2 mm。电导率测 试使
11、用*中国石油大学(华东)研究生创新基金(S Z 1 0-2 2)宋林花:1 9 6 9年生,副教授,研究方向为油田化学、有机化学、催化材料T e l:0 5 3 2 8 6 9 8 1 5 7 2 E-ma i l:y a n z f s u p c e d u c n 8 4 材料导报 B:研究篇 2 0 1 3 年 1月(下)第 2 7卷第 l 期 S B 1 1 8电流源部分,在 P Z 1 5 8 A型直流数字电压表上测量样 品在不同电流下的电乐值。样品电导率叮由电阻率求得,电 阻率 计算公式为:D 一(n l n 2)(i)d 式中:为样 品薄膜的厚 度;J是流经薄膜的电流,即 S
12、Bl l 8 输 的电流;是流过薄膜样 品时产生 的电压,即 P Z 1 5 8 A 上显示 的 电压。2 聚 乙炔 微孔活性炭 结构 的表征 2 1 红外光谱分析 由图 1可以看,聚 乙炔 活性 炭 的红外 光谱在 3 4 0 0 c m 出现了 1 个强度较大、峰形较宽的吸收峰,这反映m复 合材料表面可能同时存在醇、羧酸和酚类等化学官能 L才 l;在 2 3 0 0 42 4 0 0 C 1T I 之间 现 1 个 小峰,这可归属 于 CO 在复 合材料表面的物理吸 附特征峰一。】。在 1 5 8 6 C I T I 附近 现 了 1个 比较 宽 而平 坦 的峰,其 主要 与复 合 材 料
13、 含 有 的 CO有关;在 1 1 0 0 c m 处出现了 1 个宽峰,1 0 6 0 c m。处出 现 1个肩峰,这可能是由于除了 C 一0官能团外,样品表面也 可能存在醚类官能 团,即 C-()-c _ C;在 1 0 1 0 c m。处出现 1 个中强 峰,对 应 于顺式 乙烯 基 C _ H 的面外 变形 振 动;在 4 0 0 1 0 0 0 c m 内 现的很多比较弱的峰,是 O H 的弯曲振 动峰或者是醚键 C 一()的伸缩振动峰,其中在 7 2 4 c m 处出现 1个中强峰,这是反式乙烯基 H面外变形振动吸收峰,表 明复合材料 中存在聚乙炔。图 1 P A、A C以及 P
14、A A c复合材料的红外光谱 F i g 1 F T-I R s p e c t r a o f P A,A C a n d P A A C c o mp o s i t e s 2 2 rl G D T A分 析 为了测定复合材料中各组分 的含量 以及衡 量其热稳定 性,对聚乙炔含炭复合材料进行了热分析。南图 2可见,P A AC在 1 0 0 2 0 0、2 0 0 4 0 0和 4 0 0 8 0 0这 3个 温度 区间存在明显失重 j。其中第一步分解温度在 1 0 0 2 0 0,D T G的峰值位于 1 4 0 ,失重率是 6 ,这是 由于复合材料 中含有少量 的水分;第二步分解温度
15、在 2 0 0 4 0 0,D T G的 峰值位于 3 0 0 ,失重率为 5 0 ,这可归因于复合材料中聚 乙炔的分解;第_二步分解温度为 4 0 0 8 0 0。(、,D TG的峰值位 于 5 7 5,失重率为 4 0 ,即在 5 7 5有热效应较大的吸热 峰,这时聚合物显著失重,微孔活性炭分解,8 0 0以上,聚合 物的分解和氧化作用基本结束。2 3 复合材料的 S E M 分析 南于小尺度聚乙炔及其复合材料表现 出一些不 同于普 通材料的性能,此其相关报道也 日益增 多 。将聚乙炔 颗粒减小到微纳米纵时,较小的尺寸可能会使其更有效地掺 杂,使得聚乙炔最 大_ f丁 能地覆盖在微孔 活性
16、炭的表面,进 而 增强链 内和链问的相互作用,提高结 晶度。3为聚乙炔 微孔活性炭复合材料 的扫描电镜 图。从 3(a)可以看,聚 乙炔为微米级的纤维状网络结构,并且包覆在微孔活性炭表 面上。在低倍数下,如图 3(b)所示,聚乙炔纤维 比较疏松,通 过分子问的范德华 力附着在活性炭的表面。在催化剂负载 过程巾。环烷酸亚铁最大程度地附着在活性炭的表面,在聚 乙炔的合成体系中存存诸多的活性中心,乙炔单体 以吸附在 活性炭表面的催化剂为生 K中心,分 子链小断增长、相互交 叉形成疏松的网状结构,将活性炭包覆起来。Te mp e r a t u r e R E 图 2 聚乙炔 微子 L 活性炭复合材料
17、的 T G D T A-D T G分析 F i g 2 T G-D T A-D T G a n a l y s e s o f P A m i c r o p o r o u s-AC c o mp o s i t e s 一 图 3 聚乙炔 微孔活性炭复合材料的 S E M 图 F i g 3 S E M i ma g e s o f P A mi c r o p o r o u s-A C c o mp o s i t e s 2 4 电导 率测定 2 4 1 活性炭类型对复合材料 电导率的影响 活性炭表面的化 学组成对 活性炭 的吸 附选择性、润湿 性、酸碱性、催化性 以及导 电性等会产
18、生一定 的影响。炭材 料在制备过程中由于灰分和杂原子的存在,使其基本结构产 生缺陷和不饱和价,而这些缺陷可以吸附氧和其他杂原子,进而形成不同类型的官能 团。由于活性炭 的化学性 质主要 f#i 表面的化学官能团以及表面的杂原子决定,因此活性炭的 孑 L 结构以及表面基团会对聚乙炔 活性炭的导 电性产生一定 的影响。以不同类 型的活性炭为模板制备 的不 同形态的聚 乙炔 活性炭复合材料的导电性如表 1 所示。从表 1可以看 出,聚乙炔 微孔活性炭 的电导率 比本征 态聚乙炔的电导率至少高 3 个数量级,这是因为活性炭的掺 入使聚乙炔分子内及分子问的构象更有利于分子链 的电荷 离域化。模板剂的加入
19、不仅降低 了聚乙炔分子问的相互作 3 O )O 0 一 一 一 聚 乙炔 活性炭复合材料 的制备及其导电性能的研究 宋林花等 8 5 用力,而且更利于其 电荷离域化,从而使其具有更 高的电导 率。在复合材料中,以木质活性炭为模板制得的复合材料 的 电导率最高,接近 0 5 S m一;以石油焦质为模板的复合材 料 P A S AC的电导率次之,为 0 0 9 S m一;以椰壳为模板的 复合材料的电导率最低,只有 9 1 1 O S m。这可能是 因为木质复合材料的孔径相对较大,聚乙炔可以更大程度地 进入到活性炭孔道内,使得聚乙炔和活性炭的复合效果更加 明显,进而表现出更高的电导率。表 l 模板剂
20、类型对聚 乙炔 微子 L 活性炭复合材料 电导率的影响 Ta b l e 1 The e f f e c t s o f t y p e o f t e mp l a t e a g e n t s o n c o n d u c t i v i t y o f P A mi c r o p o r o u s AC c o mp o s i t e s 载体类型无貅 2 4 2 模板剂预处理对复合材料电导率的影响 活性炭表面含氧官能团是其最主要 的活性基团,一般而 言,活性炭表面含氧官能团的增加有利于复合材料电导率的 提高。因此从提高导电性出发,应增加活性炭表面含氧官能 团,减少表面含氮官能
21、团。表 2 为采用不同浓度的酸碱对模 板剂进行处理的情况下所得复合材料的电导率。表 2 酸碱浓度对聚乙炔 微孔活性炭复合材料 电导率的影响 Ta b l e 2 Th e e f f e c t s o f t h e c o n c e n t r a t i o n o f a c i d a n d a l k a l i o n c o n d u c t i v i t y o f P A mi c r o p o r o u s-AC c o mp o s i t e s 从表 2 可以看出,活性炭的酸碱预处理会对复合材料的 电导率产生影响。当活性炭用低浓度酸或碱处理时,其制备 的
22、复合材料的电导率都高于普通的复合材料,其 中用酸处理 后的活性炭制备 的复合材料的电导率达到 0 3 4 S m。而 当活性炭用高浓度酸或碱处理时,以其为模板制备 的复合材 料的电导率明显下降,特别是用浓度为 1 O 的酸处理后的活 性炭制得的复合材料(电导率为 9 1 1 0 S m_。)。这是 因为当预处理溶液浓度较低时,得到的活性炭表面含氧官能 团增多,进而增加了复合材料 的导电性。然而经过高浓度酸 碱处理的活性炭 的孔结构坍塌,造成其 比表面积、孔容和孔 径都有所降低,同时在较短时间内其表面 自由活性位的氧化 已趋近饱和,表面酸性基 团的数量不再增加,不利 于聚 乙炔 电荷离域化,从而
23、使其 电导率有较大幅度下降。3 结论 本实验提供了一种制备聚 乙炔与微孔 活性炭复合材料 的方法。此方法包括 2 个重要 的合成步骤:首先,活性炭颗 粒表面形成具有反应活性的 自组装层;其 次,聚 乙炔负载在 炭材料颗粒表面上。(1)聚乙炔的网络结构与炭材料有明显 的区别,说明微孔炭材料的孔径 比催化剂 的直径大,聚乙炔 很大程度上附着在炭材料的表面。(2)聚乙炔 活性炭 复合 材料具有较 高的电导率,达到0 5 S m,相 比于本征态聚 乙炔提高了 7 8 个数量级。(3)复合材料 中聚乙炔 的含量 在 5 O 左右,炭材料 的含量约为 4 0,其余成分是水分、灰 分以及其他杂质。参考文献
24、1 Ya n g Ro n g,Ka n g Er we i,Cu i Bi n,e t a 1 Pr o g r e s s i n r e s e a r c h o n c o n d u c t i v e p o l y a n i l i n e e l e c t r o d e ma t e r i a l s f o r S U p e r c a p a c i t o r s l J E n g P l a s t Ap p l,2 0 1 0,3 8(5):8 5 杨蓉,康二维,崔斌,等超级电容器聚苯胺电极材料的研究 进展L J 工程塑料应用,2 0 1 0,3 8(5
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- 乙炔 活性炭 复合材料 制备 及其 导电 性能 研究
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