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                新型聚丙烯酰胺碳纖維石墨導電水凝膠的制備

                發布日期:2015-01-23 23:02:02
                導電水凝膠
                髙吸水性聚合物(superabsorbent polymer)是指通過水合作用能迅速吸收自重幾十倍乃至幾千倍的液 態水而雖凝膠狀的新型功能髙分子材料。高吸水性樹脂的特殊性能和廣闞的應用前錄引起國內外的普遍關 注.利用髙吸水性聚合物吸水后形成凝膠的特性有望 用于燃料電池,電容器,導電水凝膠染料敏化太陌能電池及可充式 鋰電池等.目前,利用高吸水性聚合物制備導電 水凝膠的報道較少,限制了髙吸水性聚合物的發展與 應用〇
                近年來,導電聚合物發展迅速,主要以添加碳纖 維[5?,膨脹石墨£7’8]、碳黑、納米碳管[11]及金屬 粉「123于聚乙烯,尼龍及樹脂為主•■碳纖維與石蜃是良 好的導電材料•在髙吸水性聚合物中摻雜導電碳纖維 及石墨可形成具有良好導電性的復合材料,對于開發 新型導電材料具有重要價值•本文在首次合成出聚丙 烯酰胺/cu、聚丙烯酸鹽/聚苯胺及聚丙烯酸鹽/石墨 導‘電水凝膠的基礎上,以聚丙烯酰胺為基體,通 過添加碳纖維與石墨制備了聚丙烯酰胺/碳纖維/石墨 髙吸水性復合材料,吸水后形成具有較髙電導率的導 電水凝膠.
                2 實驗 2.1原料及儀器
                丙烯酰胺(CP,廣東光華化學廠有限公司)f過疏 酸鉀(AR,中國醫藥集團上?;瘜W試劑公司hN,!^- 亞甲基雙丙烯酰胺(CP,湖南湘中精細化學品廠)|石 墨粉(SP,粒度d.exioim,國藥集團化學試劑有限 公司)》碳纖維(Sika Carbo Dur S型,瑞士);恒溫水浴 鍋(HH-S型,江蘇國勝實驗儀器廠h電導率儀(DDfr 6200型,上海雷磁儀器廠新涇分廠);電熱恒溫鼓R干 燥箱(DH0914SA型,上海精密實驗設備有限公司); 電子天平(PL2002型,北京塞多利斯天平有限公司); 粉碎機(MF 10 basic型,德國掃描電子顯徽鏡(Hi¬tachi S^OON 型,日本) i 傅立 葉紅外光譜儀 (尼髙力 NEXUS 470 型,美國)„
                2.2聚丙烯酰胺/碳纖維/石墨離吸水性復合材料的 制備
                在三口燒瓶中加人質量比為1 * 1的碳纖維與石 墨粉及減壓蒸餾的丙烯酰胺單體,加入蒸餾水使丙烯 酰胺溶解,生成含有導電填料的單體溶液,然后將燒杯 轉移到已升至指定溫度的水浴鍋中加熱,加入交聯劑 亞甲基雙丙烯酰胺和引發劑過硫酸鉀,攪拌溶 解并使碳纖維與石墨粉均勻分散。%保護下,使聚合 反應進行完全,反應完畢后,取出半成品剪成顆粒狀置 于80C真空干燥箱中烘千,粉碎后便得到顆粒狀的聚 丙烯酰胺/碳釬維/石墨高吸水性復合材料,裝袋備用. 2.3聚丙烯酰胺/碳纖維/石墨導電水凝膠的制備及 電導串的測定
                室溫下,將3g干燥的復合材料樣品沒人SOOml蒸 餾水中使其吸水倍率達到(25±l)g/g而形成導電水 凝膠,將凝膠用40目網篩過濾Stnin•室溫下,稱量粉 碎狀導電水凝膠30g置于100m]量筒中,將電導率儀 (DD&6200型)探針插人凝膠中且使探針兩極與水凝 膠充分接觸《每個樣品測試3次,取其平均值。
                聚丙烯酰胺與聚丙烯酰胺/碳纖維/石墨導電水凝 膠的SEM表征如圖2所示由圖2(a)可以看出,聚 丙烯酰胺凝膠表面光滑;圖2(b)中,碳纖維與石墨彼 此相互搭接,形成導電通道,有利于電子傳導,為導電 水凝膠的導電性提供了結構基礎。
                3結果與討論
                3.1引發劑用置對凝膠電導率的彩響
                引發劑用置對導電水凝膠電導率的影響如圖3所 示。圖3中碳纖維與石畕含童為10% (質量分數),交 聯劑用量為0.04%(質量分數),單體濃度為45%(質 量分數),反應溫度為75"C.在引發劑用量為0.4%~ 1.0%(質量分數)時,凝膠電導率隨引發劑用童增多而 升高f超過1.0%(質量分數),電導率又逐漸下降.當 引發劑用量較低時,聚合反應進行緩慢,聚合物網絡大 且少,不足以吸附足夠的碳纖維與石墨形成導電通道. 引發劑用童過高,聚合反應迅速,甚至產生爆聚,且生 成的聚合物網絡空間過小,導電填料分敢不均勻,容易 產生局部髙電阻,電導率降低,本實驗條件下,當引發 劑用置為1.0%(質量分數)時,電導率最髙,碳纖維與
                Fig 3 The conductivity of hydrogel vs the initiator a¬mount of in the composite 3.2交聯劑用置對電導率的彩響
                當碳纖維與石墨為10%(質董分數),引發劑用量 為1.0%(質置分數),單體濃度為45%(廣童分數), 反應溫度為80*C時,如圖4所示,當交聯劑用置低于 0. 06%(質量分數)時,隨用量增多電導率逐漸升髙,若 交聯劑用置過髙,凝膠電導率逐漸下降•凝膠電導率 取決于聚合物空間網絡•交聯劑用量過低,不能形成 足夠的交聯點及完整的聚合物三維網絡,因而被吸收 的碳纖維及石墨含置降低,導電通道被阻斷》另一方 面,交聯劑用置過髙,交聯密度增大,網絡空間減 小[1S-1S],同樣不利于碳纖維與石墨的吸附,電導率降低。
                碳纖維與石墨為10%(質童分數 >,交聯劑用量為 0.06%(質童分數),引發劑用量為1.0%(質量分數)f 單體濃度為50%(質量分數),反應溫度為801C,如圖8 所示,凝膠電導率隨聚丙烯酰胺/碳纖維/石墨髙吸水 性復合材料吸水倍率的升髙而降低。當吸水倍率為 l〇g/g時*凝膠電導率可達4.32mS/cnu凝膠的導電 性產生于碳纖維與石墨間的相3;連接.隨著吸水倍率 的升髙,由于更多容易被吸收使得凝膠體積膨脹,從而 阻斷了碳纖維與石墨的搭接,導電通道被破壞,電導率 下降,因此,在實際應用中,為使導電水凝膠具有較高 的電導率,應使水凝膠的吸水倍率低于30g/g為宜(由 圖7所示,在一定吸水倍率下,可采用增加導電填料含 量及改變碳纖維與石墨用量提高水凝膠的電導率.
                4結論
                采用水溶液聚合法制備了新型聚丙烯酰胺/碳纖 維/石墨導電水凝膠.探討了制備條件如引發劑用置、 交聯劑用量、單體濃度、反應溫度、吸水倍率及填料含 置對凝膠電導率的影響.實驗結果表明,當交聯劑引 發劑用置為1. 〇%(質量分數),交聯劑用貴為0. 06% (質量分數),單體濃度為5〇%(質置分數),反應m度 為80X:及碳纖維與石墨含量為35%(質量分數)時,凝膠電導率最高為4. 32mS/cm.且水凝膠電導率隨吸水倍率的升高逐漸下降,為保證水凝膠具有較髙的電 導率,其吸水倍率不宜過髙,以低于30g/g為最佳。
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