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研究生:黃建億
研究生(外文):Chien Yi Huang
論文名稱:聚苯胺-十二烷基苯磺酸/聚壓克力酸奈米複合材料之形態與其介電行為
論文名稱(外文):The morphological and dielectric behaviors of PANI-DBSA/PAA nanocomposites
指導教授:李選能
學位類別:碩士
校院名稱:輔仁大學
系所名稱:化學系
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:聚苯胺
外文關鍵詞:polyaniline
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摘 要
本實驗延續過去的研究主軸─導電高分子聚苯胺於摻合或複合材料中的介電性質研究─繼續以奈米尺度的微型電容於材料中均勻分散為目標邁進。因此,本研究的特點為:先試圖找出製備此類掺合材料所需較佳的DBSA水溶液濃度,以期能完成接近一級粒子大小的聚苯胺微胞水溶液。
材料的製備為:個別完成PANI-DBSA微胞水溶液的合成以及聚壓克力酸(PAA)水溶液的製備,再以摻合(blend)的方式將兩種聚合物溶液均勻混合在一起,完成PANI-DBSA/PAA複合材料的製備。在測試方面,我們利用阻抗分析儀來了解聚苯胺的電傳導機制,以解釋此複合材料的介電行為;以熱重損失分析儀(TGA)、場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)來分析此複合材料的熱性質和形態學上的變化等性質;紫外-可見光(UV-visible)光譜分析,為確認吾人所製備的聚苯胺屬於經由酸摻雜後的苯胺綠鹽(Emeraldine salt)。
本研究所觀察到結果為:此複合材料仍然擁有高介電常數,然而介電損失偏高,仍無較佳的消散因子出現;而形態學上的觀察,鮮少出現微米尺度的聚苯胺顆粒,且成功將PANI-DBSA微胞以奈米尺度(約為70 nm)分佈於複合材料中,是為二級粒子。
Abstract
A high dielectric constant composite of polyaniline,PANI-DBSA/PAA has been synthesized by using the technique of in-situ polymerization of aniline in a aqueous dispersion of poly(acrylic acid) (PAA) in the presence of dodecylbenzene sulfonate (DBSA). The water-soluble PAA serves as a polymeric stabilizer which can protect the PANI particles from macroscopic aggregation .
SEM micrograph reveals that the composite prepared consists of numerous nano-scale (~70nm) PANI particles evenly distributed within the PAA matrix . A high dielectric constant value of ca. 105(at 1 kHZ ) was obtained by the composite containing 20 wt% of PANI . The high dielectric constants of these composites are attributed to the accumulation of the tiny capacitors formed by PANI nano particles . The influences of PANI and water contents on various properties such as morphological ,thermal dielectric and electrical behaviors were investigated . On the other hand ,these composites exhibit high dielectric loss due the conductive nature of the PANI particles , especially when PANI content in the composite is high.
目 錄
英文摘要 ….i
中文摘要 .ii
謝誌 .iii
目錄 .iv
表目錄 .vi
圖目錄 ....vii
第一章 序論 ...1
1-1 前言 ...1
1-2 研究目的 ...2
第二章 文獻回顧……………………………………………………3
2-1 導電高分子的發展史……………………………………………3
2-1-1導電性高分子的導電原理…………………………………6
2-1-2導電性高分子分類…………………………………………8
2-1-3導電性高分子聚苯胺………………………………………9
2-1-4聚苯胺儲存電荷的機制…………………………………18
2-2 介電行為…………………………………………………………19
2-2-1電容………………………………………………………19
2-2-2極化的型態……………………………………………….21
2-3 界面活性劑………………………………………………………22
2-3-1微胞(micelle)的形成……………………………………23
2-3-2表面張力的測定…………………………………………..25
2-4 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)……27
2-5 紅外光吸收光譜(FT-IR Spectrometer)………………………….28
2-6 紫外光/可見光/近紅外光吸收光譜……………………………29
2-7 熱重分析儀(TGA,Perkin Elmer TGA 7)………………………..30
第三章 實驗方法…………………………………………………….31
3-1 實驗藥品…………………………………………………………31
3-2 儀器………………………………………………………………32
3-3 實驗流程圖………………………………………………………33
3-3-1元件製作以及測量……………………………………….35
3-4 實驗步驟…………………………………………………………36
第四章 結果與討論………………………………………………….43
4-1前半部實驗的結果與討論…………………………………44
4-2後半部實驗的結果與討論…………………………………47
第五章 結論………………………………………………………….53
參考文獻………………………………………………………………56

表目錄
表2-1 導電性高分子的結構及導電度………………………………5
表2-2 聚苯胺的紫外可見光吸收波長………………………………12
表2-3 鹼式中間氧化態聚苯胺之紅外線吸收光譜…………………14
表2-4 各材料之介電常數與強度……………………………………21
表2-5 界面活性劑的堆積參數與微胞結構…………………………24
表3-1 反應過程中各成分所需之量及比例…………………………37
表3-2 不同DBSA(aq)所對應之表面張力(mN/m)…………………..41
表3-3 各不同比例含量之配製………………………………………42
表4-1 不同DBSA水溶液濃度所合成的PANI- DBSA/PAA材料,在不同電場頻率下之(a)介電常數;(b)介電損失;(c)消散因子;(d)導電度……………………………………………………… 61
表4-2 固定DBSA水溶液濃度,改變PANI/PAA百分比,所合成的PANI- DBSA/PAA材料,在不同電場頻率下之(a)介電常數;(b)介電損失……………………………………………………… 65
表4-3 固定DBSA水溶液濃度,改變PANI/PAA百分比,所合成的PANI- DBSA/PAA材料,在不同電場頻率下之(c)消散因子;(d)導電度………………………………………………………… 66



圖目錄
圖2-1 導體與絕緣體的導電度比較圖………………………………4
圖2-2 絕緣體、半導體及導體的能帶………………………………6
圖2-3 導電高分子聚乙炔合成前後的能隙圖………………………7
圖2-4 導電高分子在摻雜前後的能階示意圖………………………8
圖2-5 聚苯胺的結構…………………………………………………9
圖2-6 聚苯胺的雙偏極子結構………………………………………10
圖2-7 聚苯胺的偏極子結構…………………………………………11
圖2-8 聚苯胺的主要4種結構………………………………………11
圖2-9 聚苯胺的紫外可見光光譜……………………………………12
圖2-10 聚苯胺之電化學聚合法示意圖………………………………18
圖2-11 聚苯胺電荷儲存機制…………………………………………19
圖2-12 平行板電容器 (a) 真空時;(b) 當有介電材料出現時……20
圖 2-13 (a)電子極化仍藉由電場使原子的電子雲扭轉
(b)離子極化是離子電荷對應於電場相對性位移之結果
(c)永久電偶極(箭頭)於外加電場下的反應,所產生的取向性極化……………………………………………………… 22
圖2-14 界面活性劑分子結構圖………………………………………22
圖2-15 微胞結構:(a)球形;(b)雙層球形;(c) 柱狀及(d)層狀結構…25
圖2-16 界面活性劑水溶液於臨界微胞濃度附近之物性變化……… 26
圖2-17 界面活性劑在水溶液中隨濃度改變之相圖………………… 26
圖2-18 (a)純界面活性劑;(b)含雜質之不純界面活性劑
之表面張力曲線圖………………………………………….27
圖2-19 SEM顯示影像的顯像系統…………………………………...28
圖3-1 阻抗分析儀………………………………………………….…39
圖3-2 表面張力儀…………………………………………………….40
圖3-3 不同DBSA(aq)所對應之表面張力(mN/m) …………………. 41
圖4-1 不同濃度的DBSA(aq)所合成的PANI- DBSA/PAA,在不同電場頻率下之(a)介電場數(b)介電損失…………………………… 62
圖4-2 不同濃度的DBSA(aq)所合成的PANI- DBSA/PAA,在不同電場頻率下之(c)消散因子(d)導電度……………………………… 63
圖4-3 DBSA(aq) 濃度為20%-20mM之PANI- DBSA/PAA掺合材料放大50,000倍之SEM形態圖……………………………………64
圖4-4 固定DBSA水溶液濃度,改變PANI/PAA百分比,所合成的PANI- DBSA/PAA材料,在不同電場頻率下之(a)介電常數…………67
圖4-5 固定DBSA水溶液濃度,改變PANI/PAA百分比,所合成的PANI- DBSA/PAA材料,在不同電場頻率下之(b)介電損失………68
圖4-6 固定DBSA水溶液濃度,改變PANI/PAA百分比,所合成的PANI- DBSA/PAA材料,在不同電場頻率下之(c)消散因子…………69
圖4-7 固定DBSA水溶液濃度,改變PANI/PAA百分比,所合成的PANI- DBSA/PAA材料,在不同電場頻率下之(d)導電度……………70
圖4-8 固定電場頻率為500Hz…………………………………………71
圖4-9 介觀範圍(mesoscopic range)與定域化體系(localized regime)示意圖………………………………………………………….71
圖4-10 (a) 2% (b)4 % PANI-DBSA/PAA 放大20,000倍之SEM圖. .72
圖4-11 (c) 6% (d) 8% PANI-DBSA/PAA 放大20,000倍之SEM圖...73
圖4-12 (e) 10% (f) 12% PANI-DBSA/PAA 放大20,000倍之SEM圖..74
圖4-13 (g) 14% (h) 16% PANI-DBSA/PAA 放大20,000倍之SEM圖..75
圖4-14 (i) 18% (j)20 % PANI-DBSA/PAA 放大20,000倍之SEM圖…76
圖4-15 (k)25 % (l) 30% PANI-DBSA/PAA 放大20,000倍之SEM圖..77
圖4-16 PANI-DBSA/PAA之紫外可見光譜…………………………78
圖4-17 PANI-DBSA/PAA之熱重損失分析圖………………………79
參考文獻
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