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研究生:王明月
研究生(外文):Ming-Yueh Wang
論文名稱:聚吡咯/蒙脫土奈米複合材料之製備與水分散性之研究
論文名稱(外文):The Study of Preparation of Polypyrrole/Montmorillonite Nanocomposite and Its Dispersion in Water
指導教授:吳震裕
口試委員:李榮和李昌崙
口試日期:2016-03-17
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:化學工程學系所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:161
中文關鍵詞:聚吡咯蒙脫土奈米複合材料水分散性
外文關鍵詞:PolypyrroleMontmorilloniteNanocompositesDispersion in water
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本研究是在蒙脫土 (MMT) 表面添加摻雜劑接枝導電高分子聚吡咯 (Polypyrrole, PPy),黏土在接枝高分子後親油性增強,藉由添加摻雜劑可以改善複材在水溶液中的分散性。因所接枝的PPy高分子具有良好的導電特性,使複材的導電度及加工性獲得提升。
本實驗是以原位氧化聚合法製備聚吡咯(Polypyrrole, Py)與蒙脫土 (MMT) 之複合材料,其中複材分成兩個系統,系統 (A) 為分別摻雜兩種不同型態的摻雜劑,界面活性劑中的十二烷基苯磺酸鈉 (Sodium dodecylbenzene sulfonate, DBSNa) 與聚電解質中的聚苯乙烯磺酸鈉 (Sodium polystyrene 4-sulfonate, PSSS) 利用三氯化鐵 (Iron(Ⅲ) Chloride, FeCl3) 在 MMT 表面氧化聚合聚吡咯導電高分子。選用摻雜劑為 DBSNa 製備 PPy/MMT 複材,其添加 DBSNa/Py 莫耳比例分別為0.0128、0.0064、0.0043、0.2、0.125及0.1;選用摻雜劑為 PSSS 製備 PPy/MMT 複材,其添加 PSSS/Py 莫耳比例分別為0.013及0.022。系統 (B) 為同時摻雜 DBSNa 與 PSSS 兩種摻雜劑,利用FeCl3在蒙脫土表面氧化聚合聚吡咯導電高分子,其添加 DBSNa/PSSS/Py 莫耳比分別為0.2/0.2/1、0.125/0.2/1及0.1/0.2/1。接著利用系統 (A) 與系統 (B) 之方法,將聚合後的 PPy 與 PPy/MMT 水溶液稀釋後進行沉降實驗,在不同時間利用強光照射瓶身觀察與記錄觀察沉降高度,探討不同摻雜劑和吡咯單體的添加量對 PPy 與 PPy/MMT在水溶液中分散性影響。
由FTIR分析可發現,PPy在3421 cm-1的位置發現N-H拉伸振動峰,在1540 cm-1的位置發現C-C拉伸振動峰,在1457 cm-1的位置發現C-N拉伸振動峰,在1164 cm-1的位置發現Py環的呼吸振動峰,在1037 cm-1的位置發現C-H與N-H的平面內彎曲振動峰,在775 cm-1的位置發現C-H平面外彎曲峰,而PPy/MMT皆存在MMT與PPy的特徵峰,表示有成功在MMT表面接枝PPy。由XRD分析,MMT在2θ = 6.86°存在繞射峰其層間距為1.29 nm,PPy在2θ=1.5°~10°之間沒有繞射峰存在,PPy/MMT的層間距提升至約1.60 nm 左右,顯示為插層結構。由熱重損失分析,P-F(未添加摻雜劑之聚吡咯)在殘餘量為95%時,其溫度約為150℃,在摻雜了DBSNa與PSSS後,溫度皆高於P-F,由此可知添加摻雜劑製備PPy有助於提升PPy之熱穩定性。PPy/MMT約在400℃左右有明顯的熱重損失,推測其原因為高分子鏈開始裂解所致。由導電度分析,P-F (未摻雜) 的導電度為0.523 S/cm,其餘依不同濃度摻雜劑製備之PPy的導電度皆高於P-F,其中0.125D-P-F的導電度最高為85.47 S/cm。PPy/MMT複材中以M-0.013Ps-P-F-3h的導電度最高為51.81 S/cm。由SEM分析,PPy其表面皆呈現顆粒狀團聚的型態,與文獻中純聚吡咯的表面型態類似。另外,調整單體添加量為1倍、2倍及3倍,以摻雜劑/單體之莫耳比為0.0128、0.0064與0.0043製備之PPy/MMT,其表面PPy型態呈現纖維狀結構。
聚合後之PPy水溶液分散性觀察,由Log t對Log H作圖可以得到曲線斜率的最大值與最小值,分別為0.2D-P-F-s的0.697與0.1D-0.2Ps-P-F-s的0.168,根據實驗結果可以得到隨著DBSNa添加量的增加,曲線斜率越大,斜率越大時代表PPy水溶液之沉降速率越快,PPy之分散性越差,推測當DBSNa 的濃度越高時,DBSNa分子間的作用力越大而影響摻雜的效率,使得分散性表現較差。由結果可以得知以0.1D-0.2Ps-P-F-s之配方聚合之PPy的分散性最佳。此外,聚合後之PPy/MMT水溶液分散性觀察,由Log t對Log H作圖可以得到曲線斜率的最大值與最小值,分別為M-0.125D-P-F-3h-s的0.632與M-0.125D-0.2Ps-P-F-3h-s的0.435。另外,比較單獨摻雜DBSNa與同時摻雜DBSNa與PSSS之PPy/MMT分散性數據,由曲線斜率可以得知同時摻雜DBSNa與PSSS之PPy/MMT的曲線斜率較小,代表其分散性較佳。由結果可以得知以M-0.125D-0.2Ps-P-F-3h-s之配方聚合之PPy/MMT的分散性最佳。


中文摘要 ........................................................................................................ i
Abstract ........................................................................................................ iii
目錄. ............................................................................................................. vi
表目錄 .......................................................................................................... ix
Scheme 目錄 .............................................................................................. xii
圖目錄 ........................................................................................................ xiii
一、 緒論 ....................................................................................................... 1
1.1 蒙脫土 (Montmorillonite, MMT) 簡介 ........................................ 1
1.2 導電高分子聚吡咯 (PPy) 簡介 .................................................... 3
1.3 聚吡咯/蒙脫土奈米複合材料 ........................................................ 6
1.4 沉降實驗 ─ 溶液分散性觀察 ...................................................... 7
二、 文獻回顧 ............................................................................................... 9
2.1 聚吡咯 (Polypyrrole, PPy) 相關文獻 ........................................... 9
2.1.1 化學氧化聚合聚吡咯相關文獻 ............................................ 9
2.1.2 聚吡咯之分散性相關文獻 .................................................. 23
2.2 聚吡咯/蒙脫土奈米複合材料相關文獻 ...................................... 26
三、 實驗 ..................................................................................................... 35
3.1 研究目的及方法 ........................................................................... 35
3.2 研究架構與流程 ........................................................................... 36
3.3 實驗儀器 ....................................................................................... 44
3.4 實驗藥品 ....................................................................................... 45
3.5 實驗步驟 ....................................................................................... 46
四、 結果與討論 ......................................................................................... 52
4.1 添加摻雜劑聚合聚吡咯之製備與鑑定分析 ............................... 52
4.1.1 紅外線光譜之官能基分析 .................................................. 53
4.1.2 X-ray 繞射儀之分析 ........................................................... 55
4.1.3 熱重損失之分析 .................................................................. 56
4.1.4 導電度分析 ........................................................................... 59
4.1.5 場發射式電子顯微鏡之型態分析 ...................................... 61
4.2 系統 (A) MMT單獨摻雜 DBSNa 或 PSSS 表面聚合PPy之製備與鑑定分析 ....................................................................... 63
4.2.1 MMT單獨摻雜DBSNa表面聚合PPy之製備與鑑定分析 (1倍、2倍或3倍單體,摻雜劑/單體(莫耳比) = 0.0128、 0.0064、0.0043) .................................................. 64
4.2.1.1 紅外線光譜之官能基分析 ...................................... 65
4.2.1.2 X-ray 繞射儀之層間距分析 ................................... 72
4.2.1.3 熱重損失之分析 ...................................................... 76
4.2.1.4 導電度分析 .............................................................. 79
4.2.1.5 場發射式電子顯微鏡之型態分析 .......................... 83
4.2.2 MMT單獨摻雜DBSNa表面聚合PPy之製備與鑑定分析 (1倍單體,摻雜劑:單體(莫耳比) = 0.2、0.125、0.1) ........................................................................................ 86
4.2.2.1 紅外線光譜之官能基分析 ...................................... 86
4.2.2.2 X-ray繞射儀之層間距分析 .................................... 90
4.2.2.3 熱重損失之分析 ...................................................... 91
4.2.2.4 導電度分析 .............................................................. 94
4.2.2.5 場發射式電子顯微鏡之型態分析 .......................... 96
4.2.3 MMT單獨摻雜PSSS表面聚合PPy之製備與鑑定分析 (1倍單體,摻雜劑:單體(莫耳比) = 0.013、0.022) ....... 98
4.2.3.1 紅外線光譜之官能基分析 ...................................... 98
4.2.3.2 X-ray 繞射儀之層間距分析 ................................. 100
4.2.3.3 熱重損失之分析 .................................................... 102
4.2.3.4 導電度分析 ............................................................ 103
4.2.3.5 場發射式電子顯微鏡之型態分析 ........................ 105
4.3 系統 (B) MMT同時摻雜 DBSNa 與 PSSS 表面聚合PPy之製備與鑑定分析 ..................................................................... 107
4.3.1 紅外線光譜之官能基分析 ................................................ 107
4.3.2 X-ray 繞射儀之層間距分析 ............................................. 110
4.3.3 熱重損失之分析 ................................................................ 112
4.3.4 導電度分析 ......................................................................... 114
4.3.5 場發射式電子顯微鏡之型態分析 .................................... 116
4.4 沉降實驗─聚合後之PPy與PPy/MMT水溶液分散性觀察之分析 ............................................................................................. 118
4.4.1 聚合後之PPy水溶液分散性觀察之分析 ........................ 118
4.4.2 聚合後之PPy/MMT水溶液分散性觀察之分析 ............. 128
五、 結論 ................................................................................................... 143
六、 參考文獻 ........................................................................................... 145
附錄一、樣品代號說明 ........................................................................... 149
附錄二、導電度換算公式 ....................................................................... 157
附錄三、聚吡咯/蒙脫土奈米複合材料聚?咯接枝量計算 ................. 161

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