石墨烯/聚吲哚/纳米银复合导电材料的制备及其应用

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随着社会对可穿戴设备的需求增加,对其性能的要求越来越高,可穿戴柔性器件的研究与开发也越来越重要。柔性导电材料作为可穿戴柔性器件的重要组成部分,具有柔韧性和可弯曲性等特有的优点。高分子导电聚合物聚吲哚(Polyindole,PIn)具有良好的热稳定性、高氧化还原稳定性、降解速度较慢等特点,因此PIn及其衍生物在电池、传感器、防腐蚀、药物传递等方面都有广泛的应用。石墨烯是一种二维碳材料,具有出色的机械性能、高电导率、超高比表面积等性能。贵金属纳米粒子(例如Ag,Au)与其他的纳米粒子相比具有独特的化学和物理特性。本文将聚吲哚、石墨烯、纳米银进行复合,可以很好的弥补单一原料的缺陷,提高材料的综合性能,从而制备具有发展潜力的柔性导电材料。
  本文首先创新地以聚苯乙烯磺酸(Polystyrene sulfonic acid,PSS)为掺杂剂制备聚吲哚,筛选了化学氧化法制备聚吲哚∶聚苯乙烯磺酸(PIn∶PSS)的最佳工艺;用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(Graphene oxide,GO),并在其表面原位聚合氧化石墨烯/聚吲哚∶聚苯乙烯磺酸(GO/PIn∶PSS),用HI还原GO,制备了RGO/PIn∶PSS;然后以硝酸银(AgNO3),GO/PIn∶PSS为原料制备出RGO/Ag/PIn∶PSS三元复合材料;最后将该复合材料应用于棉织物制备了柔性导电织物。借助傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、纳米粒度分析仪、紫外可见光分光光度计(UV)、热重分析仪(TG)、四探针测试仪等,对各产物进行了物理表征和相关测试,结果表明:
  (1)在实验条件下,以过硫酸铵/亚铁(APS/Fe2+)为氧化体系,PIn∶PSS掺杂质量比为1∶4,pH=1.68为工艺条件制备得到PIn∶PSS导电聚合物性能较为优良。
  (2)采用HI为还原剂,还原剂相对用量为1wt%,还原时间为6小时,m(GO)∶m(PIn∶PSS)=1时,复合材料的导电性能较优,复合材料在水中的分散性较好,方块电阻为10.5Ω.cm。
  (3)以硼氢化钠为还原剂,控制m(GO)∶m(AgNO3)=1∶4,pH=7,还原温度为90℃,还原时间为3h,得到的RGO/Ag/PIn三元复合材料纳米银分布均匀且导电性能较优,电导率为0.252S/cm。
  (4)分别采用滴定烘干法和浸渍烘干法制备复合织物,比较发现滴定烘干法制备的复合织物优于浸渍烘干法制备的复合织物。在最佳工艺条件下制备的RGO/Ag/PIn/棉复合织物,耐摩擦性能、力学性能良好,热稳定性得到了提高。
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