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环境敏感性水凝胶是一类自身能感知外界环境(如温度、pH值、电、磁等)的微小变化或刺激,并能产生相应的物理和化学性质变化甚至突变的高分子凝胶。在环境敏感性水凝胶中,最受关注的是pH敏感性水凝胶、温度敏感性水凝胶、温度和pH值双重敏感性水凝胶和电响应性水凝胶。本文以具有温度和pH值双重敏感性水凝胶为基体制备一类新型的聚苯胺复合导电水凝胶。所制得的复合导电水凝胶在电化学电容器、太阳能电池以及燃料电池等领域有着广泛的应用前景。主要研究结果如下:
⑴采用水溶液聚合法,在反应温度为70℃,丙烯酸单体的含量为50wt.%,乙烯吡咯烷酮的含量为1.0wt.%,石墨的含量为0.5wt.%,活性炭的含量为3.5wt.%,交联剂的用量为0.04wt.%,引发剂的用量为0.3wt.%,中和度为60%时,制备出的聚(丙烯酸钾/乙烯吡咯烷酮/石墨/活性炭)水凝胶,在温度为10℃,在1M的盐酸水溶液中的吸水倍率最高达到85g/g,此导电水凝胶的电导率高达13.86mS/cm-1。
⑵采用水溶液聚合法,在反应温度为65℃,丙烯酸单体的含量为45wt.%,乙烯吡咯烷酮的含量为0.9wt.%,石墨的含量为1wt.%,纳米碳纤维的含量为6wt.%,交联剂用量为0.06wt.%,引发剂为0.4wt.%,中和度为55%时,制备出的聚(丙烯酸钾/乙烯吡咯烷酮/石墨/纳米碳纤维)水凝胶,在温度为15℃,在1.5M的盐酸水溶液中的吸水倍率最高达到110g/g,此导电水凝胶的电导率高达16.52mS/cm-1。
⑶以聚(丙烯酸钾/乙烯吡咯烷酮/石墨/活性炭)水凝胶和聚(丙烯酸钾/乙烯吡咯烷酮/石墨/纳米碳纤维)水凝胶为基体,分别在含有苯胺单体的1M和1.5M的盐酸液中,使其充分溶胀,在一定浓度的氧化剂的作用下,盐酸掺杂的苯胺单体在凝胶的三维网络内原位聚合生成电导率分别为80.94mS/cm-1和98.21mS/cm-1的新型聚苯胺高导电复合水凝胶。
⑷通过FTIR、XRD等测试,对聚(丙烯酸钾/乙烯吡咯烷酮/石墨/活性炭)水凝胶、聚(丙烯酸钾/乙烯吡咯烷酮/石墨/纳米碳纤维)水凝胶及其新型聚苯胺高导电复合水凝胶,进行了表征,结果表明,经盐酸掺杂的苯胺单体在凝胶网络中,发生了有效的原位聚合反应,导致复合水凝胶的电导率明显升高。
⑸通过循环伏安(CV)对所得聚苯胺复合水凝胶的电化学特性进行了测试,结果表明,所得复合材料均具有良好的氧化还原及掺杂和去掺杂的可逆性。