聚苯胺表面修饰芳纶浆粕及其纸基材料的导电性能

doi:10.7503/cjcu20200317

摘要/Abstract

摘要：

通过在芳纶浆粕(AP)表面修饰聚苯胺(PANI)制备了聚苯胺-芳纶浆粕(PANI-AP), 然后与碳纤维(CF)共混, 采用湿法抄纸技术制备导电性能优异的纸基材料(PANI-AP/CP). 对其形貌结构、导电性能及PANI分布均匀性进行了表征, 并研究了环境湿度、温度、 pH值及放置时间对PANI-AP/CP导电性能的影响. 研究结果表明, PANI-AP表面粗糙度增加, 结晶度增加, 出现含醌式结构的导电PANI的衍射峰, 说明PANI成功修饰于AP表面. 采用该方法制备的PANI-AP/CP导电性能与分布均匀性均得到提高, 相对于碳纤维纸基材(CP), PANI-AP/CP的电导率为3.937 S/cm, 导电性能提高153.5%. 与PANI原位生长于CP(AP/CP-PANI)相比, PANI-AP/CP的导电性能提高34.6%, 总色差值(DE)降低74.9%.

关键词: 聚苯胺, 芳纶浆粕, 导电性, 分布均匀性

Abstract:

PANI-AP was prepared by modifying polyaniline（PANI） on the surface of aramid pulp（AP）， and then blended with carbon fiber to prepare paper-based material（PANI-AP/CP） with excellent electrical conductivity by wet papermaking technology. The morphology， conductivity and PANI distribution uniformity of PANI-AP/CP were characterized， and the effects of environmental humidity， temperature， pH， and storage time on the electrical conductivity of PANI-AP/CP were explored. The results showed that after PANI modification， the surface roughness and crystallinity of AP increased， and the appearance of diffraction peaks of conductive polyaniline containing quinone structure showed that polyaniline was successfully modified on aramid pulp. For the PANI-AP/CP prepared by this method， both the properties and the distribution uniformity were improved. Compared with the carbon fiber paper substrate （CP） and the AP/CP-PANI， the conductivity of PANI-AP/CP（3.937 S/cm） increased by 153.5% and 34.6%， respectively， and the average total color difference（DE） was reduced by 74.9% compared with AP/CP-PANI.

Key words: Polyaniline, Aramid pulp, Conductivity, Distribution uniformity

中图分类号:

O631

TrendMD:

令旭霞, 龙柱, 王士华, 李志强, 郭帅, 张丹. 聚苯胺表面修饰芳纶浆粕及其纸基材料的导电性能. 高等学校化学学报, 2020, 41(11): 2553.

LING Xuxia, LONG Zhu, WANG Shihua, LI Zhiqiang, GUO Shuai, ZHANG Dan. Surface Modified Aramid Pulp with Polyaniline and Conductivity of Its Paper-based Materials. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(11): 2553.

图/表 12

Scheme 1 Mechanism diagram of aramid pulp surface?modified by polyaniline

Fig.1 SEM(A―D) and EDS(H) images of paper?based materials(A) AP; (B) PANI?AP; (C) CP; (D) PANI?AP/CP;(E) enlarged view of position (Ⅲ) in D; (F, G) enlarged view of position (Ⅰ, Ⅱ) in (C), respectively.

Table 1 Elemental changes of CP before and after polyaniline adhesion

Sample

Mass

fraction(%)

Atomic

fraction(%)

Mass

fraction(%)

Atomic

fraction(%)

Mass

fraction(%)

Atomic

fraction(%)

Fig.2 FTIR(A) and UV?Vis(B) spectra of AP(a) and PANI?AP(b)

Fig.3 XRD pattern of AP(a) and PANI?AP(b)

Fig.4 TG(A) and DTG(B) diagrams of aramid pulp before and after PANI treatmenta. AP; b. PANI?AP.

Table 2 Volume resistivity of conductive paper prepared by different methods

Sample	Volume resistivity/(Ω·cm)	Conductivity/(S?cm^-1)
CP	0.644	1.553
AP/CP?PANI	0.342	2.924
PANI?AP/CP	0.254	3.937

Fig.5 Physical image of paper?based material as conductive circuit(A) CP; (B) PANI?AP/CP.

Fig.6 K/S of conductive paper prepared by different methods(A) AP/CP?PANI; (B) PANI?AP/CP

Table 3 L, a, b values of AP/CP-PANI

Sample position	L	a	b	DE
Standard sample	33.53	-9.81	5.70
1	30.73	-8	4.21	3.65
2	30.36	-6.35	3.26	5.29
3	33.04	-9.37	5.28	0.79
4	34.78	-8.13	5.34	2.13
5	35.94	-8.35	5.55	2.82

Table 4 L, a, b values of PANI-AP/CP

Sample position	L	a	b	DE
Standard sample	48.09	-11.93	4.36
1	48.18	-12.01	4.70	0.37
2	48.14	-11.93	4.55	0.20
3	48.15	-11.81	4.22	0.19
4	49.27	-11.55	4.61	1.27
5	49.01	-12.44	5.63	1.65

Fig.7 Influence of humidity(A), pH(B), temperature(C) and time(D) on the conductivity of PANI?AP/CP

参考文献 25

1	Zhao Y. X.， Chen Y. J.， Pan G. J.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（4）， 824—831（赵宇轩，陈艳君，潘顾鑫. 高等学校化学学报， 2019， 40（4）， 824—831）
2	Dutta K.， Das S.， Kumar P.， Kundu P.， Appl. Energy， 2014， 118， 183—191
3	Zhao Q.， Guo H.， Ye F.， J. Chem. Ind. Eng.， 2020， 71（5）， 1943—1963（赵强，郭航，叶芳. 化工学报， 2020， 71（5）， 1943—1963）
4	Liu B.， Zhang H. Y.， Chen S. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（3）， 498—507（刘奔，张行颖，陈韶云. 高等学校化学学报， 2019， 40（3）， 498—507）
5	Sha C.， Lu B.， Mao H.， Cheng J.， Pan X.， Lu J.， Ye Z.， Carbon， 2016， 99， 26—34
6	Zhao Y.，Wang S. B.，Li W. W.， Journal of Tsinghua University（Science And Technology）， 2020， 60（3）， 254—262（赵阳，王树博，李微微. 清华大学学报（自然科学版）， 2020， 60（3）， 254—262）
7	Yang Y. W.， the Study on the Polyaniline/carbon Fiber Flexible Electrode Materials for Supercapacitor， Beijing University of Chemical Technology， Beijing， 2018（杨雨薇. 聚苯胺⁃碳纤维柔性超级电容器电极材料的研究，北京：北京化工大学， 2018）
8	Sengupta P.， Gloria J.， Parker M.， Flynt A.， Jove⁃J. Vis. Exp.， 2016， 117， e54590
9	Ren W.， Li J.， Chinese Journal of Luminescence， 2019， 40（1）， 58—66（任伟，李静. 发光学报， 2019， 40（1）， 58—66）
10	Sathiyanarayanan S.， Muthukrishnan S.， Venkatachari G.， Trivedi D.， Prog. Org. Coat.，2006， 53（4）， 297—301
11	Saini P.， Arora M.， Gupta G.， Gupta B.， Singh V.， Choudhary V.， Nanoscale， 2013， 5（10）， 4330—4336
12	Li Z.， Wang J. J.， Gao H. T.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（8）， 1784—1792（李泽，王建江，高海涛. 高等学校化学学报， 2019， 40（8）， 1784—1792）
13	Qian W.， He D. P.， Li B. W.， Journal of Materials Engineering， 2020， 48（7）， 14—23（钱伟，何大平，李宝文. 材料工程， 2020， 48（7）， 14—23）
14	Zhou Y.， Improvement of Flame Retardancy of Polyaniline and Polypyrrole Deposited Conductive Phytic Acid Doping， Northeast Forestry University， Haerbin， 2014（周洋. 植酸掺杂改善聚苯胺和聚吡咯导电纸的阻燃性能研究，哈尔滨：东北林业大学， 2014）
15	Yu J.， Pang Z. Y.， J. Materials Science & Engineering，2018， 36（3）， 336—339（俞俭，逄增媛. 材料科学与工程学报， 2018， 36（3）， 336—339）
16	Wang K L.， Conductivity and Mechanical Properties of Polyaniline Modified 3⁃Dimensional Carbon⁃based Conductive Filler/epoxy Resin Composite， Tianjin Polytechnic University， Tianjin， 2018（王开丽. 聚苯胺修饰三维碳基导电填料/环氧树脂复合材料电导与力学性能，天津：天津工业大学， 2018）
17	Zhao Y. Y.， Zhang Z. M.， Yu L. M.， Polymer Materials Science And Engineering， 2019， 4（35）， 69—71（赵云琰，张志明，于良民. 高分子材料科学与工程， 2019， 4（35）， 69—71）
18	Zeng X. R.， Gong K. C.， Synthetic Material Aging and Application， 2001，（4）， 8—11（曾幸荣，龚克成. 合成材料老化与应用， 2001，（4）， 8—11）
19	Ren W.， Zhang G. L.， Yan H.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（4）， 846—854（任文，张国立，闫涵. 高等学校化学学报， 2020， 41（4）， 846—854）
20	Zhao H. F.， Zhang M. Y.， Lu J. B.， China Pulp & Paper， 2010， 29（2）， 1—5（赵会芳，张美云，路金杯. 中国造纸， 2010， 29（2）， 1—5）
21	Wang D. H.， Wang X. P.， Liu H. L.， Jia D. M.， Guangdong Rubber， 2018，（9）， 1—6（杜江华，王小萍，刘会林，贾德民. 广东橡胶， 2018，（9）， 1—6）
22	Tang L. Q.， Zhang G. L.， Long Z.， Fine Chemicals， 2019， 36（11）， 2292—2295（汤龙其，张国亮，龙柱. 精细化工， 2019， 36（11）， 2292—2295）
23	Zhao X. L， Polyaniline Nanofiber Membrane Electrochemical Preparation and Its Hydrophilicity， Tianjin University， Tianjin， 2009（赵晓玲. 聚苯胺纳米纤维膜的电化学制备及其亲水性研究，天津：天津大学， 2009）
24	Kulkarni M. V.， Viswanath A. K.， Khanna P. K.， Sensors and Actuatators B： Chemical， 2006， 115（2）， 140—149
25	Jiang H.， Research on Humidity Sensing Properties and Film Preparation of Vanadium Titanium Acid Doped Polyaniline， Northeast Petroleum University， Daqing， 2014（姜浩.钒钛酸掺杂苯胺薄膜的制备和湿敏性能的研究，大庆：东北石油大学， 2014）

[1]	杨思娴, 钟文钰, 李超贤, 苏秋瑶, 许炳佳, 何谷平, 孙丰强. 聚苯胺纳米线/SnO₂复合光催化材料的光化学制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1942.
[2]	李宏斌, 张帅, 李政, 丁长江, 贲腾. 多孔有机盐单晶的合成及各向异性质子导电性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3047.
[3]	张如强, 张国亮, 龙柱, 张丹, 李志强, 王士华, 胡爱林. 轻质柔性聚酰亚胺纸基电磁屏蔽材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3211.
[4]	任文, 张国立, 闫涵, 胡兴华, 李焜, 王景凤, 李瑞琦. 超疏水聚苯胺/聚四氟乙烯复合膜的制备及油-水乳液分离性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 846.
[5]	王乙涵,尹强,杜凯,殷勤俭. 聚吡咯/聚苯胺二元复合纳米管及其热电性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 175.
[6]	王琳, 张艳慧, 阿孜古丽·木尔赛力木, 兰海蝶. 以PS-b-P2VP为模板剂诱导调控聚苯胺形貌、尺寸及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1748.
[7]	赵宇轩, 陈艳君, 潘顾鑫, 王畅, 彭振博, 孙宗旭, 梁永日, 师奇松. 静电纺丝制备Tb-PEG+Eu-PEG/PANI/PAN荧光导电相变三功能复合纤维[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(4): 824.
[8]	刘奔, 张行颖, 陈韶云, 胡成龙. 一维有序聚苯胺纳米阵列的制备及电化学储能性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(3): 498.
[9]	程颖颖, 刘海英, 田宜耕, 刘仲奇, 李清新. 腺嘌呤的氨基修饰增强DNA导电性的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(2): 279.
[10]	杨倩, 杨璨瑜, 孙孔春, 侯雯清, 吴乐艳, 沈报春. 手性聚苯胺/二氧化硅核/壳复合物的合成及应用[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(7): 1587.
[11]	周艳芬, 孟哲, 王泽岚, 李吉光, 门秀琴, 刘万毅. 多层组装聚苯胺@硅磁复合物的制备及对磺酸基染料的选择性吸附[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(10): 2253.
[12]	张龙, 万晓娜, 段文静, 秋虎, 后洁琼, 王晓瑞, 李慧, 杜雪岩. Fe₃O₄@聚吡咯@聚苯胺核壳结构的制备及吸波性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(1): 185.
[13]	吕晓静, 于朋飞, 欧阳密, 钱亮, 闫拴马, 金晓强, 张诚. 石墨烯-ITO复合电极对聚苯胺薄膜电致变色性质的影响[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(4): 694.
[14]	李学航, 俞慧涛, 王伟仁, 布林朝克, 辛国祥, 张邦文. 自支撑三维功能化石墨烯/聚苯胺电极材料的制备及超级电容性能[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(12): 2306.
[15]	张博媛, 郭朝霞, 于建. 玻璃纤维对碳纳米管填充聚合物/热塑性聚氨酯共混体系导电性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(6): 1216.