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標題: 單分散聚苯乙烯微粒/奈米碳管導電複合材料之製備與物性研究
Preparation and Characterization of Monodispersed Polystyrene Particle/Carbon Nanotube Composites
作者: 陳二強
Chen, Erh-Chiang
關鍵字: 乳化聚合
Monodispersed
單分散
超音波震盪
等溫熱裂解
活化能
複合微粒
核殼結構
導電通路
羧酸化改質奈米碳管
Latex
Nanocomposites
Emulsion polymerization
Isothermal thermal
Degradation kinetics
Activation energy
Self-assembly
Core-Shell structure
Electrical conductivity
出版社: 材料工程學系所
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摘要: 本研究採乳化聚合方式製備粒徑尺寸均一的單分散聚苯乙烯(Polystyrene, PS)乳液微粒。以苯乙烯為反應單體,利用甲醇(油相)並搭配去離子水作為共溶劑,再以陰離子型界面活性劑十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecylsulfate, SDS)作為乳化劑、陰離子型氧化物過硫酸鉀(Potassium presulfate, KPS)作為起始劑,並控制相關條件進行不同尺寸大小、粒徑均一的單分散PS乳液微粒的製備,藉由SEM、TEM的分析結果得知,本研究已可成功製備出粒徑尺寸在100 nm至400 nm 之間的單分散PS乳液微粒。以FTIR、界面電位儀、元素分析儀的結果得知不同尺寸的單分散PS微粒基本化學特性並無特殊的差異。經由DSC與TGA的熱分析鑑定結果,單分散性PS微粒的熱穩定特性及熱裂解活化能值隨著尺寸的上升而稍微下降,推測其原因為不同配方條件導致小尺寸PS微粒的分子量比大尺寸PS微粒還高所導致的些微熱性質差異,但是其熱裂解機制一樣。 本研究另外採用水系及醇系等低環境危害程度的溶劑,進行單分散PS微粒及多壁奈米碳管(Multi-walled carbon nanotubes, MWNT)的摻混處理,利用超音波震盪分散輔助的溶液混合法將PS微粒與MWNT進行混合、再經乾燥、製粉、壓錠成型等程序製備出單分散PS微粒/MWNT導電高分子複合材料。本研究重點在於探討單分散PS微粒與不同MWNT添加量之間的分散情況與導電度變化以及熱穩定性及熱裂解行為等物理性質的表現。從DSC及TGA的實驗結果得知,複材的熱穩定性質隨奈米碳管添加量增加而有上升的趨勢,並且其所需熱裂解活化能亦有些許的提高。複材的導電度亦隨著MWNT添加量的改變而有明顯的提升,從MWNT含量為1.5 wt%的導電度6×10-8 S/cm到添加量為6.5 wt%的4.9×10-4 S/cm。以DMA測量結果發現其動態熱機械性質亦隨著MWNT含量的增加而有明顯的上升,與PS微粒基材相比,6.5 wt%的PS/MWNT導電複材的動態儲存模數提高了114%。另外亦比較100 nm至400 nm等不同尺寸的單分散PS微粒對於MWNT分散在PS微粒基材中的情況與導電度變化,研究中發現大尺寸的單分散PS微粒對於MWNT的分散效果比小尺寸的PS微粒還要好,因此添加等量MWNT所製成PS/MWNT複合材料,大尺寸單分散PS微粒比小尺寸PS微粒有更好的導電特性表現。 由於在研究過程中發現,PS微粒與奈米碳管之間的作用力相對微弱,因此本研究另外探討以單分散PS微粒作為核心模版,在1M的HCl溶液中,由於單分散PS微粒表面帶有負電荷,因此會吸引帶有正電荷的苯胺離子吸附在PS微粒表面,再藉由添加氧化起始劑使苯胺離子聚合成導電高分子聚苯胺(Polyaniline, PANI)薄層。實驗中探討不同苯胺濃度比例所形成的聚苯胺披覆層對核心PS微粒的性質影響,以及該複合微粒的導電特性,期許導電高分子複材能有更好的導電性。由SEM及TEM分析結果得知帶負電位的單分散PS球表面確實披覆上PANI導電層並且形成核殼結構微粒,而且隨著PANI比例的增加,PANI薄層厚度亦隨之增加,並使其膜層產生類似松果般的鋸齒狀形貌。而在導電度的量測上亦發現披覆上PANI薄膜的複合微粒具有很好的導電特性,最佳導電度可以達到3 S/cm左右。另外亦對該複合微粒進行熱性質分析及等溫熱裂解活化能計算,由實驗結果均發現複合微粒的熱性質隨著PANI比例的增加皆產生提升的趨勢,顯示出PANI薄層對於PS核心微粒亦扮演著熱保護層的角色。 由於披覆上PANI導電層的PS複合微粒,如預期般擁有較佳的導電特性,因此再經由溶液混合方式額外添加1~3 wt%的羧酸化改質奈米碳管(c-MWNT)於不同單分散粒徑的PS/PANI複合微粒中,觀察c-MWNT是否能在導電性質上作進一步的提升。從實驗結果中發現額外添加1~3wt%的c-MWNT於大尺寸的PS/PANI複合微粒中,其對導電度的提升已經不明顯,推測是由於導電性PANI薄膜已在複材中形成良好的導電通路。另外在小尺寸的PS/PANI複合微粒中,添加1~3wt%的c-MWNT對導電度的提升則有明顯效果,顯示c-MWNT彌補了在PS微粒表面披覆不完全的導電性PANI薄膜,使其複材具有更好的導電通路而使得導電度明顯的上升。
URI: http://hdl.handle.net/11455/11265
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