聚噻吩(PTh)是一類導電高分子,聚3,4-乙撐二氧噻吩(PEDOT)是聚噻吩的衍生物之一,具有優(yōu)異的導電性質(zhì)、化學穩(wěn)定性和光學性質(zhì),是目前商業(yè)化應用最為廣泛的導電高分子材料。但由于聚噻吩共軛分子鏈的剛性,其力學性能較差,通常只能作為涂層附著在合適的基底上使用。為了提高PEDOT的力學性能的同時不破壞其電化學性能,我們通過超分子組裝的方法,將剛性的PEDOT和另一種柔性高分子在分子水平上進行組裝,得到了兩種同時具有高強度和高電化學活性的柔性PEDOT復合材料,分別是具有優(yōu)良電容性質(zhì)的PEDOT-PVA(聚乙烯醇)水凝膠和具有濕度響應性的PEDOT/PAA-AMPS(聚丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基并磺酸共聚物)薄膜,并以這兩種PEDOT復合材料為基礎分別制備了高性能的柔性超級電容器和可進行仿生螺旋運動的驅(qū)動器。另一方面,我們利用電化學合成法,在聚噻吩氧化聚合過程中摻雜增塑劑與陰離子表面活性劑,得到高強度高韌性的導電聚乙二醇2000-對甲基苯磺酸鈉-聚噻吩(PEG2000-SPTS-PTh)薄膜,并在此基礎上組裝了具有良好柔性的聚噻吩超級電容器。本論文對設計合成柔性導電高分子復合材料及相...

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【學位級別】：博士

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摘要
ABSTRACT
引言
第1章 聚噻吩的電化學及刺激響應性研究概述
    1.1 PEDOT的發(fā)展與研究
        1.1.1 PEDOT的研究歷史
        1.1.2 PEDOT的化學結(jié)構(gòu)
        1.1.3 PEDOT的合成方法
        1.1.4 PEDOT復合物的平面結(jié)構(gòu)及立體結(jié)構(gòu)
    1.2 超級電容器
        1.2.1 超級電容器的組成
        1.2.2 超級電容器的分類
        1.2.3 超級電容器面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展方向
        1.2.4 導電高分子作為超級電容器活性材料
    1.3 PEDOT在超級電容器領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 聚合方法對于PEDOT比電容值的影響
        1.3.2 聚合條件對于PEDOT比電容值的影響
        1.3.3 表面形態(tài)對PEDOT比電容值的影響
    1.4 刺激響應性材料
        1.4.1 自然界中的響應性運動
        1.4.2 智能響應性材料
        1.4.3 刺激響應性材料
        1.4.4 刺激響應性材料研究進展
    1.5 濕度響應性材料
        1.5.1 利用細菌孢子組裝的濕度響應性驅(qū)動器
        1.5.2 仿生濕度響應性聚吡咯驅(qū)動器
        1.5.3 高分子復合物光控濕度驅(qū)動驅(qū)動器
    1.6 PEDOT在響應性材料領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀
        1.6.1 PEDOT:PSS/PVDF濕度響應性雙層驅(qū)動器
        1.6.2 PEDOT:PSS/PDMS濕度響應性雙層驅(qū)動器
        1.6.3 PEDOT:PSS/PEG濕度響應性雙層驅(qū)動器
    1.7 磁場響應性材料的研究現(xiàn)狀與展望
        1.7.1 磁鐵納米顆粒的結(jié)構(gòu)
        1.7.2 磁鐵納米顆粒的合成方法
        1.7.3 磁鐵納米顆粒的主要應用
    1.8 磁鐵納米顆粒在刺激響應性材料中的應用簡介
        1.8.1 負載磁鐵納米顆粒的可注射形狀記憶水凝膠
        1.8.2 超輕磁性的負載磁鐵納米顆粒的石墨烯壓力響應性彈性體
        1.8.3 形狀記憶的遠程調(diào)控性磁鐵納米顆粒-納菲纖維
    1.9 響應性材料的定向運動
        1.9.1 通過施加外界磁場控制濕度響應性聚吡咯薄膜運動方向
        1.9.2 通過濕度響應性CNP薄膜一端部分保護實現(xiàn)定向運動
        1.9.3 通過在體系中加入纖維結(jié)構(gòu)使薄膜運動具有取向性
    1.10 自然界中的螺旋運動
        1.10.1 黃瓜藤的手性螺旋生長
        1.10.2 豆英的手性螺旋張開
        1.10.3 種子芒的螺旋彎曲運動
        1.10.4 卷柏莖的螺旋彎曲
    1.11 人工合成螺旋運動材料的研究現(xiàn)狀
        1.11.1 通過手性液晶分子得到具有特定運動方向的光熱響應材料
        1.11.2 通過雙層結(jié)構(gòu)的材料得到具有特定形變方式的響應性驅(qū)動器
        1.11.3 通過兩種周期性平行排列的材料得到特定形變方式
    1.12 高強度高韌性聚噻吩的合成及性能研究
        1.12.1 聚噻吩的聚合機理
        1.12.2 聚噻吩摻雜的研究
        1.12.3 聚噻吩超級電容器的研究
    1.13 利用超分子自組裝法提高導電高分子材料的力學性能
第2章 基于PEDOT-PVA水凝膠的柔性超級電容器
    2.1 前言
    2.2 合成PEDOT-PVA水凝膠
        2.2.1 聚合反應機理
        2.2.2 聚合反應步驟
        2.2.3 反應體系的優(yōu)化
    2.3 PEDOT-PVA水凝膠的化學表征
        2.3.1 PEDOT-PVA水凝膠的化學結(jié)構(gòu)
        2.3.2 PEDOT-PVA水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)
        2.3.3 PEDOT-PVA水凝膠的其他表征
    2.4 PEDOT-PVA水凝膠的力學性能
    2.5 PEDOT-PVA水凝膠電化學主要參數(shù)計算
    2.6 PEDOT-PVA水凝膠在三電極體系中的電化學性能
        2.6.1 制備PEDOT-PVA水凝膠電極
        2.6.2 循環(huán)伏安與電化學阻抗曲線
        2.6.3 恒電流充放電曲線
    2.7 組裝PED0T-PVA水凝膠SSC
        2.7.1 制備PVA-Na₂SO₄電解質(zhì)
        2.7.2 制備PEDOT-PVA水凝膠SSC
        2.7.3 PEDOT-PVA水凝膠SSC的電化學性質(zhì)檢測條件
        2.7.4 PEDOT-PVA水凝膠SSC的電壓窗口上限
        2.7.5 PEDOT-PVA水凝膠SSC的電化學穩(wěn)定性
    2.8 總結(jié)
第3章 PPA薄膜的合成及濕度響應性
    3.1 前言
    3.2 合成PPA薄膜
        3.2.1 方法設計
        3.2.2 實驗路線摸索
        3.2.3 合成步驟
        3.2.4 制備濕度響應性薄膜
    3.3 PPA薄膜的化學表征
        3.3.1 紫外光譜
        3.3.2 光學顯微鏡觀察
        3.3.3 PPA薄膜化學結(jié)構(gòu)表征
    3.4 PPA薄膜的力學性能
        3.4.1 PPA薄膜的拉伸性能
        3.4.2 PPA薄膜的承重性能
    3.5 PPA薄膜的濕度響應性現(xiàn)象
        3.5.1 PPA薄膜的濕度響應性現(xiàn)象
        3.5.2 PPA薄膜的濕度響應性運動
    3.6 PPA薄膜的濕度響應性量化
        3.6.1 溫度對濕度響應性運動的影響
        3.6.2 薄膜幾何形狀對濕度響應性運動的影響
        3.6.3 PPA薄膜的靈敏度
    3.7 PPA薄膜濕度響應性的非接觸控制
        3.7.1 PPA薄膜對遠程濕度梯度的響應性現(xiàn)象
        3.7.2 PPA薄膜的蝴蝶狀呼吸運動
        3.7.3 基于PAA濕度響應性的非接觸開關(guān)
    3.8 PPA薄膜的濕度響應性機理推斷
        3.8.1 通過光學顯微鏡觀察PPA薄膜的吸水與失水
        3.8.2 通過紅外光譜檢測PPA薄膜與空氣中的水交換過程
        3.8.3 薄膜響應性機理推斷
    3.9 總結(jié)
第4章 PPA薄膜的定向響應性運動
    4.1 前言
    4.2 磁鐵納米顆粒的合成及表征
        4.2.1 磁鐵納米顆粒的合成原理及反應過程
        4.2.2 磁鐵納米顆粒反應后處理
        4.2.3 磁鐵納米顆粒的化學性質(zhì)表征
    4.3 磁鐵納米顆粒的摻雜及PPA薄膜的磁場-水汽雙應性運動
        4.3.1 摻雜方式的選擇
        4.3.2 摻雜對PPA薄膜化學結(jié)構(gòu)的影響
        4.3.3 磁鐵納米顆粒摻雜量對PPA薄膜方向性運動速度的影響
        4.3.4 磁鐵納米顆粒摻雜量對PPA薄膜濕度響應性翻轉(zhuǎn)頻率的影響
    4.4 PPA薄膜的手性螺旋運動
        4.4.1 PPA薄膜手性運動的發(fā)現(xiàn)
        4.4.2 PPA薄膜手性螺旋運動的量化
    4.5 PPA薄膜手性螺旋運動的機理
        4.5.1 PPA薄膜手性螺旋運動機理的推測
        4.5.2 PPA薄膜手性螺旋運動機理的驗證
        4.5.3 PPA手性螺旋運動的應用
    4.6 總結(jié)
第5章 基于高強度高韌性聚噻吩復合材料的柔性電子器件
    5.1 前言
    5.2 研究方法
        5.2.1 聚噻吩的電化學合成
        5.2.2 聚噻吩的力學性能及結(jié)構(gòu)表征
        5.2.3 聚噻吩的電化學性質(zhì)表征
    5.3 增塑劑及表面活性劑單摻雜對聚噻吩薄膜性能的影響
        5.3.1 增塑劑摻雜對聚噻吩薄膜性能的影響
        5.3.2 表面活性劑摻雜對聚噻吩薄膜性能的影響
    5.4 雙摻雜體系對聚噻吩薄膜性能的影響
        5.4.1 聚乙二醇分子量對聚噻吩薄膜性能的影響
        5.4.2 聚合溫度對聚噻吩薄膜性能的影響
        5.4.3 聚合電壓對聚噻吩薄膜性能的影響
        5.4.4 聚噻吩薄膜的摻雜原理
    5.5 聚噻吩薄膜的化學結(jié)構(gòu)
        5.5.1 聚噻吩薄膜的紅外光譜
        5.5.2 聚噻吩薄膜的拉曼光譜
        5.5.3 聚噻吩薄膜的SEM形貌特征
        5.5.4 聚噻吩薄膜的XRD光譜及拉伸機制
    5.6 聚噻吩薄膜的電化學性質(zhì)
        5.6.1 聚噻吩薄膜柔性導體
        5.6.2 聚噻吩電極的電化學性質(zhì)
        5.6.3 聚噻吩超級電容器的電化學性質(zhì)
    5.7 總結(jié)
第6章 全文總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
參考文獻
附錄一：圖表目錄
附錄二：簡稱及縮寫
致謝
在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文與取得的其他研究成果



本文編號：3777386