輔仁大學
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| 記錄編號 | 6267 |
|---|---|
| 狀態 | NC094FJU00065021 |
| 助教查核 | |
| 索書號 | |
| 學校名稱 | 輔仁大學 |
| 系所名稱 | 化學系 |
| 舊系所名稱 | |
| 學號 | 493336185 |
| 研究生(中) | 謝嘉鴻 |
| 研究生(英) | Hsieh Chia-Hung |
| 論文名稱(中) | 聚苯胺-DBSA／聚壓克力酸摻合材料之製備與其物理性質研究 |
| 論文名稱(英) | Study of preparation and physical properties of polyaniline-DBSA/polyacrylic acid (PANI-DBSA/PAA) blends |
| 其他題名 | |
| 指導教授(中) | 李選能 |
| 指導教授(英) | Lee Sung-Nung |
| 校內全文開放日期 | 不公開 |
| 校外全文開放日期 | 不公開 |
| 全文不開放理由 | |
| 電子全文送交國圖. | 同意 |
| 國圖全文開放日期. | 2008.07.06 |
| 檔案說明 | 電子全文 |
| 電子全文 | 01 |
| 學位類別 | 碩士 |
| 畢業學年度 | 94 |
| 出版年 | |
| 語文別 | 中文 |
| 關鍵字(中) | 高介電常數 奈米粒子 臨界微胞濃度 界面活性劑 |
| 關鍵字(英) | high dielectric constant nano-composite critical micelle concentration surfatant |
| 摘要(中) | Polyaniline-Dodecylbenzenesulfonic acid/ Polyacrylic acid (PANI -DBSA /PAA)摻合材料為本研究主要探討的複合材料。本實驗室過去的研究發現，此複合材料擁有非常高的介電常數，對於發展高介電有機物質為基材製作積體電容器，是很好的選擇。然而，此複合材料的製程以及特性探討有不少困擾疑惑著吾等研究人員，主要有：第一，材料性質再現性差；第二，理論和觀察似無一致性。 在本研究中，首先去除了過去合成步驟中所必須添加的DMAc( N, N-dimethylacetamide) － PAA助溶劑，成功解決了材料於空氣中快速吸濕沾黏的困擾。此外，藉由改變材料製程中機械攪拌的轉速，指出材料均勻度對電學性質潛在的影響：於實驗結果可以觀察到，在機械攪伴轉速為150 RPM時，其εr為最高(PANI -DBSA /PAA為30%，εr~57,000)；轉速太慢將導致PANI-DBSA奈米粒子分佈不均，進而造成高介電損失以及所測得的電導度居高；轉速太快對均勻度已達物理上限，實無太大意義，且將導致材料發泡膨脹，造成後續元件製作上困擾。最後，DBSA的使用莫爾比相對於aniline及其在反應溶液中的濃度，將直接影響PANI的摻雜程度，甚至型態(morphology)上的差異。aniline/DBSA莫耳比值為1.00時以及接近DBSA的臨界微胞濃度(critical micelle concentration，CMC；以此類陰離子型介面活性劑而言，通常為0.02 M )是比較恰當的。 不同比例的PANI -DBSA /PAA摻合材料，透過阻抗分析儀來了解PANI的電傳導機制，以解釋此摻合材料的介電行為。藉由熱分析以及場發射掃描式電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)觀察研究熱性質和形態學上的變化。本研究成功於複合材料中輕易觀察到PANI-DBSA奈米粒子的分佈，在PANI -DBSA /PAA比例為25%甚至觀察到微觀上的勻相分散，其粒子大小為15~25 nm，接近過去文獻中以小角度X-ray繞射儀(Small angle X-ray)所得到18.7 nm平均直徑。有別於過去的臆測，也回應了當初為此複合材料的高介電特性所提出的模型。此類新穎的SEM型態為過去文獻所罕有，必存相當程度之技術瓶頸，足見其重要性。 |
| 摘要(英) | A high dielectric constant nano-composite of polyaniline, PANI-DBSA/PAA, has been synthesized by using the technique of in-situ polymerization of aniline in an aqueous dispersion of poly(acrylic acid)(PAA) in the presence of dodecylbenzenesulfate(DBSA). The water-soluble PAA serves as a suspension agent and its carboxylic acid group participated in forming micelle structure with DBSA-anilinium complex. SEM micrograph confirms that their composite consists of numerous nano-scale PANI grains(ca. 15~25nm) evenly distributed within the PAA matrix. The high dielectric attributed to the accumulation of this tiny capacitors. In this study, a number of factors that can effect the outcomes of this synthesis work are investigated, which includes the molar ratio of aniline to DBSA, the molar ratio of aniline-DBSA to PAA, the formation of DBSA micelles, as well as the blending speed used in the in-situ polymerization process. The extra ordinary dielectric behaviors of this PANI-DBSA/PAA composite renders it an ideal prototype material to study the mechanism of metal-insulator transition in the conductive polymer composites. |
| 論文目次 | 目錄 Abstract.............................................I 中文摘要..............................................II 目錄..................................................IV 表索引................................................V 圖索引................................................VI 第一章 緒論..........................................1 1-1 前言................... ......................1 1-2 研究目的.......................................4 第二章 文獻回顧.......................................5 2-1 導電性高分子....................................5 2-1-1 導電性高分子的導電原理...........................5 2-1-2 導電性高分子的種類...............................9 2-1-3 導電性高分子聚苯胺...............................10 2-1-4 聚苯胺的合成....................................11 2-1-5 聚苯胺儲存電荷的機制.............................12 2-1-6 聚苯胺之性質....................................13 2-2 介電行為........................................14 2-2-1 電容............................................14 2-2-2 極化的型態.......................................16 2-2-3 介電常數的頻率相依性..............................17 2-2-4 介電強度.........................................18 2-2-5 介電材料.........................................18 2-2-6 材料的其他電學性質介電材料.........................19 2-3 乳化聚合法........................................20 2-3-1 乳化聚合反應......................................21 2-3-2 界面活性劑........................................23 2-3-3 微胞的形成(micellization) ........................25. 2-3-4 表面張力的測定.....................................26 第三章 實驗部分..........................................28 3-1 實驗藥品..........................................28 3-2 儀器設備..........................................28 3-3 實驗方法..........................................29 3-3-1 傳統聚合方法部分...................................29 3-3-2 改良式聚合方法部分..................................31 3-3-2-1 溶液混合法的改良....................................32 3-3-2-2 原位聚合法的改良....................................35 3-3-3 電性測試元件製作....................................36 3-3-4 場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)測試...................38 3-3-5 熱重分析儀(TGA)測試.................................39 第四章 結果與討論.........................................40 4-1 傳統聚合方法........................................41 4-1-1 改變機械攪拌轉速....................................41 4-1-2 改變DBSA/aniline的莫耳比值..........................42 4-2 改良式聚合方法......................................45 4-2-1 有機相製備PANI-DBSA反微胞溶液........................47 4-2-2 水相製備PANI-DBSA微胞溶液............................49 第五章 結論...............................................55 參考文獻....................................................57 表索引 表2-1 導電性高分子的結構及導電度............................6 表2-2 鹼式中間氧化態聚苯胺之紅外線吸收光譜...................13 表2-3 各材料之介電常數與強度...............................15 表4-1 (50,100,150,200,250,300)RPM ×20%在不同電場頻率下之(a)介電常數； (b)介電損失；(c)tanδ；(d)導電度在固定轉速下各個成分的使用量.....61 表4-2 固定機械攪拌轉速(150 RPM)，不同DBSA/aniline莫耳比值(分別為2.00、1.33、1.00、0.80、0.67、0.57)，在不同電場頻率下之(a)介電常數；(b)介電損失；(c)tanδ；(d)導電度.........................................64 表4-3 各比例於CMC(0.02 M )所需水使用量(ml) ................81 圖索引 圖1-1 In-situ polymerization示意圖.........................2 圖1-2 兩種以上高分子進行?混的方法............................3 圖2-1 導體與絕緣體的導電度比較圖..............................5 圖2-2 絕緣體、半導體、導体的能隙示意圖.........................7 圖2-3 導電高分子聚乙炔合成前後的能隙圖.........................7 圖2-4 導電高分子在摻雜前後的能隙示意圖.........................8 圖2-5 聚苯胺電荷儲存機制.....................................12 圖2-6 平?板電容器(a)真空時；(b)當有介電材?出現時..............15 圖2-7 (a)電子極化仍藉由電場使原子的電子雲扭轉；(b)離子極化是離子電荷對應於電場相對性位移之結果；(c)永久電偶極(箭頭)於外加電場下的反應，所產生的取向性極化..........................................................17 圖2-8 偶極取向(a)交互電場的極性;(b)逆向極性....................18 圖2-9 介電常數隨交互電場的頻率改變.............................18 圖2-10 鈦酸鋇的單位細胞(a)於一等角投影; (b)觀察一面顯示Ti4+和O2-離子的位移遠離面心.....................................................20 圖2-11 界面活性劑之構造及分類.................................23 圖2-12 界面活性劑之水溶液.....................................24 圖2-13 水之表面張力..........................................24 圖2-14 界面活性劑於水溶液中的溶解狀態..........................25 圖2-15 各種微胞的形狀........................................26 圖2-16 界面活性劑水溶液於臨界微胞濃度附近之物性變化..............26 圖2-17 界面活性劑在水溶液中隨濃度改變之相圖.....................27 圖2-18 (a)純界面活性劑；(b)含雜質之不純界面活性劑之表面張力曲線圖.27 圖3-1 DBSA於不同相中形成微胞示意圖.............................33 圖3-2 改良式SM聚合法之實驗裝置圖..............................34 圖3-3 阻抗分析儀.............................................38 圖4-1 (50,100,150,200,250,300)RPM ×20%在不同電場頻率下之(a) 介電常數；(b)介電損失..................................................62 圖4-1 (50,100,150,200,250,300)RPM ×20%在不同電場頻率下之(c) tanδ；(d)導電度.........................................................63 圖4-2 固定機械攪拌轉速(150 RPM)，不同DBSA/aniline莫耳比值(分別為2.00、1.33、1.00、0.80、0.67、0.57)，在不同電場頻率下之(a)介電常數；(b)介電損失...........................................................65 圖4-2 固定機械攪拌轉速(150 RPM)，不同DBSA/aniline莫耳比值(分別為2.00、1.33、1.00、0.80、0.67、0.57)，在不同電場頻率下之(c)tanδ；(d) 導電度...........................................................66 圖4-3 當DBSA微胞之間充斥摻雜程度較差的聚苯胺(EB)，使得電荷無法輕鬆跳躍以傳遞電荷.........................................................67 圖4-4 (a) PANI-DBSA放大10萬倍之SEM圖；(b)純 PAA 放大5萬倍之SEM圖...........................................................68 圖4-5 (a)4% (b) 5% PANI-DBSA/PAA放大10,000倍之SEM圖..........69 圖4-5 (c) 6% (d) 7% PANI-DBSA/PAA放大10,000倍之SEM圖.........70 圖4-5 (e) 8% (f) 9%PANI-DBSA/PAA放大10,000倍之SEM圖..........71 圖4-5 (g) 10% (h) 11% PANI-DBSA/PAA放大10,000倍之SEM圖.......72 圖4-6 PANI-DBSA/PAA比例為9%的摻合材料放大50,000倍的之SEM圖...........................................................73 圖4-7 介觀範圍（mesoscopic range）與定域化體系.................73 圖4-8 不同含量PANI- DBSA/PAA在不同電場頻率下之(a)介電場數(b)介電損失...................................... .....................74 圖4-8 不同含量PANI- DBSA/PAA在不同電場頻率下之(c)tanδ；(d)導電度...........................................................75 圖4-9 不同含量PANI- DBSA/PAA之導電度作圖......................76 圖4-10 PANI-DBSA/PAA之熱重損失分析圖(改良式簡單容易混合方法) .........................................................77 圖4-11 改良式原位聚合方法示意圖................................76 圖4-12 (a)、(b)同為水相乳化(25 ml水)，15% PANI-DBSA/PAA放大20,000倍之SEM圖...........................................................78 圖4-13 水相乳化(25 ml水)，25% PANI-DBSA/PAA (a)放大10,000倍、(b) 放大30,000倍之SEM圖..............................................79 圖4-14 水相乳化(70ml水)，25% PANI-DBSA/PAA，放大30,000倍之SEM圖：(a)原尺寸大小；(b)局部放大且經由色彩對換處理............................80 圖4-15 水相乳化(100ml水)，40% PANI-DBSA/PAA放大30,000倍之SEM圖...........................................................81 圖4-16 DBSA/PAA放大20,000倍之SEM圖...........................82 圖4-17 水相乳化(25ml水)，15% PANI-DBSA/PAA放大1,000倍之SEM圖...82 圖4-18 PAA分子量對水相使用量的分析圖...........................83 圖4-19 水相乳化(25ml水)，不同含量PANI- DBSA/PAA在不同電場頻率下之(a)介電場數(b)介電損失.................................................84 圖4-19 水相乳化(25ml水)，不同含量PANI- DBSA/PAA在不同電場頻率下之(c)tanδ；(d) 導電度..............................................85 圖4-20 酸摻雜程度對PANI分子團極性的影響.........................83 圖4-21 傳統ISP可能的反應模型(水為minor)........................86 圖4-22 水相乳化可能的反應模型(水為major).......................86 圖4-23 PANI-DBSA/PAA之熱重損失分析圖(改良式原位聚合方法) .......87 |
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| 論文頁數 | 87 |
| 附註 | |
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