聚硅烷/碳纳米管导电高分子材料合成、表征及结构与性能关系研究

基于σ电子导电的聚硅烷和基于π电子导电的碳纳米管都是当前材料学的研究热点，将二者有机结合起来有望开发出性能更佳的新型导电高分子材料。本项目拟通过共价键将聚硅烷接枝到碳纳米管上和通过非共价键将聚硅烷与碳纳米管复合在一起，制备出新型聚硅烷/碳纳米管σ-π共轭导电高分子材料。研究过程中，综合运用材料学、化学与物理学的相关知识，对聚硅烷/碳纳米管导电高分子材料进行理论和实验研究，将实验与理论有机结合起来：一方面通过理论计算预测出部分具有窄带隙稳定性高的此类材料的最佳组合，指导实验并解释实验现象；另一方面用实验验证理论，并结合理论计算结果提出导电机理，讨论结构与导电性能之间的关系。这将为我国在研发具有硅材料和碳纳米管共同优点的导电材料方面作出前瞻性工作。

本课题利用Wurtz法合成了两大类30余种聚硅烷，并对实验条件进行了优化，研究结果表明，助剂的引入及超声技术的使用均有利于聚硅烷的制备。在实验前对市售的多壁碳纳米管进行了纯化。.采用化学接枝和物理共混两种手段进行聚硅烷与碳纳米管之间的复合。.化学接枝法分为桥连法、羟基化法和叠氮化法。在桥连法中，分别使用对苯二酚和对氨基苯酚作为桥连化合物，通过它们将硅烷单体接枝到碳纳米管表面，再经Wurtz法使硅烷单体发生聚合，得到碳纳米管-酚-聚硅烷复合材料。在羟基化法中，首先对碳纳米管进行羟基化处理，然后以羟基作为活性点，将硅烷单体接枝到碳纳米管表面，进一步以Wurtz法使硅烷单体发生聚合，得到碳纳米管-聚硅烷复合材料。以上两种均属于Grafting-From法。叠氮化法则属于Grafting-To法，首先制备聚硅烷，并将其叠氮化，生成带有叠氮基的聚硅烷，然后将其接枝到碳纳米管表面，得到最终复合材料。.物理共混法分为原位聚合法和溶剂共混法。原位聚合法中制备得到了一系列线性聚硅烷/碳纳米管复合材料以及三大类超支化聚硅烷/碳纳米管复合材料。溶剂共混法中筛选出了四种较为适宜的有机溶剂：THF、DMF、甲苯、丙酮，从而制备得到了一系列聚硅烷包覆的碳纳米管复合材料。.本课题共制备各种不同方法、不同组成、不同配比的聚硅烷/碳纳米管复合材料约50种。并对其进行了结构表征和相应的性能测试。测试结果表明，碳纳米管的加入提高了聚硅烷/碳纳米管复合材料的导电性。同时，聚硅烷/碳纳米管复合材料在聚乙烯等高分子材料中分散性较纯碳纳米管也得以提高。.理论研究了杂原子掺杂对聚硅烷几何结构、电子结构和输运性质的影响，研究结果表明B掺杂、P掺杂后体系的导电性明显增强并表现出了很强的负微分电阻（NDR）效应，这是与实验结果相符合的，同时还解释了实验上为什么能够得到稳定性很强的B、P掺杂的聚硅烷纳米导线。计算结果表明B、P共掺杂后出现明显的整流效应。.理论考察了聚硅烷与碳纳米管共聚后的结构与性能的关系。结果发现聚硅烷与碳纳米管共聚后的导电性明显强于聚硅烷，但聚硅烷的长度对导电性有明显的影响，同时还能引入NDR效应。另外还理论研究了聚硅烷与其它π共轭体系共聚后的电子结构与导电性关系。