Studies on the Preparation and Characterization of Polyaniline-encapsulated Fe3O4 particles

本研究之目的為合成聚苯胺包覆四氧化三鐵(PAni-encapsulated Fe3O4)顆粒。首先，以共沉法合成Fe3O4磁性流體，在反應終了後加入月桂酸(lauric acid)作為懸浮劑；經過反覆洗滌與磁場分離後，加入十二烷基磺酸鈉(SDS)作為聚苯胺合成之模板進行原位聚合反應(in-situ polymerization)。 實驗中以FT-IR、UV-Vis及XRD鑑定聚苯胺與四氧化三鐵之結構，並證明兩者間的作用力；以TGA、DSC與TEM、SEM分別鑑定其熱性質與微觀型態；以超導量子干涉磁量儀與四點探針法量測導磁與導電性。 以此方法所得到的聚苯胺包覆四氧化三鐵懸浮液兼具導電與導磁特性。以聚胺酯作為高分子基材，將經過離心、冷凍乾燥程序的複合粒子粉末與其摻混製成膜材，從事電/磁場屏蔽(100~1000MHz)以及電磁波吸收(2~18GHz)測試。結果發現其效果不若預期，原因包括兩者的合成條件互相抵觸，以及介面活性劑的添加量限制了其應用性等。未來若能自本研究之概念出發，從其他合成機制著手，或以其他的導電高分子取代聚苯胺，也許就能排除這些不利因素，得到具實際應用性的導電/導磁複合材料。The aim of this study is to synthesize polyaniline-encapsulated Fe3O4 particles. At first, Fe3O4 ferromagnetic fluid is synthesized by oxidation co-precipitation method, and lauric acid is added into the fluid as emulsifier after reaction. After repeated washing and magnetic separation, SDS is added into the reacting system as templates for in-situ polymerization of polyaniline (PAni). The structure of PAni and polyurethane and the interaction between Fe3O4 and PAni is characterized by FT-IR, UV-Vis spectroscopy and XRD. Furthermore, TGA, DSC, TEM, and SEM are used to analyze thermal properties and morphology of these products, respectively. The magnetic and conductive properties are analyzed by superconducting quantum interference device magnetometer and by the four-probe method. Electric/magnetic field shielding (100~1000MHz) and electro-magnetic wave absorbing (2~18GHz) effectiveness is evaluated by blending these composites with polyurethane resin. However, due to the adverse effect of surfactants and the limited reaction conditions, the products show unexpectedly poor effectiveness. This research leaves open the possibility that the concept of conducting polymer/ ferromagnetic particles combination can be carried out by other mechanisms. If so, its applicability to electromagnetic wave absorption may be accomplished.摘 要 I ABSTRACT II 目 錄 III 圖索引 VI 表索引 X 第一章 緒論 1 第二章 文獻回顧與理論基礎 2 2-1磁性流體的原理及應用 2 2-1-1磁性流體的源起及發展 2 2-1-2磁性流體之組成、特性及應用 3 2-2導電高分子—聚苯胺 5 2-2-1導電高分子源起及發展 5 2-2-2摻雜原理 7 2-2-3聚苯胺之組成、特性及應用 8 2-2-4十二烷基磺酸鈉(SDS)水溶液中的聚苯胺聚合反應 12 2-3電磁波屏蔽材料 15 2-3-1電磁干擾 15 2-3-2電磁波遮蔽與吸收材料 15 2-3-3微波吸收的原理 21 2-3-4微波吸收材的製作與設計 23 2-3-5磁性粒子與高分子基材摻混之微波吸收材原理 24 2-3-6吸收頻率介於2~18GHz之間的微波吸收材料 26 2-3-7四氧化三鐵(Fe3O4)於吸波材料之應用 28 2-3-8聚苯胺(Polyaniline)於吸波材料之應用 29 2-4聚胺酯 31 第三章 實驗方法 33 3-1實驗藥品 33 3-1-1四氧化三鐵部分 33 3-1-2聚苯胺部份 33 3-1-3聚胺酯部份 34 3-2實驗設備 35 3-3實驗流程 40 3-3-1實驗總流程 40 3-3-2奈米四氧化三鐵(Fe3O4)磁性流體之製備 41 3-3-3聚苯胺包覆四氧化三鐵(PAni-encapsulated Fe3O4)顆粒之製備 42 3-3-4聚苯胺包覆四氧化三鐵/聚胺酯(PU)摻合樹脂膜之製備 43 3-4實驗步驟 45 3-4-1奈米四氧化三鐵(Fe3O4)之製備 45 3-4-2聚苯胺包覆四氧化三鐵(PAni-encapsulated Fe3O4)顆粒之製備 45 3-4-3聚苯胺包覆四氧化三鐵/聚胺酯(PU)摻合樹脂溶液之製備 46 3-4-4聚苯胺包覆四氧化三鐵/聚氨酯(PU)摻合樹脂皮膜之置備 46 3-5分析測試技術 47 3-6實驗代號說明 51 3-6-1四氧化三鐵(Fe3O4)-聚苯胺(polyaniline)複合微粒 51 3-6-2 四氧化三鐵(Fe3O4)-聚苯胺(PAni)/聚氨酯(PU)樹脂皮膜 52 第四章 結果與討論 53 4-1第一部分：四氧化三鐵磁性流體 53 4-1-1 X射線繞射儀分析(XRD) 53 4-1-2穿透式電子顯微鏡分析(TEM) 54 4-2第二部分：聚苯胺包覆四氧化三鐵顆粒 56 4-2-1傅立葉紅外線光譜鑑定(FT-IR spectrometer) 56 4-2-2紫外光-可見光譜鑑定(UV-Vis spectrometer) 56 4-2-3 X射線繞射儀分析(XRD) 58 4-2-4熱重損失分析儀分析(TGA) 58 4-2-5導電性質測試(four-probe method) 60 4-2-6飽和磁化率測試(SQUID) 63 4-2-7粒徑分析儀測試(Particle Size Analyzer) 63 4-2-8穿透式電子顯微鏡分析(TEM) 64 4-3第三部分：聚苯胺包覆四氧化三鐵顆粒/聚胺酯摻合樹脂膜 65 4-3-1傅立葉紅外線光譜鑑定(FT-IR spectrometer) 65 4-3-2熱重損失分析儀分析(TGA) 66 4-3-3示差掃描熱卡儀分析(DSC) 68 4-3-4介電常數(ε’、ε”)測試 (DEA) 70 4-3-5電磁波屏蔽(1MHz~1GHz)效應測試(Shield Effect Evaluator) 71 4-3-6微波吸收(2~18GHz)效果測試(Network analyzer) 74 4-3-7 掃描式電子顯微鏡分析(SEM) 78 第五章 結論 80 第六章 參考文獻 8