导电材料聚苯胺
导电聚苯胺的制备方法及应用

导电聚苯胺的制备方法及应用一、导电聚苯胺的概述导电聚苯胺(conductive polyaniline)是一种具有导电性的聚合物材料,具有良好的导电性、可调控性和化学稳定性的特点。
它可以通过一系列的化学方法进行合成,而且在能源存储、传感器、光电器件等领域具有广泛的应用前景。
二、导电聚苯胺的制备方法导电聚苯胺可以通过化学氧化聚合法、电化学聚合法和生物法等多种方法进行制备。
2.1 化学氧化聚合法化学氧化聚合法是导电聚苯胺制备的主要方法之一。
通常使用苯胺(aniline)作为单体,氧化剂作为引发剂。
具体步骤如下: 1. 在室温下将苯胺溶解在酸性或碱性溶液中; 2. 慢慢加入氧化剂,使苯胺氧化为导电聚苯胺; 3. 继续搅拌和加热,使反应进行完全; 4. 过滤、洗涤、干燥得到导电聚苯胺。
2.2 电化学聚合法电化学聚合法是另一种常用的导电聚苯胺制备方法。
具体步骤如下: 1. 准备电解槽,其中包含两个电极(工作电极和对电极)和电解质溶液; 2. 将苯胺溶液加入电解槽,以工作电极为阳极,在一定电位下进行电解; 3. 通过对电极吸引氧化的苯胺阳离子,使其在工作电极上还原为导电聚苯胺; 4. 继续电解一段时间,直到得到所需的导电聚苯胺。
2.3 生物法生物法是一种新兴的导电聚苯胺制备方法,利用微生物和酶的活性来实现聚合反应。
具体步骤如下: 1. 首先选择一种能够催化聚苯胺聚合的微生物或酶; 2. 将微生物或酶与苯胺和氧化剂一起共同反应,使聚苯胺在微生物或酶的催化下形成; 3. 继续培养和培育微生物或酶,使产物得到进一步优化。
三、导电聚苯胺的应用领域导电聚苯胺在各个领域都有广泛的应用,以下列举了其中的几个典型应用领域。
3.1 能源存储领域导电聚苯胺作为一种具有导电特性和化学稳定性的聚合物材料,可用于高性能电池、超级电容器等能源存储设备的制备。
它可以作为电极材料,提高电池的电导率和储能密度。
3.2 传感器领域导电聚苯胺具有灵敏度高、响应速度快的特点,在生物传感器、化学传感器等领域有广泛应用。
导电聚苯胺的合成结构性能和应用

导电聚苯胺的合成结构性能和应用导电聚苯胺的合成方法分为化学氧化法和电化学氧化法。
化学氧化法主要是通过化学还原剂将苯胺单体氧化为导电聚合物。
常用的还原剂有过硫酸铵、过硫酸亚铁等。
电化学氧化法则是通过在电解质溶液中施加电压,将苯胺单体氧化为导电聚合物。
这两种方法都能较好地控制导电聚苯胺的结构和性能。
导电聚苯胺的合成结构性能与其氧化还原态有着密切的关系。
导电聚苯胺的氧化态(阳离子形式)具有氧化态-氧化反应的特性,能够导电,而还原态(中间形态)则失去导电性。
导电聚苯胺的导电机制主要是通过还原/氧化反应而发生的电子转移,导电性能较好。
此外,导电聚苯胺的导电性能还与其晶体结构和分子排列方式有关。
导电聚苯胺的应用领域广泛。
首先,由于其导电性能良好,可以用于电池和超级电容器等电子器件的电极材料。
导电聚苯胺作为电极材料能够提高电子传输效率,增强电池和超级电容器的储能性能。
其次,导电聚苯胺还可用于导电涂料、导电橡胶、导电纤维等领域。
导电聚苯胺能够在基体上形成导电网络,提高材料的导电性能。
最后,导电聚苯胺还可应用于传感器和光电器件等领域。
导电聚苯胺具有较好的敏感性和稳定性,能够用于制备各种传感器,如气体传感器、湿度传感器和生物传感器。
导电聚苯胺还可以用于制备有机太阳能电池和光电显示器等光电器件。
综上所述,导电聚苯胺作为一种具有导电性能和多样化应用的聚合物材料,其的结构性能和应用具有重要意义。
导电聚苯胺的合成方法简单,能够通过控制氧化还原态调节其导电性能。
导电聚苯胺的应用广泛,可用于电子器件、涂料、传感器和光电器件等领域。
随着对导电聚苯胺研究的不断深入,其在材料科学和应用领域的潜力将得到更大的挖掘和应用。
聚苯胺综述

聚苯胺综述1、引言导电高分子材料也称导电聚合物,其分子是由许多小的、重复出现的结构单元组成,即具有明显聚合物特征;若在材料两端加上一定电压,在材料中有电流通过,即具有导电的性质。
同时具备上述两条性质的材料,称为导电聚合物。
虽然都是导电体,但导电聚合物和常规金属导电体不同。
前者属于分子导电物质,后者是金属晶体导电物质。
因此,其结构和导电方式都不同。
高分子导电材料包括结构型高分子导电材料和复合型高分子导电材料两大类。
结构型导电高分子材料又称本征导电高分子,是指聚合物获得导电性能不是通过加入导电性物质,而是由其本身结构带来的。
如掺杂后的导电高分子聚合物:聚乙炔(PAc)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)、聚苯胺(PAn)、聚苯乙烯撑(PPV)等,这类聚合物大多是具有共轭π键结构的结晶聚合物,共轭双键可以通过电子转移的氧化还原反应变成高分子离子。
复合型导电高分子材料是将各种导电性物质(高效导电粒子或导电纤维)通过分散、层合、涂敷等工艺填充到聚合物基体中。
2、聚苯胺由于导电聚合物具有良好的电学、光学以及氧化还原特性在近20年里一直备受关注,在能源、电磁屏蔽和电致变色等领域有着广阔的前景。
自从1984年MacDiarmid在酸性条件下由苯胺单体获得具有导电性聚合物,聚苯胺已成为现在研究进展最快的导电聚合物之一。
原因在于聚苯胺具有以下诱人的独特优势:a)原料易得,合成简单;b)具有优良的电磁微波吸收性能、电化学性能、化学稳定性及光学性能;c)独特的掺杂现象;d)高的电导率;e)拥有良好的环境稳定性[1,2]。
聚苯胺被认为是最有希望在实际中得到应用的导电高分子材料。
以导电聚苯胺为基础材料,目前正在开发许多新技术,例如电磁屏蔽技术、抗静电技术、船舶防污技术、隐身技术、全塑金属防腐技术、太阳能电池、电致变色、传感器元件、二次电池材料、催化材料和防腐材料[3~11]。
3、聚苯胺的结构聚苯胺有多种结构,这是由反应条件决定的,它们之间的转化关系如下[12,13]:其中,聚苯胺最重要的存在形式是翠绿苯胺(EM,emeraldine),它具有导电性,通常可以在酸性条件下(如盐酸)通过化学氧化法制得,如果氧化剂过量,翠绿苯胺就被氧化成全氧化态聚苯胺(PNB,blue protonated pernigraniline),这种形态的聚苯胺可能具有导电性。
聚苯胺的紫外吸收峰

聚苯胺的紫外吸收峰聚苯胺是一种重要的合成高分子材料,具有良好的导电性和光学性能。
而其紫外吸收峰,则是聚苯胺特性的重要体现之一。
下面我们将从多个方面详细介绍聚苯胺的紫外吸收峰。
一、聚苯胺的基本特性聚苯胺,又称为多苯胺,是一种有机高分子材料,具有很多优异性质,如电化学特性、光学特性、生物活性等。
作为一种半导体材料,它具有较好的导电性和导热性,可广泛应用于电子、光电子、化学传感器等领域。
二、聚苯胺的紫外吸收峰特性聚苯胺在紫外-可见光谱区域内有一个明显的吸收峰,其波长范围集中在250-350纳米之间,最大吸收波长为291纳米左右。
这是由聚苯胺分子内部的π-π*电子跃迁引起的。
这一特性不仅是聚苯胺的物理特性表现,也是在制备聚苯胺材料时进行光谱分析的重要手段之一。
三、聚苯胺的紫外吸收峰分析方法对聚苯胺的紫外吸收峰进行分析有不同方法,如常规分光光度法、荧光光谱法、循环伏安法等。
其中常规分光光度法是比较常用的方法,其基本原理是通过对不同波长的光线透过样品后的吸收情况进行检测,以得到不同波长下的吸收峰谱图,进而分析样品的成分和结构等。
四、聚苯胺的应用前景聚苯胺作为一种有广泛应用前景的高分子材料,其紫外吸收峰的研究和应用具有重要的意义。
目前,聚苯胺已经应用于涂层、传感器、锂离子电池等领域。
未来,随着科技的不断发展和对新材料的需求不断增加,相信聚苯胺的应用前景也会愈发广泛。
综上所述,聚苯胺的紫外吸收峰是这一高分子材料的重要特性之一,对于探究其物理、化学、生物等特性具有重要意义。
同时,针对聚苯胺的紫外吸收峰进行分析,不仅可为其制备和应用提供重要依据,也是对其性质研究的基础之一。
《聚苯胺导电水凝胶的制备及其在柔性电极中的应用》

《聚苯胺导电水凝胶的制备及其在柔性电极中的应用》一、引言随着科技的发展,柔性电子设备逐渐成为人们日常生活的重要组成部分。
其中,柔性电极作为柔性电子设备的关键组成部分,其性能的优劣直接决定了设备的使用效果。
近年来,聚苯胺导电水凝胶作为一种新型的柔性电极材料,因其优异的导电性能、良好的柔韧性和生物相容性而备受关注。
本文将介绍聚苯胺导电水凝胶的制备方法及其在柔性电极中的应用。
二、聚苯胺导电水凝胶的制备聚苯胺导电水凝胶的制备主要采用化学氧化聚合法。
具体步骤如下:1. 将苯胺单体与适当的掺杂剂(如硫酸)混合,制备出苯胺溶液。
2. 在一定温度下,向苯胺溶液中加入氧化剂(如过硫酸铵),引发苯胺单体的聚合反应。
3. 通过控制反应条件(如温度、时间、掺杂剂和氧化剂的浓度等),使聚苯胺形成水凝胶状结构。
4. 对制备出的聚苯胺导电水凝胶进行清洗、干燥等后处理,以提高其性能。
三、聚苯胺导电水凝胶的性能聚苯胺导电水凝胶具有优异的导电性能、良好的柔韧性和生物相容性。
其导电性能主要来源于聚苯胺的共轭结构,使得电子能够在分子链上自由移动。
同时,水凝胶状结构使得聚苯胺导电水凝胶具有良好的柔韧性和生物相容性,能够适应各种复杂的形状和弯曲程度,且对人体无害。
四、聚苯胺导电水凝胶在柔性电极中的应用聚苯胺导电水凝胶在柔性电极中的应用主要体现在以下几个方面:1. 制备方法简单:聚苯胺导电水凝胶可以通过简单的化学氧化聚合法制备,成本低廉,易于规模化生产。
2. 柔韧性好:聚苯胺导电水凝胶具有良好的柔韧性,能够适应各种复杂的形状和弯曲程度,适用于制备柔性电极。
3. 导电性能优异:聚苯胺导电水凝胶具有优异的导电性能,能够满足柔性电极的高导电要求。
4. 生物相容性好:聚苯胺导电水凝胶对人体无害,可用于制备与人体直接接触的柔性电极。
五、结论聚苯胺导电水凝胶作为一种新型的柔性电极材料,具有优异的导电性能、良好的柔韧性和生物相容性,在柔性电子设备中具有广泛的应用前景。
导电高分子聚苯胺简介

参考文献
• [1] 旷英姿. 导电高分子聚苯胺的合成及应用. 精细化工中 间体. 2004年8月,第34卷第4 期 • [2] 景遐斌,ห้องสมุดไป่ตู้利祥,王献红,耿延候,王佛松. 导电聚苯胺的合 成、结构、性能和应用. 高分子学报. 2005年10月, 第5期 • [3] 张连明,司慧涵,谢英男,詹自力,蒋登高. 聚苯胺的合成与 应用研究现状. 广西轻工业. 2007年2月,第2期 • [4] 曹丰,李东旭,管自生. 导电高分子聚苯胺研究进展. 材料 导报. 2007年8月,第21卷第8期 • [5] 王杨勇,强军锋,井新利,姚胜. 导电高分子聚苯胺及其应 用. 化工新型材料. 2003年3月, 第31 卷第3期 • [6] 周媛媛,余旻,李松,李蕾. 导电高分子材料聚苯胺的研究 进展. 化学推进剂与高分子材料. 2007年,第5卷,第6期
• 据上述模型推断聚苯胺的掺杂反应如下:
b.
氧化还原掺杂
• 事实上,除了质子酸掺杂外,我们还发现,聚苯胺也象其 它的导电高分子一样,能够进行氧化还原掺杂,这就是 “碘掺杂”、“光助氧化掺杂”以及“离子注入掺 杂” .
• 以上还原态聚苯胺的氧化掺杂和氧化态聚苯胺的还原掺杂, 与聚苯胺的质子酸掺杂一起,构成了聚苯胺的掺杂行为的 全貌. 显然,究竟发生哪一种掺杂,决定于它的化学结构:
导电高分子聚苯胺简介
Polyaniline
聚苯胺(PANI)
一.前言 二.聚苯胺的结构与性质 三. 聚苯胺的合成方法 四. 聚苯胺的掺杂 五. 聚苯胺的应用
一.前言
聚苯胺自从1984 年, 被美国宾夕法尼亚大学的 化学家MacDiarmid 等重新开发以来, 以其良好的 热稳定性, 化学稳定性和电化学可逆性, 优良的电 磁微波吸收性能, 潜在的溶液和熔融加工性能, 原 料易得, 合成方法简便, 还有独特的掺杂现象等特 性, 成为现在研究进展最快的导电高分子材料之一, 以其为基础材料, 目前正在开发许多新技术, 例如 全塑金属防腐技术、船舶防污技术、太阳能电池、 电磁屏蔽技术、抗静电技术、电致变色、传感器 元件、催化材料和隐身技术等。
在碳纸上沉积聚苯胺烧结的原因

在碳纸上沉积聚苯胺烧结的原因引言碳纸是一种常用的导电材料,而聚苯胺是一种具有导电性的高分子材料。
将聚苯胺沉积在碳纸上并进行烧结可以得到具有优良导电性能的复合材料。
本文将探讨在碳纸上沉积聚苯胺烧结的原因。
聚苯胺的导电性聚苯胺是一种具有导电性的高分子材料,它的导电性来源于其特殊的分子结构。
聚苯胺分子中含有苯环和胺基,苯环上的π电子可以形成共轭体系,从而形成导电通道。
此外,胺基上的氮原子可以提供额外的导电路径。
这些导电通道和路径使得聚苯胺具有良好的导电性能。
碳纸的导电性碳纸是一种由碳纤维制成的导电材料,它具有优良的导电性能。
碳纤维的导电性来源于其高度有序的晶体结构和碳原子之间的共价键。
碳纤维中的碳原子形成了一种类似于石墨的层状结构,层与层之间通过范德华力相互作用。
这种层状结构和范德华力使得碳纤维具有良好的导电性。
碳纸上沉积聚苯胺的方法将聚苯胺沉积在碳纸上并进行烧结的方法有多种,常见的方法包括电化学沉积法和化学氧化聚合法。
电化学沉积法电化学沉积法是将聚苯胺溶液通过电化学反应在碳纸表面沉积形成薄膜。
该方法需要将碳纸作为工作电极,将聚苯胺溶液作为电解液,通过施加电压或电流的方式促使聚苯胺在碳纸上沉积。
电化学沉积法具有操作简单、易于控制沉积厚度等优点。
化学氧化聚合法化学氧化聚合法是将聚苯胺前驱体在碳纸上进行氧化聚合反应,生成聚苯胺薄膜。
该方法通常采用氧化剂作为引发剂,将聚苯胺前驱体涂覆在碳纸上,并在适当的条件下进行氧化聚合反应。
化学氧化聚合法可以实现大面积、均匀的聚苯胺沉积。
聚苯胺烧结的原因在将聚苯胺沉积在碳纸上后,需要进行烧结过程,以实现聚苯胺薄膜的致密化和导电性的进一步提高。
聚苯胺烧结的原因主要包括以下几个方面。
聚苯胺分子间相互作用聚苯胺分子具有一定的极性和氢键能力,可以通过分子间相互作用形成聚集体。
在烧结过程中,聚苯胺分子间的相互作用会增强,聚集体会更加紧密地结合在一起,从而提高聚苯胺薄膜的致密性。
碳纤维与聚苯胺的相互作用碳纤维表面具有一定的亲水性,而聚苯胺分子具有一定的疏水性。
聚苯胺电合成实验报告(3篇)

第1篇一、实验目的1. 了解聚苯胺的合成原理和电化学合成方法。
2. 掌握电化学合成聚苯胺的实验操作技能。
3. 研究不同合成条件对聚苯胺性能的影响。
二、实验原理聚苯胺(Polypyrrole,PPy)是一种具有导电性的导电聚合物,其合成方法主要有化学氧化法和电化学合成法。
本实验采用电化学合成法,通过在苯胺溶液中引入氧化剂,在电极上发生氧化还原反应,生成聚苯胺。
三、实验材料与仪器1. 实验材料:苯胺、氧化剂(如过硫酸铵)、导电聚合物溶液、导电聚合物粉末、电极、电解液、电化学工作站等。
2. 实验仪器:电化学工作站、恒温水浴、磁力搅拌器、电子天平、玻璃电极、电极夹具、扫描电镜等。
四、实验步骤1. 准备工作:(1)配制苯胺溶液:称取一定量的苯胺,加入适量的溶剂(如无水乙醇)溶解,配制成一定浓度的苯胺溶液。
(2)配制氧化剂溶液:称取一定量的氧化剂,加入适量的溶剂溶解,配制成一定浓度的氧化剂溶液。
(3)准备电极:将导电聚合物粉末与导电聚合物溶液混合,涂覆在电极上,晾干备用。
2. 电化学合成:(1)将电极浸入电解液中,调整电极电位。
(2)开启电化学工作站,进行电化学合成实验,记录电流、电压等参数。
(3)实验结束后,取出电极,用扫描电镜观察聚苯胺的形貌。
3. 性能测试:(1)用电化学工作站测试聚苯胺的电化学性能,如电导率、氧化还原峰电流等。
(2)用电子天平称量电极的质量,计算聚苯胺的质量。
五、实验结果与分析1. 形貌观察:扫描电镜结果显示,聚苯胺在电极上形成均匀的薄膜,具有良好的导电性。
2. 电化学性能:(1)电导率:实验结果显示,聚苯胺的电导率随氧化剂浓度的增加而增加,在氧化剂浓度为0.1 mol/L时,电导率达到最大值。
(2)氧化还原峰电流:实验结果显示,聚苯胺的氧化还原峰电流随氧化剂浓度的增加而增加,在氧化剂浓度为0.1 mol/L时,氧化还原峰电流达到最大值。
六、实验结论1. 采用电化学合成法可以成功合成聚苯胺,且具有良好的导电性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
导电聚苯胺的基础性介绍摘要:简要介绍了聚苯胺的导电原理、合成方法、可加工性及有关应用,为制备聚苯胺导电复合材料、导电纤维、导电织物等做好理论基础。
关键词:聚苯胺、导电原理、合成方法、可加工性Abstract:This paper introduces the conductive polymer polyaniline, including that conduction mechanism, synthesis methods, workability and applications, in order to make the preparation of polyaniline conductive composited materials, conductive fiber, conductive fabric.Keyword:polyaniline,conduction mechanism,synthesis methods,workability1.前言:与导电金属相比,导电聚苯胺(conductive polyaniline,cPANi)的密度小,质量轻;在所有导电聚合物中,导电聚苯胺的制备简便且成本较低。
PANi具有电导率高,环境稳定性好,具有良好的抗氧化性能及耐高温特性,易成膜且形成的膜具有坚韧、柔软等优点[1]。
由于是PANi电极材料具有高比电容和高功率密度,因此PANi在传感器、储能和能量转化领域都有潜在的应用价值[2]。
现阶段,对聚苯胺导电高聚物的研究有:借助于π-π相互作用,在碳纳米管(Carbon nanotube,CNT)表面原位聚合苯胺获得碳纳米管/聚苯胺复合材料[3];采用盐酸为掺杂酸、以聚丙烯基吡咯烷酮(PVPK90)为空间稳定剂,在过硫酸铵(APS)氧化体系中通过原位聚合制备聚苯胺/石墨烯导电复合材料[4];利用“硬模板法”[5]、“软模板法”[6]、界面聚合[7]、静电纺丝技术等,制备聚苯胺的一维纳米纤维。
因此,本文主要对聚苯胺做一些基础性的介绍,为尔后的静电纺制备聚苯胺的导电纳米纤维做准备。
2.导电高聚物的分类根据导电高聚物的原料和制备方法上的差异,高分子导电材料分为本征型和复合型两大类。
本征型高分子导电材料(或称结构型高分子导电材料,intrisically conductive polymer)是指用电解聚合方法等合成的分子结构本身具有导电功能的高聚物或经过掺杂处理后具有导电功能的共轭聚合物,其中最典型的代表是聚乙炔(PA)、聚噻吩(PTH),聚吡咯(PPY),聚硫醚(PPS)、聚对苯撑(PPV)和聚苯胺(PANi)等。
共轭导电聚合物是指原为绝缘体或半导体,经p型掺杂(部分氧化)或n 型掺杂(部分还原)后能达到金属态导电性的聚合物,一般具有共轭电子骨架,并具有低的光转化能量、低电离势及高电子亲和力的高聚物。
复合型高分子导电材料是指以高分子材料为基体,加入各种导电物质经过分散复合、层积复合等方式处理后而具有导电功能的多相复合体系。
复合型导电聚合物材料是多由普通高分子结构材料与金属或碳等导电材料,通过分散、层合、梯度复合、表面镀层等复合方式构成。
3.导电聚苯胺(conductive polyaniline,cPANi)聚苯胺常温下一般呈不规则的粉末状态,具有较低的结晶度和分子取向度,它和其他本征导电高聚物一样,也是π-π共轭的高分子,在高分子主链上交替重复单双键结构,具有的π电子云分布在分子内相互作用形成能带等。
本征聚苯胺的导电率很低。
利用共轭高聚物容易被氧化或还原,对其进行电化学或化学掺杂,使离子嵌入聚合物以中和主链上的电荷,从而使聚苯胺迅速并可逆地从绝缘状态变成导电状态。
通常高分子材料的体积电阻都非常高,PANi在电导率ρV 为10-19~10-12S/cm时表现为绝缘体,当ρV在10-11~10-1S/cm时为半导体,当ρ>1S/cm时如同导体。
在本征高聚物中只有聚苯胺的导电性可通过电化学或化学V方法进行可逆控制。
4.聚苯胺的导电原理对于导电高聚物,其导电机理不同于金属的自由电子和半导体的电子或空穴导电,其载流子可能是孤子、极子或双极子。
本征态聚苯胺为绝缘体,但聚苯胺经过质子酸掺杂后,,将在能隙中形成极子带,从而提高了导电性能。
掺杂是一种特殊的成盐反应,它的特殊性就在于伴有分子链上的部分电荷转移和氧化还原。
聚苯胺的掺杂,从醌二亚胺上氮原子的质子化开始;醌二亚胺环得到电子而部分还原,苯二胺单元失去电子而部分氧化,这样本来由质子携带的正电荷离域化到4个芳环的范围,也就是说,聚苯胺的质子酸掺杂,本质上是一个分子内的氧化还原反应;掺杂后的分子依然记忆着掺杂前的结构,分子链上的电荷转移和氧化还原,并没有使分子链完全均匀化。
盐酸(HCl)在苯胺聚合过程中起的作用主要有2个:一是提供苯胺聚合所需要的酸性环境;二是在聚合的过程中对苯胺进行掺杂。
掺杂使PANi分子链间发生氧化还原反应,从而生成苯醌阳离子自由基,部分地削弱了共轭键,使电荷在分子链上振动而导电,因此PANi只有掺杂后才能导电。
当体系酸浓度达到一定之后,导电率下降[8],这是因为反应体系中HCl浓度高到一定程度时,体系中的H+过多,HCl与苯胺的芳环上发生了取代反应,从而影响了聚合物的导电性。
聚苯胺的导电性取决于他的氧化还原状态,作为一种共轭结构的高分子材料,聚苯胺具有苯式(还原单元)—醌式(氧化单元)结构共存的特点[9]。
随着两种结构单元含量的不同,聚苯胺处于不同程度的氧化还原状态,并且可以相互转化,它的氧化还原状态也决定了它的导电性。
y=1时的完全还原状态和y=0时的完全氧化状态都是不导电的绝缘体,通过质子酸掺杂,使其处于0〈y〈1的状态,就能使其从绝缘体变成半导体或导体[10]。
通过化学氧化或电化学氧化所合成的固体聚苯胺,同酸反应后导电率提高大约10个数量级,达到5~200S/cm,再同碱反应,又回到绝缘状态。
MacDiarmid 将这种行为称为质子酸掺杂和反掺杂。
质子酸掺杂,是聚苯胺区别于其他导电高分子的重要特征,它涉及质子的捕获和释放,但不涉及电子的得失,因而在表观上,不是一种氧化还原过程。
与其他高分子导电材料相比,聚苯胺具有氧化-还原和掺杂-脱掺杂可逆的特点,在6种不同氧化态和掺杂态的聚苯胺中,如图1,只有处于中间氧化态的翠绿亚胺盐和完全氧化态盐具有导电性能。
翠绿亚胺盐和完全氧化态盐的导电率可分别高达103S/cm数量级和0.23S/cm[11]。
图 1 聚苯胺的氧化-还原和掺杂-脱掺杂过程5.聚苯胺的聚合方法5.1化学掺杂法将氧化剂的酸性水溶液加入到苯胺的酸性水溶液中,氧化剂引发苯胺聚合,生成的聚苯胺颗粒从溶液中析出并长大,经分离即可得到掺杂态的聚苯胺。
由于反应过程放热量大,氧化剂常常是逐渐加入的(如滴加)。
一般来说,通过这一过程得到的是具有微米尺度的聚苯胺无规颗粒。
化学掺杂法制备工艺简单,易于大规模生产。
5.2电化学掺杂法在电化学方法中常用三电极体系,也就是工作电极(被研究对象),辅助电极(如金属铂)和参考电极(如甘汞电极)放入电解池中,施以一定的电压偏置,使溶液中的高聚物单体与参杂物在工作电极上聚合。
与化学掺杂相比,电化学掺杂具有可以通过控制各种参数来控制掺杂浓度;可以通过改变极化电平的极性脱掺杂等优点[12]。
除此之外,等离子聚合、固态聚合等方法也被用来合成聚苯胺。
6.聚苯胺的可加工性聚苯胺分子具有刚性大、链间氢键相互作用强的特点,宏观表现为不溶不熔,没有玻璃化温度Tg,很难加工成型。
而且,PANi在与其他材料复合时常常因PANi发生了脱掺杂反应,使其导电性降低甚至失去导电性[13]。
在适当条件下聚合和后处理,聚苯胺可以溶解在NMP中,甚至是DMF中,从而可以通过溶液浇铸,制备自支撑膜。
但这种溶解性仅局限于本征态聚苯胺,掺杂后仍旧不溶不熔。
曹镛[14]等用樟脑磺酸(CSA)掺杂聚苯胺,掺杂态的聚苯胺100%溶于间甲酚,十二烷基苯磺酸(DBSA)掺杂的聚苯胺完全溶于甲苯。
这种溶解性来源于掺杂剂本身的溶解性——掺杂剂中的SO3H基团与聚苯胺结合,可溶性基团分布在聚苯胺/掺杂剂复合物的外围,导致掺杂态聚苯胺的可溶性。
被称为“掺杂剂诱导增溶”。
7.聚苯胺的具体应用7.1导电材料利用聚苯胺的光电学特性,即在500nm左右有透过窗口,且其导电率随压力增大而增加的特点,可制成透明高电导率的聚苯胺薄膜[15]。
由于聚苯胺可在较高温度下加工处理,因此可作为导电材料应用于微电子或光电子器件。
7.2二次电池利用聚苯胺在加压后,使得极子的复合与湮灭减少,其相互作用增强,离域化增大,载流子在外场作用下通过极子带发生跃迁几率增加,导电能力增强的性能,可制作二次电池的电极,提高电极的导电性。
如Karami[16]等设计了一种新型的可充电干电池,采用高氯酸掺杂的聚苯胺粉末混合少量石墨粉和乙炔黑,在2×108Pa的高压下压成环状,作电池阴极。
7.3铁的防腐蚀涂层聚苯胺的防腐机理是铁氧化成致密的Fe2O3膜,中间氧化态的聚苯胺还原;在水的存在下,还原的聚苯胺被空气中的氧氧化到中间氧化态,继续发挥保护作用;Fe2O3膜的致密性和中间氧化态聚苯胺的自动再生,是防腐的关键。
所以只要用1%左右的聚苯胺,涂层就有很好的防腐效果,并且防腐寿命很长,并且不论聚苯胺是否掺杂,都能够防腐。
参考文献[1] 王献红. 现代高分子物理学[M].北京:科学出版社,2001:298.[2] Yan J,Wei T,Shao B,et al. Preparation of a grapheme nanosheet/polyaniline composite with high specific capacitance [J].Carbon,2010,48(2):487-493.[3] 王素敏,王奇观,森山広思.碳纳米管/导电聚苯胺复合材料的制备及相互作用研究进展[J].材料导报,2010,10,24(11):65-69.[4] 周宝珍,闫路瑶,曲顺志等. 原位聚合制备聚苯胺/石墨烯导电复合材料的工艺[J].青岛科技大学学报(自然科学版),2014,6,35(3):287-294.[5] 王杨勇,张可青,井新利. 聚苯胺纳米纤维研究进展[J].石化技术与应用,2007,1,25(1):62-67.[6] Zhang X Y,ChanY K R,Jose A. et al. Nanofibers of polyaniline synthesized by interfacial polymerization [J] . SynthMet,2004,145(1):23-29.[7] Huang J X , Kaner R B. A general chemical route to polyaniline nanofibers [J] . J Am C hem Soc, 2004,126(3):851-855.[8] 郑剑锋,赵江红,朱珍平. 掺杂酸和氧化剂的浓度对聚苯胺纳米纤维导电性的影响[J].材料导报,2009,23(3):17-20.[9] MACDLARMID A G,CHIANG J C,RICHTER A F,et al. Polyamiline:a new concept in conducting polymers [J]. Synth Met,1987,18(1/3):285-290.[10] 柯志坚,潘泽森等. 导电聚苯胺纳米纤维的快速制备及其导电性研究[J].集美大学学报(自然科学版),2014,3,19(2):148-151.[11] Chandrakanthi N,Careem M A. Preparati on and characterization of fully oxidized form of polyaniline [J]. Polym Bull,2000,45(2):113-120.[12] G. S. Popkirov,E.Barsoukov and R.N.Schindler. Electrochemical impedance spectroscopy of twin working electrodes bridged with conducting polymer layer[J].Electrochim Acta.1995,40:1857.[13] 徐浩,延卫,冯江涛. 聚苯胺的合成与聚合机理研究进展[J].化工进展,2008,27(10):1561-1568.[14] Cao Y,Smith P,Heeger A[J].Synth Metals,1993,55-57:3514-3519.[15] Zhang J,Barker A L,Mandler D,et al. J Am Chem Soc,2003,125(31):9312.[16] Karami H,Mousavi M F,Shamsipur M. J Power Sources,2003,117:255.。