一種導電高分子材料聚苯胺論文

PAGE4PAGE12化工系課程論文課程：材料化學題目:一種導電高分子材料——聚苯胺小組名稱：同學：指導老師：日期：2013年1１月1９日?一種導電高分子材料—-聚苯胺摘要：介紹了其中一種應用最廣泛的導電高分子材料之一——聚苯胺，包括主要制備方法和應用，指出導電高分子材料自身仍存在不足，有待進一步的探究和發(fā)現(xiàn).關鍵詞:導電高分子聚苯胺摻雜合成應用前言：在二十世紀中進展起來的功能高分子中，導電高分子是最突出的代表之一.２0世紀７9年月以前,人們始終將高分子材料作為絕緣材料來使用。直到１980年前后,人們普遍熟識到,聚乙炔的導電性很高，經過一系列的討論,后來消滅了聚苯，聚吡咯，聚苯胺等。其中聚苯胺由于其自身的優(yōu)點，被認為最有盼望在實際中得到應用的導電高分子材料，并以它為基礎正開發(fā)很多新技術。導電高分子具有特殊的結構和優(yōu)異的物理化學性能使它在能源，光電子器材，信息,傳感器,分子導線和分子器件，電磁屏蔽，金屬防腐和隱身技術方面有著廣泛,誘人的應用前景［1].１．一種導電高分子材料-—聚苯胺１。1聚苯胺的結構及導電機理1。1．１聚苯胺結構聚苯胺是典型的有機導電聚合物,具有多樣化的結構，獨特的摻雜原理，優(yōu)異的物理化學性能,常溫下一般呈不規(guī)章的粉末狀態(tài)，具有較低的結晶度和分子取向度.與其它導電高聚物一樣，它也是共軛高分子，在高分子主鏈上交替重復單雙鏈結構，具有的介電子云分布在分子內，相互作用形成能帶等。其結構中的P電子雖具有離域能力，但它并不是自由電子，分子中的共軛結構使Ｐ電子系增大，電子離域性增強,可移動范圍增大，當共軛結構達到足夠大時，化合物即可供應自由電子,從而能夠導電。圖1聚苯胺可看作是苯二胺與醌二亞胺的共聚物(如上圖1），ｘ值用于表征聚苯胺的氧化還原程度，不同的x值對應于不同的結構,組分及電導率。完全還原型（x=1）和完全氧化型（ｘ=０）都為絕緣體；在0〈x＜1的任一狀態(tài)都能通過質子酸摻雜進行相互轉換。當ｘ=０.５時，其電導率最大，且可通聚合時氧化劑種類,濃度等條件掌握x的大小。１.1．２聚苯胺導電機理利用共軛高聚物容易被氧化還原這一特性，對其進行電化學或化學摻雜，使離子嵌入聚合物，以中和主鏈上的電荷，從而可使聚苯胺飛快并可逆地從絕緣狀態(tài)變成導電狀態(tài),當用質子酸進行摻雜時,質子化優(yōu)先發(fā)生在分子鏈的亞胺氮子上，質子酸發(fā)生離解后，生成的氫質子（H+）轉移至聚苯胺分子鏈上,使分子中亞胺上的氮原子發(fā)生質子化反應,生成荷電元激發(fā)態(tài)極化子。因此,半氧化半還原態(tài)的聚苯胺經質子酸摻雜后,分子內的醌環(huán)消滅,電子云重新分布，氮原子上的正電荷離域到大共軛Ｐ鍵中，從而使聚苯胺呈現(xiàn)出高的導電性。聚苯胺的導電性受很多因素的影響,除分子鏈本身的結構外,較重要的因素還有pＨ值和溫度。當ｐH<2時，電導率不受pＨ值影響，呈金屬狀態(tài);當２＜pH〈4時,兩者呈負相關,電導率隨溶液pH值的降低而飛快增加,呈半導體狀態(tài)；當pＨ＞４時,電導率不受ｐH值影響，呈絕緣狀態(tài)［6］。溫度上升時，電導率從１0Ｓ/cm的室溫增至235℃的１０00S／cｍ。通過摻雜及轉變摻雜物的濃度可使其導電率的變化達到個18數量級。下圖為中間氧化態(tài)聚苯胺質子酸摻雜過程,即導電原理(如下圖２）:圖2２.聚苯胺的合成聚苯胺的合成討論開頭于20世紀時期，專家采納多種氧化劑在不同的反應條件下探究對聚苯胺的氧化,在實驗中成功制造了一系列氧化摻雜程度不同的聚苯胺產物，合成聚苯胺主要有化學合成和電化學合成兩大類。在之后的討論中，聚苯胺合成方法得到不斷的探究和進展，其他的一些合成方法也相繼消滅［７].2．１化學氧化合成２．１。1化學氧化合成法的工藝?采納酸-—過硫酸銨體系合成摻雜態(tài)聚苯胺。需要用到的儀器設備：磁力攪拌器，平衡滴液漏斗電磁攪拌器,布氏漏斗，水泵，真空干燥箱。首先配置2mol／Ｌ濃度的鹽酸和2mol/L濃度過硫酸銨【(ＮH4）2S2O8,AＰS】水溶液,在三角瓶中加入50mｌ2mol／L濃度的鹽酸,加入４．7g(４．6ｍｌ）圖３苯胺(An），在冰浴下攪拌10ｍｉn，待溫度降至５攝氏度以下,用滴液漏斗緩慢滴加配制好的過硫酸銨溶液３—5s/d，并始終保持水浴溫度在5攝氏度以下滴完后用電磁攪拌，連續(xù)反應一個鐘.抽濾得到聚合物,分別用去離子水，乙醇清洗后,真空干燥即得摻雜態(tài)聚苯胺。（如下圖4)為其化學氧化合成法流程圖：秤取過硫酸銨晶體【（NH4）2S2O8,APS】11.4g秤取過硫酸銨晶體【（NH4）2S2O8,APS】11.4g配制成2mol/L過硫酸銨溶液緩慢滴加（3-5s/d）?溶解于２５mL蒸餾水中?保持冰浴溫度低于5攝氏度保持冰浴溫度低于5攝氏度稱取4.7g的苯胺(An)三口瓶中已配置好50ML的2mol/L的HCL溶液??稱取4.7g的苯胺(An)三口瓶中已配置好50ML的2mol/L的HCL溶液 加入到 冰浴攪拌１０ｍin取36%的濃HCL加入到100ML的蒸餾水中，混合均勻滴完后，保持溫度取36%的濃HCL加入到100ML的蒸餾水中，混合均勻?連續(xù)反應１h,抽濾?洗滌，烘干摻雜態(tài)聚苯胺?配制成摻雜態(tài)聚苯胺圖４3.聚苯胺的應用聚苯胺由于具有很多獨特的光,電，磁性能故被廣泛地應用于各領域.電極材料:聚苯胺有良好的氧化還原可逆性用得最多的還是制作二次電池的電極材料。導電聚苯胺共混物和復合物在蓄電池如鏗電池的應用很有前景。導電材料:導電性是聚苯胺的一個格外重要的特征,本征態(tài)的聚苯胺電導率很低，通過質子酸摻雜后其電導率可提高１2個數量級。利用聚苯胺的導電性，可用它作為導電材料及導電復合材料[１1］。防靜電材料：導電聚苯胺涂料和包裝材料供應了防止靜電的牢靠的和便利的方法.電磁屏蔽材料:與傳統(tǒng)的電磁屏蔽材料不同，聚苯胺的重量輕而且價格廉價。與碳纖維或碳黑添加的高分子材料不同,聚苯胺不會使材料的力學性能下降。聚苯胺與聚氯乙烯,尼龍等的共混物已在19９１年被大量生產用作電磁屏蔽材料［１１]。防腐涂料：聚苯胺防腐涂料具有獨特的抗劃傷和抗點蝕性能,是一種具有寬闊前景的并適合于海洋和航天等嚴酷條件下的新型金屬腐蝕防護涂料。防污材料：聚苯胺是一種良好的防污材料,用它作為主劑制成的防污涂料不僅能防除藤壺等海生物,還能對海生物的前期附著物粘泥有防除作用，因此能達到長效防污的目的。除此之外，該防污涂料不含氧化亞銅,有機錫等物質不僅節(jié)省了金屬,同時，也不會對環(huán)境造成污染,是新一代的無毒防污涂料。電致變色元件:電致變色材料是在電場作用下,顏色可以發(fā)生可逆變化的材料。聚苯胺作電顯示材料具有良好的性能.利用聚苯胺的電致變色特性,可以用它來做智能窗和各種電致變色薄膜器件,且在軍事偽裝和節(jié)能涂料等方面有著誘人的前景［1２］.選擇性透過膜:通過轉變摻雜劑的種類和濃度調整材料的形態(tài)，可精確掌握聚苯胺薄膜的離子過率及氣體透過率或分子尺寸,因此聚苯胺也可用來制作選擇性透過膜。微波汲?。豪镁郾桨芳橙∥⒉ǖ奶匦?，法國已研制出了隱形潛艇?？茖W家還發(fā)現(xiàn)某些聚苯胺共聚物呈現(xiàn)出鐵磁性，并且采納化學復合法第一次合成了含有納米尺寸鐵磁體的聚苯胺復合物,在1-１8ＧHz微波范圍內兼具電磁損耗可以用于軍事中的隱身應用［1３］.塑料的焊接:導電高聚物可以通過微波輻射加熱，這種效應可以用來焊接塑料美國將其用作遠距離加熱材料，用于航天飛機中的塑料焊接技術。發(fā)光二極管：199２年，美國UNIAＸ公司報道了柔韌可彎曲的聚合物發(fā)光二極管,此發(fā)光二極管在2—3伏電壓下可發(fā)出桔黃色光，使用不同的發(fā)光層還可獲得不同的光，并在通常的室內光線下很容易觀察到［１4］。光學器件及非線性光學器件：由于聚苯胺的光電特性，光化學器件的半導體電極可以通過涂覆聚苯胺來提高性能。通過涂覆聚苯胺,還可以有效地提高電子遷移速度并防止光腐蝕.4.4聚苯胺的應用前景作為最具有應用潛力的導電高分子之一,聚苯胺從被發(fā)現(xiàn)之初就受到了廣泛的關注。聚苯胺的合成方法多種多樣,它靠著自身原料來源豐富，制造過程簡潔,化學穩(wěn)定性好成為熱點討論和應用的對象,在各領域的應用中取得偉大成就.盡管合成和使用過程仍存在不少問題,比如聚苯胺(PAn）鏈上存在苯環(huán)結構，鏈間氫鍵相互作用以及電荷離域效應導致聚合物鏈剛性,聚合物不溶不熔,限制了其實際應用。近年來，導電聚苯胺的討論也朝著納米化，材料功能化以及有用化等方向進行。目前世界上對聚苯胺這種高分子的研發(fā)正在從實驗室走向工業(yè)化的初級階段，聚苯胺的實際工業(yè)應用更是初始時期。在導電聚苯胺產品的開發(fā)中,最有成效的是德國的Orｍｅｃon公司,該公司主要生產導電聚苯胺防腐涂料和抗靜電涂料,已經在美國，日本和韓國分別建立了三家子公司，已經成為全球最有影響力的導電聚苯胺產品公司?？扇苄詫щ娋郾桨酚捎谏a工藝簡潔，容易造成污染等緣由，使該材料實現(xiàn)工業(yè)化生產十分困難。我國科研人員從解決合成過程中的熱效應和環(huán)境污染這兩大關鍵問題入手，優(yōu)化聚合及后處理工藝,終究生產出具有中國自主知識產權的高品質可溶性導電聚苯胺，其數均分子量，分子量分布，最大溶解度，凝膠時間，不溶物含量等主要技術指標均達到國際水平,格外是凝膠時間和溶解度達到了國際領先水平。隨著人們對聚苯胺不斷加強討論力度,加快前進步伐,信任聚苯胺的應用前景會更加寬闊［15]。參考文獻［１]程登余，導電高分子聚苯胺合成和應用討論[Ｊ］.科海故事博覽！科教創(chuàng)新,20０9［2］馬利，湯琪．導電高分子材料聚苯胺的討論進展[J］．重慶高校學院:自然科學版，20０２［３］潘春躍，胡惠萍，馬承銀，等.苯胺乳液聚合條件的討論［Ｊ］．應用化學，2０0０[４］沙兆林，蘇廣均,施磊等。導電聚苯胺的的合成[J].南通工學院學報，２00０［5]陳金蘭，導電高分子材料聚苯胺的合成及性能討論［J］.沈陽理工高校學位論文，２0０7[6］馬永梅，陳春英，過俊石等.聚苯胺導電復合物的二次摻