一種導(dǎo)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(xué)題目:一種導(dǎo)電高分子材料——聚苯胺小組名稱：同學(xué)：指導(dǎo)老師：日期：2013年1１月1９日?一種導(dǎo)電高分子材料—-聚苯胺摘要：介紹了其中一種應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電高分子材料之一——聚苯胺，包括主要制備方法和應(yīng)用，指出導(dǎo)電高分子材料自身仍存在不足，有待進(jìn)一步的探究和發(fā)現(xiàn).關(guān)鍵詞:導(dǎo)電高分子聚苯胺摻雜合成應(yīng)用前言：在二十世紀(jì)中進(jìn)展起來(lái)的功能高分子中，導(dǎo)電高分子是最突出的代表之一.２0世紀(jì)７9年月以前,人們始終將高分子材料作為絕緣材料來(lái)使用。直到１980年前后,人們普遍熟識(shí)到,聚乙炔的導(dǎo)電性很高，經(jīng)過(guò)一系列的討論,后來(lái)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(diǎn)，被認(rèn)為最有盼望在實(shí)際中得到應(yīng)用的導(dǎo)電高分子材料，并以它為基礎(chǔ)正開發(fā)很多新技術(shù)。導(dǎo)電高分子具有特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能使它在能源，光電子器材，信息,傳感器,分子導(dǎo)線和分子器件，電磁屏蔽，金屬防腐和隱身技術(shù)方面有著廣泛,誘人的應(yīng)用前景［1].１．一種導(dǎo)電高分子材料-—聚苯胺１。1聚苯胺的結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電機(jī)理1。1．１聚苯胺結(jié)構(gòu)聚苯胺是典型的有機(jī)導(dǎo)電聚合物,具有多樣化的結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的摻雜原理，優(yōu)異的物理化學(xué)性能,常溫下一般呈不規(guī)章的粉末狀態(tài)，具有較低的結(jié)晶度和分子取向度.與其它導(dǎo)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(fù)單雙鏈結(jié)構(gòu)，具有的介電子云分布在分子內(nèi)，相互作用形成能帶等。其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使Ｐ電子系增大，電子離域性增強(qiáng),可移動(dòng)范圍增大，當(dāng)共軛結(jié)構(gòu)達(dá)到足夠大時(shí)，化合物即可供應(yīng)自由電子,從而能夠?qū)щ?。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(duì)應(yīng)于不同的結(jié)構(gòu),組分及電導(dǎo)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(guò)質(zhì)子酸摻雜進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)ｘ=０.５時(shí)，其電導(dǎo)率最大，且可通聚合時(shí)氧化劑種類,濃度等條件掌握x的大小。１.1．２聚苯胺導(dǎo)電機(jī)理利用共軛高聚物容易被氧化還原這一特性，對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)或化學(xué)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(dǎo)電狀態(tài),當(dāng)用質(zhì)子酸進(jìn)行摻雜時(shí),質(zhì)子化優(yōu)先發(fā)生在分子鏈的亞胺氮子上，質(zhì)子酸發(fā)生離解后，生成的氫質(zhì)子（H+）轉(zhuǎn)移至聚苯胺分子鏈上,使分子中亞胺上的氮原子發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng),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(jīng)質(zhì)子酸摻雜后,分子內(nèi)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(dǎo)電性。聚苯胺的導(dǎo)電性受很多因素的影響,除分子鏈本身的結(jié)構(gòu)外,較重要的因素還有pＨ值和溫度。當(dāng)ｐH<2時(shí)，電導(dǎo)率不受pＨ值影響，呈金屬狀態(tài);當(dāng)２＜pH〈4時(shí),兩者呈負(fù)相關(guān),電導(dǎo)率隨溶液pH值的降低而飛快增加,呈半導(dǎo)體狀態(tài)；當(dāng)pＨ＞４時(shí),電導(dǎo)率不受ｐH值影響，呈絕緣狀態(tài)［6］。溫度上升時(shí)，電導(dǎo)率從１0Ｓ/cm的室溫增至235℃的１０00S／cｍ。通過(guò)摻雜及轉(zhuǎn)變摻雜物的濃度可使其導(dǎo)電率的變化達(dá)到個(gè)18數(shù)量級(jí)。下圖為中間氧化態(tài)聚苯胺質(zhì)子酸摻雜過(guò)程,即導(dǎo)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(jì)時(shí)期，專家采納多種氧化劑在不同的反應(yīng)條件下探究對(duì)聚苯胺的氧化,在實(shí)驗(yàn)中成功制造了一系列氧化摻雜程度不同的聚苯胺產(chǎn)物，合成聚苯胺主要有化學(xué)合成和電化學(xué)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(jìn)展，其他的一些合成方法也相繼消滅［７].2．１化學(xué)氧化合成２．１。1化學(xué)氧化合成法的工藝?采納酸-—過(guò)硫酸銨體系合成摻雜態(tài)聚苯胺。需要用到的儀器設(shè)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(guò)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(guò)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(yīng)一個(gè)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(xué)氧化合成法流程圖：秤取過(guò)硫酸銨晶體【（NH4）2S2O8,APS】11.4g秤取過(guò)硫酸銨晶體【（NH4）2S2O8,APS】11.4g配制成2mol/L過(guò)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(yīng)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(yīng)用聚苯胺由于具有很多獨(dú)特的光,電，磁性能故被廣泛地應(yīng)用于各領(lǐng)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(dǎo)電聚苯胺共混物和復(fù)合物在蓄電池如鏗電池的應(yīng)用很有前景。導(dǎo)電材料:導(dǎo)電性是聚苯胺的一個(gè)格外重要的特征,本征態(tài)的聚苯胺電導(dǎo)率很低，通過(guò)質(zhì)子酸摻雜后其電導(dǎo)率可提高１2個(gè)數(shù)量級(jí)。利用聚苯胺的導(dǎo)電性，可用它作為導(dǎo)電材料及導(dǎo)電復(fù)合材料[１1］。防靜電材料：導(dǎo)電聚苯胺涂料和包裝材料供應(yīng)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(jià)格廉價(jià)。與碳纖維或碳黑添加的高分子材料不同,聚苯胺不會(huì)使材料的力學(xué)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(chǎn)用作電磁屏蔽材料［１１]。防腐涂料：聚苯胺防腐涂料具有獨(dú)特的抗劃傷和抗點(diǎn)蝕性能,是一種具有寬闊前景的并適合于海洋和航天等嚴(yán)酷條件下的新型金屬腐蝕防護(hù)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(duì)海生物的前期附著物粘泥有防除作用，因此能達(dá)到長(zhǎng)效防污的目的。除此之外，該防污涂料不含氧化亞銅,有機(jī)錫等物質(zhì)不僅節(jié)省了金屬,同時(shí)，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,是新一代的無(wú)毒防污涂料。電致變色元件:電致變色材料是在電場(chǎng)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(lái)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(guò)膜:通過(guò)轉(zhuǎn)變摻雜劑的種類和濃度調(diào)整材料的形態(tài)，可精確掌握聚苯胺薄膜的離子過(guò)率及氣體透過(guò)率或分子尺寸,因此聚苯胺也可用來(lái)制作選擇性透過(guò)膜。微波汲?。豪镁郾桨芳橙∥⒉ǖ奶匦?，法國(guó)已研制出了隱形潛艇?？茖W(xué)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(xué)復(fù)合法第一次合成了含有納米尺寸鐵磁體的聚苯胺復(fù)合物,在1-１8ＧHz微波范圍內(nèi)兼具電磁損耗可以用于軍事中的隱身應(yīng)用［1３］.塑料的焊接:導(dǎo)電高聚物可以通過(guò)微波輻射加熱，這種效應(yīng)可以用來(lái)焊接塑料美國(guó)將其用作遠(yuǎn)距離加熱材料，用于航天飛機(jī)中的塑料焊接技術(shù)。發(fā)光二極管：199２年，美國(guó)UNIAＸ公司報(bào)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(nèi)光線下很容易觀察到［１4］。光學(xué)器件及非線性光學(xué)器件：由于聚苯胺的光電特性，光化學(xué)器件的半導(dǎo)體電極可以通過(guò)涂覆聚苯胺來(lái)提高性能。通過(guò)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(yīng)用前景作為最具有應(yīng)用潛力的導(dǎo)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(guān)注。聚苯胺的合成方法多種多樣,它靠著自身原料來(lái)源豐富，制造過(guò)程簡(jiǎn)潔,化學(xué)穩(wěn)定性好成為熱點(diǎn)討論和應(yīng)用的對(duì)象,在各領(lǐng)域的應(yīng)用中取得偉大成就.盡管合成和使用過(guò)程仍存在不少問(wèn)題,比如聚苯胺(PAn）鏈上存在苯環(huán)結(jié)構(gòu)，鏈間氫鍵相互作用以及電荷離域效應(yīng)導(dǎo)致聚合物鏈剛性,聚合物不溶不熔,限制了其實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，導(dǎo)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(jìn)行。目前世界上對(duì)聚苯胺這種高分子的研發(fā)正在從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化的初級(jí)階段，聚苯胺的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用更是初始時(shí)期。在導(dǎo)電聚苯胺產(chǎn)品的開發(fā)中,最有成效的是德國(guó)的Orｍｅｃon公司,該公司主要生產(chǎn)導(dǎo)電聚苯胺防腐涂料和抗靜電涂料,已經(jīng)在美國(guó)，日本和韓國(guó)分別建立了三家子公司，已經(jīng)成為全球最有影響力的導(dǎo)電聚苯胺產(chǎn)品公司?？扇苄詫?dǎo)電聚苯胺由于生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)潔，容易造成污染等緣由，使該材料實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)十分困難。我國(guó)科研人員從解決合成過(guò)程中的熱效應(yīng)和環(huán)境污染這兩大關(guān)鍵問(wèn)題入手，優(yōu)化聚合及后處理工藝,終究生產(chǎn)出具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高品質(zhì)可溶性導(dǎo)電聚苯胺，其數(shù)均分子量，分子量分布，最大溶解度，凝膠時(shí)間，不溶物含量等主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際水平,格外是凝膠時(shí)間和溶解度達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。隨著人們對(duì)聚苯胺不斷加強(qiáng)討論力度,加快前進(jìn)步伐,信任聚苯胺的應(yīng)用前景會(huì)更加寬闊［15]。參考文獻(xiàn)［１]程登余，導(dǎo)電高分子聚苯胺合成和應(yīng)用討論[Ｊ］.科海故事博覽！科教創(chuàng)新,20０9［2］馬利，湯琪．導(dǎo)電高分子材料聚苯胺的討論進(jìn)展[J］．重慶高校學(xué)院:自然科學(xué)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(yīng)用化學(xué)，2０0０[４］沙兆林，蘇廣均,施磊等。導(dǎo)電聚苯胺的的合成[J].南通工學(xué)院學(xué)報(bào)，２00０［5]陳金蘭，導(dǎo)電高分子材料聚苯胺的合成及性能討論［J］.沈陽(yáng)理工高校學(xué)位論文，２0０7[6］馬永梅，陳春英，過(guò)俊石等.聚苯胺導(dǎo)電復(fù)合物的二次摻