精细化工工艺学课程论文

《精细化工工艺学》课程论文

题目：聚苯胺合成及掺杂机理的研究进展院系：化工与能源学院

班级：化学工程与工艺三班

姓名：刘生

学号：20080300513

任课教师：苏媛

聚苯胺合成及掺杂机理的研究进展

（刘生化学工程与工艺三班20080300513）

【摘要】：近年来聚苯胺因其优良的性能而备受关注，其合成方法和复合材料的性能一直是聚苯胺研究的重要内容。本文主要介绍聚苯胺的合成方法以及对聚苯胺的掺杂机理研究现状进行综述

【关键词】：聚苯胺，合成，掺杂机理

Development of synthesis and doped mechanism of

polyaniline

(liu sheng ; Chemical engineering and technology class 3; 20080300513) 【Abstract】:In recent years, polyaniline has attracted much attention because of its excellent properties. The study on its synthesis and doped mechanism is always one of the major research contents of polyanline.In this paper, the chemical and electrochemical synthesis methods and doped mechanism of polyanline are reviewed 【Keywords】:polyanline, synthesisi, doped mechanism

引言

半导体金属氧化物传感器是目前主要的商业化的气体传感器，但在应用中存在选择性差、操作温度高、稳定性也不令人满意等问题。而以聚苯胺（PANI）为代表的导电高分子气敏材料由于价廉易得、合成和制膜工艺简单且可在常温下工作等优点，已成为研究的热点。但是纯的聚苯胺气敏材料存在选择性性差、灵敏度低以及稳定性欠佳等缺点，并且聚苯胺为共轭的刚性链结构，在有机溶剂中溶解度低、成膜性能差，不易加工成型从而阻碍了它作为气敏材料在实际中的应用。所以，为了克服纯聚苯胺的缺点，通过选择合适的通用高分子材料与聚苯胺复合，提高其灵敏度和选择性；改善材料的加工成膜性能；同时使之具有很好的

稳定性，从而能够更广泛地应用于气体传感器中。

1、聚苯胺的结构

聚苯胺早在1834年即被Runge[1]发现，并在本世纪被Willstatter[2]]称为“苯胺黑”。对于聚苯胺的结构，科学家们提出过许多模型，现已公认的是1987年MacDiarmid[9]提出的：即结构式中含有“苯-苯”连续的还原单元和含有“苯-醌”交替的氧化单元，如下图所示：

H N H

N N N

还原结构氧化结构本征态聚苯胺结构为：

H N

H

N N N

y1-y x 图1-2 聚苯胺的一般结构式

Fig.1-2 General structure of polyaniline

其中x表示聚合度，y值表征PANI的氧化还原程度，其值可在0～1之间变化，不同的y值对应于不同的结构、颜色和电导率，详见表1-2。

表1-2 聚苯胺的不同状态及对应的导电率

Y值产物名称类型颜色导电性

1.0 无色翠绿亚胺中性淡黄绝缘体

1.0 无色翠绿亚胺掺杂淡黄绝缘体

0.75 原翠绿亚胺中性蓝色绝缘体

0.75 原翠绿亚胺掺杂浅绿半导体

0.5 翠绿亚胺中性深蓝绝缘体

0.5 翠绿亚胺掺杂绿色金属态

0.25 苯胺黑中性蓝黑绝缘体

0.25 苯胺黑掺杂蓝色绝缘体

0 全苯胺黑中性紫色绝缘体

0 全苯胺黑掺杂紫色绝缘体

2、聚苯胺的用途

2．1 聚苯胺在金属防腐方面的应用

金属腐蚀给国民经济带来了巨大的损失，由腐蚀引起的破坏事例遍及所有使用金属的场合。据统计，每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料相当于金属年产量的1/3，造成的损失非常巨大[3]。1985年，DeBerry[4]发现，在酸性介质中用电化学法合成的聚苯胺膜能使不锈钢表面活性钝化而防腐，这一特点引起了人们的关注，从此人们在腐蚀防护领域开始了导电高分子膜的应用研究。其防腐机理为：聚苯胺使金属和聚苯胺膜界面处形成一层金属氧化膜，该金属的电极电位处于钝化区，从而得到保护。聚苯胺的氧化还原电位比铁高，当两者相互接触时，在水和氧的参与下发生氧化还原反应，在界面处形成一层致密的金属氧化膜。

2. 2 聚苯胺在二次电池方面的应用

由于聚苯胺具有良好可逆的电化学氧化还原性能，因而适宜做电极材料，制造可以反复充放电的二次电池。Kitani[5]发现用电化学合成的聚苯胺制成的蓄电池在1.0～1.7V之间以1mA/cm2进行充放电时，充放电效率可达100%，充电容量为40Ah/kg，可循环2000次以上。以化学合成的聚苯胺为正极组成全固态锂电池在2.5～4.0V之间的充放电效率可达95%，循环次数可超过200次。此外也有研究用聚苯胺的复合腊制备的二次电池，其电池容量密度可达120Ah/kg，可循环200次以上。

2．3 聚苯胺导电纤维的应用

用聚苯胺制备导电纤维，不仅导电性优良持久，而且通过改变掺杂酸的浓度，很轻易调节纤维的电导率，这是其它纤维所不具备的优良性质。在普通纤维中混用极少量的导电纤维，就能赋予纤维制品充分的抗静电性能，而且抗静电性能不会受到环境湿度的影响。刘维锦等[6]以还原式聚苯胺为成纤高聚物，N-甲基吡咯烷酮为纺丝溶剂，采用湿法纺丝制得聚苯胺纤维。在完成整个纺丝过程后，再对纤维进行氧化掺杂，赋予其导电性。该法制得的聚苯胺导电纤维的比电阻为1.05×10-2Ω•cm。

2．4 聚苯胺在电磁屏蔽材料方面的应用

随着电器制品和电子器件的商业应用、军事应用和科学应用的迅速增长，电磁干扰也称作电磁环境污染问题日渐严重，电磁干扰屏蔽日益受到关注。导电聚苯胺具有重量轻、韧性好、易加工和电导率易于调节的优势，是一种优良的电磁屏蔽材料。CottevieilleD [7]等，在频率范围10MHz～1GHz之间，用高导电率的聚苯胺作屏蔽材料，可得到20dB以上的屏蔽效力。高导电聚苯胺薄膜的厚