关于聚苯胺

研究历史编辑导电高分子用途[5]从1977年日本Shirakawa，美国MacDiarmid、Heeger发现掺杂聚乙炔（PA）呈现金属特性并由此荣获诺贝尔化学奖至今，相继发现的较常用的导电高分子有聚对苯（PPP）、聚吡咯（PPY）、聚噻吩（PTH）、聚苯基乙炔（PPV）和聚苯胺（PANI）。

由于导电高分子特殊的结构和物化性能，使其在电子工业、信息工程、国防工程及其新技术的开发和发展方面都具有重大的意义。

其中因聚苯胺具有原料易得、合成工艺简单、化学及环境稳定性好等特点而得到了广泛的研究和应用。

[5-8] 1826年，德国化学家Otto Unverdorben通过热解蒸馏靛蓝首次制得苯胺（aniline），产物当时被称为“Krystallin”，意即结晶，因其可与硫酸、磷酸形成盐的结晶。

1840年，Fdtzsche从靛蓝中得到无色的油状不同氧化态聚苯胺之间的可逆反应(3张)物苯胺，将其命名为aniline，该词源于西班牙语的anti（靛蓝）并在1856年用于染料工业。

而且他可能制得了少量苯胺的低聚物，1862年HLhetbey也证实苯胺可以在氧化下形成某些固体颗粒。

但由于对高分子本质缺乏足够的认知，聚苯胺的实际研究拖延了几乎一个世纪，直到1984年，MacDiarmid提出了被广泛接受的苯式（还原单元）-醌式（氧化单元）结构共存的模型。

随着两种结构单元的含量不同，聚苯胺处于不同程度的氧化还原状态，并可以相互转化。

不同氧化还原状态的聚苯胺可通过适当的掺杂方式获得导电聚苯胺。

[9-13]不同氧化态聚苯胺之间的可逆反应图册参考资料。

[结构聚苯胺的实际合成与结构研究始于20世纪初，英国的Green和德国的Willstatter两个研究小组采用各种氧化聚苯胺氧化态结构[17]剂和反应条件对苯胺进行氧化，得到一系列不同氧化程度的苯胺低聚物。

Willstatter将苯胺的基本氧化产物和缩合产物通称为苯胺黑。

而Green分别以H2O2，NaClO3为氧化剂合成了五种具有不同氧化程度的苯胺八隅体，并根据其氧化程度的不同分别命名为全还原式（leucoemeraldine）、单醌式（protoemeradine）、双醌式（emeraldine）、三醌式（nigraniline）、四醌式即全氧化式（pernigraniline）。

这些结构形式及命名有的至今仍被采用。

1968年，Honzl 用缩聚方法合成了苯基封端的聚苯胺齐聚物，同年Surville合成了聚苯胺半导体surville提出的聚苯胺结构式[7]并提出可能的结构形式，而聚苯胺的结构正式为人所认同是在1984年，MacDiarmid提出了聚苯胺可相互转化的4种形式，并认为无论用化学氧化法还是电化学方法合成的导电聚苯胺均对应于理想模型。

中科院长春应化所的王佛松等人通过分析聚苯胺的IR和喇曼光谱，确认了醌环的存在并证明了苯、醌环的比例为3：1，MacDiarmid等人据此修正之前的模型，概括出了聚苯胺结构。

[14-15][18-20]聚苯胺掺杂产物的结构，主要由极化子晶格模型和四环苯醌变体模型进行解释。

聚苯胺的主要掺杂点是亚掺杂态聚苯胺结构[15]胺氮原子。

质子携带的正电荷经分子链内部的电荷转移，沿分子链产生周期性的分布。

且苯二胺和醌二亚胺必须同时存在才能保证有效的质子酸掺杂。

质子掺杂是聚苯胺由绝缘态转变为金属态的关键。

本征态的聚苯胺（PAn）是绝缘体，质子酸掺杂或电氧化都可使聚苯胺电导率提高十几个数量级。

掺杂态聚苯胺结构中x表示掺杂程度，由掺杂来决定；y表示氧化程度，由合成来决定；A表示质子酸中的阴离子，由掺杂剂决定。

然而聚苯胺的掺杂过程与其他导电高分子的掺杂不同，通常导电高分子的掺杂总是伴随着其主链上电子的得失，而聚苯胺极化子晶格模型[21]在用质子酸掺杂时，电子数不发生变化。

在掺杂过程中H+首先使亚胺上的氮原子质子化，这种质子化使得聚苯胺链上掺杂段的价带上出现了空穴，即P型掺杂，形成一种稳定离域形式的聚翠绿亚胺原子团。

亚胺氮原子所带的正电荷通过共轭作用沿分子链分散到邻近的原子上，从而增加体系的稳定性。

在外电场的作用下，通过共轭π电子的共振，使得空穴在整个链段上移动，显示出导电性。

完全还原型（y=1）的全苯式结构（Leucoemeraldine base）和完全氧化型（y=0）的全醌式结构（Pernigraniline）都为绝缘体，无法通过质子酸掺杂变为导体，在0<y<1的苯-醌交替结构的任一状态都能通过质子酸掺杂，从绝缘体变为导体，称为中间氧化态（Emeraldine）。

一般来说化学法合成的聚苯胺y=0.5，即聚苯胺链上醌式环与苯式环之比为1：3，电导率最大。

[22-25]中间氧化态聚苯胺结构[26]有人用量子化学算出了中间氧化态聚苯胺的结构。

各个芳香环均偏离基准面，属于反式构型，是一个不完全的锯齿状线形结构。

进一步研究证实，掺杂态聚苯胺具有与本征态聚苯胺类似的构型。

TG-微乳液聚合微乳液是一种外观透明或半透明、低黏度的热力学稳定体系，其分散液滴小于100nm。

可分成反相微乳液（W/O）、双连续相微乳液和正相微乳液（O/W，其实正向乳液聚合就是一般意义上的乳液聚合，但因为在微乳液中反相聚合用的较多，正相反而显得另类）。

尤其是反相微乳液聚合已经越来越多地用于制备聚苯胺纳米粒子，其粒径可达10nm，而且分布较均一。

反相微乳液聚合中的水油比是制备的关键的因素，能影响到粒子的大小和形态。

一般随水油比的增大，纳米粒子直径逐渐增大。

[74-76]微乳液聚合被认为是最理想的聚苯胺合成方法之一。

该法反应条件容易控制、产物粒径均匀，而且因其粒径都在纳米级别，从而使产物具有了纳米粒子的特性。

所得聚苯胺产物的电导率、产率和溶解性均有提高，且其链结构规整性好、结晶度高。

[48][77]反相微乳液聚合制备的聚苯胺粒径小，导电性和结晶度也较好。

但有时其粒子形状会发生从球形到针形乃至薄片形的转化。

合成聚苯胺方法为：向HCl溶液中加入过硫酸铵、SDBA、丁醇（助乳化剂），这样的混合液一经搅拌很容易配成透明的微乳液，接着往上述乳液中滴加一定量的苯胺单体，在室温下持续搅拌反应24 h，破乳即得聚苯胺。

[78-80]与反相微乳液不同，利用O/W微乳液（正相微乳液）制备纳米粒子的例子并不多。

这种方法可以得到分散在水相中的憎水高分子纳米颗粒，其优点是快速聚合和可以形成分子量很高的聚合物。

在O/W微乳液体系中乳化剂及助乳化剂的浓度很高，水溶性引发剂存在于水连续相中，苯胺单体浓度很低，主要被增溶于微乳液液滴内，极少量存在于水连续相中。

在微乳液聚合过程中，溶解于水中的活性基团会迅速被胶束中的单体捕捉而引发聚合。

因胶束数量很大，故聚合反应速率很快。

典型的聚苯胺正相微乳液聚合过程为：将苯胺、十二烷基硫酸钠和盐酸搅拌混合，滴加APS溶液，整个聚合过程应控制在20℃，反应持续12 h后，破乳即可。

有报道电导率达9.1S/cm。

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