广州大学化学综合实验报告导电聚苯胺的合成及导电性能测试

广州大学化学化工学院

本科学生综合性、设计性实验

告

实验课程物理化学实验

实验项目导电聚苯胺的合成及性能测试

专业化学班级12化学师范

学号及姓名

指导教师及职称

开课学期二0一四至二0一五学年第二学期

时间2015 年 6 月8 日

摘要：聚苯胺具有很多优异的特性，其中，改性聚苯胺的导电性能，引起研究者们广泛兴趣。本文通过探究酸和氧化剂浓度对导电聚苯胺的化学合成电导率的影响。

本文以二次减压蒸馏过的苯胺为单体，过硫酸铵为氧化剂，水作为溶剂，按照一定的比例配合，采用化学法直接制备了不同浓度比下聚苯胺的电导率。研究表明：聚苯胺的电导率随氧化剂浓度的上升而上升，n(APS):n(An)的比例为4:5时，电导率最高。

关键词：聚苯胺，化学合成，导电性，硫酸，氧化剂

ABSTRACT:Polyaniline has many excellent properties, especially the conductive properties of the Modified Polyaniline, which arouses the researchers extensive interest. In this paper, it is to explored the effect of the chemical conductivity of polyaniline from acid and oxidant concentration on the chemical conductivity of polyaniline.

The paper used the secondary decompression distillation of aniline as monomer, ammonium sulfate as oxidant and water as solvent. According to a certain proportion, using chemical method to to explored conductivity of polyaniline from different concentration acid and oxidant. It shows that the electrical conductivity of polyaniline will increased when oxidant concentration increases while the electrical conductivity was highest when n (An) was 4:5 (n). KEYWORDS: Polyaniline, chemical synthesis, conductivity, acid, concentration of sulfuric acid, oxidant

引言：

高分子材料一直被认为是绝缘体，但自从1977年Shirakawa，美国MacDiarmid教授和Hegger教授发现聚乙炔膜经过AsF5掺杂后电导率提高了13个数量级，达到103S/cm，证明有机高分子是可以导电的。这个结果打破了高分子仅为绝缘体的传统概念。

聚苯胺是近几年发现的一种新型导电有机聚合物，因为它具有制备较简便、稳定性好、电荷贮存能力强、较高的电导率以及良好的电化学性能等优点，所以已成为倍受关注的导电高分子，因而引起国内外的高度重视，被认为是最有发展前途的导电聚合物之一。欧、美及日本等国在聚苯胺的研究和开发上投入了大量的资金和技术力量，并将其列为重点研究课题。我国对导电聚苯胺的性能、导电机理等方面进行了研究。近年来，对聚苯胺的合成方法、掺杂剂种类、链结构及其物理化学性质等方面的深入研究，人们已得到了不同形态、不同结构特征的聚苯胺。

本文从聚苯胺的化学合成角度出发，分别从酸和氧化剂的浓度梯度着手，探究产率最高的浓度以及最佳的氧化剂浓度，使聚苯胺应用领域进一步开拓。因此，这种新型功能材料研究具有非常重要的意义和广阔的应用前景。

导电高分子是指经化学或电化学掺杂后可以由绝缘体向导体或半导体转变的含π电子共结构的有机高分子的统称。从1977 年日本筑波大学Shirakawa 教授发现掺杂聚乙炔(PA)呈现金属特性至今,相继发现的导电高分子有聚对苯(PPP)、聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PTH)、聚苯胺(PANI)和聚苯基乙炔(PPV)。由于导电高分子具有特殊的结构和优异的物化性能, 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更加广泛的研究和开发, 并在许多领域显示出了广阔的应用前景。

聚苯胺及其衍生物的分子链结构

聚苯胺早在１８３４年即波R un ge 发现, 并在本世纪初被ｗｉｌｌｓｔａｔｔｅｒA称为“苯胺黑”。科学家们对聚苯胺的链结构提出过许多模型, 得到大量事实支持的是1 9 8 7 年ＭａｃＤｉａｒｍｉｄ提出的模型, 如式( l ) 所示

其中y 可以是从1 到0 之间的任何数, 当y 一0.5 时的结构被称为聚苯胺的本征态构

式, 也就是通常化学法或电化学法合成得到的聚笨胺的结构式, 见合成部分。当y = 1 时为全还原型聚苯胺的结构式,y ~ O 时为全氧化型聚苯胺的结构式。

由于历史原因,ｇｒｅｅｎ等在简单的实验基础上提出聚苯胺具有五种结构式, 并分别命名为比Ｌｅｕｃｏｅｍｒａｌｄｉｎｅｂａｓｅ( LE B )，Ｅｍｅｒａｄｉｎｅｂａｓｅ（ＥＳ），Ｐｅｒｎｉｇｒａｎｉｌｉｎｅｂａｓｅ（ＰＮＢ），Ｐｒｏｔｏｅｍｒａｌｄｉｎｅ，Ｎｉｇｒａｎｉｌｉｎｅ。实际上, 前三种即分别对应式( l ) 中的y = 0、0.5、1。而Ｐｒｏｔｏｅｍｅｒａｌｄｉｎｅ和Ｎｉｇｒａｎｉｌｉｎｅ的结构式分别为

和，但这些名称目前仍然被继续使用。

聚苯胺可在其苯环或氮原子上产生衍生物, 其中最重要的是磺酸基取代聚苯胺( S p A N ) 和聚甲苯胺。前者以甲基取代苯环上的一个氢原子,后者则以磺酸基取代每两个苯环上的一个氢原子。

聚苯胺的掺杂及掺杂结构

聚苯胺可由几种方法掺杂而得到导电性聚苯胺, 用质子酸掺杂是最简单、方便、实用和性能最好的方法。现有的研究表明, 聚苯胺的一N H 一和一N ＝基团均可与质子酸反应生成盐和亚胺盐, 但只有亚胺氮原子上的掺杂反应才对电导性有贡献。在两种氮原子都存在的情况

下, 亚胺上的氮原子优先质子化。若聚合物主链中仅含有一N H 一或一N = 基团, 则不能发生“掺杂反应’, 有效掺杂必须存在的结构。对于掺杂理论目前

尚未全定论。

用质子酸掺杂时, 只是在其主链上引入正电荷, 如式(2 ) 所示, 不伴随主链的电子得失,这是与其它许多导电聚合物的不同点. 用强酸掺杂后, 聚合物从绝缘体变成导体( 1