聚苯胺導(dǎo)電材料改性及探究

付傲男

(西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730030)

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聚苯胺導(dǎo)電材料改性及探究

付傲男

(西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730030)

聚苯胺是應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電高分子材料之一，通過改性的方法增加其導(dǎo)電率。通過機械共混法來制備ABS/Cu/PANI復(fù)合導(dǎo)電材料，研究納米銅粉的加入對復(fù)合導(dǎo)電材料導(dǎo)電性能的影響以及納米銅粉的不同加入量對復(fù)合導(dǎo)電材料導(dǎo)電性能的影響?？偨Y(jié)出關(guān)于制備ABS/Cu/PANI復(fù)合導(dǎo)電材料的最合適的摻雜工藝以及最合適的納米銅粉的加入量。

聚苯胺；高分子材料；改性；導(dǎo)電率

引言

由于導(dǎo)電聚合物具有良好的電學(xué)、光學(xué)以及氧化還原特性在近20年里一直備受關(guān)注，在能源、電磁屏蔽和電致變色等領(lǐng)域有著廣闊的前景。自從1984年MacDiarmid在酸性條件下由苯胺單體獲得具有導(dǎo)電性聚合物，聚苯胺已成為現(xiàn)在研究進展最快的導(dǎo)電聚合物之一。原因在于聚苯胺具有以下誘人的獨特優(yōu)勢：a.原料易得，合成簡單；b.具有優(yōu)良的電磁微波吸收性能、電化學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性及光學(xué)性能；c.獨特的摻雜現(xiàn)象；d.高的電導(dǎo)率；e.擁有良好的環(huán)境穩(wěn)定性。聚苯胺被認(rèn)為是最有希望在實際中得到應(yīng)用的導(dǎo)電高分子材料。以導(dǎo)電聚苯胺為基礎(chǔ)材料，目前正在開發(fā)許多新技術(shù)，例如電磁屏蔽技術(shù)、抗靜電技術(shù)、船舶防污技術(shù)、隱身技術(shù)、全塑金屬防腐技術(shù)、太陽能電池、電致變色、傳感器元件、二次電池材料、催化材料和防腐材料。

1　聚苯胺

聚苯胺(PANI)因為具有共軛π電子結(jié)構(gòu)而被認(rèn)為是一種典型的共軛聚合物，另外它所具有的共軛π電子結(jié)構(gòu)也使它被認(rèn)為是一種典型的本征型導(dǎo)電聚合物，人們對其十分感興趣并迅速展開了新一輪的深入研究。

1.1聚苯胺的合成方法

1.1.1化學(xué)氧化聚合法

化學(xué)氧化聚合法是在酸性條件下，通過氧化劑對苯胺進行聚合來制得聚苯胺。而酸性條件，通常通過加入無機酸或有機小分子酸及對甲基苯磺酸(TSA)等來營造。化學(xué)氧化聚合法操作簡便，但存在產(chǎn)物可加工性能差的缺點。

1.1.2電化學(xué)聚合法

電化學(xué)聚合法制備聚苯胺是通過電解氧化聚合反應(yīng)，在電極陽極生成聚苯胺薄膜或粉末。電化學(xué)聚合法合成的聚苯胺較化學(xué)氧化聚合法的純度高，反應(yīng)條件簡單且易于控制，但不適合大批量生產(chǎn)聚苯胺。

1.1.3乳液聚合法

在傳統(tǒng)的正相乳液聚合法中，分散介質(zhì)大多數(shù)情況下是水，乳化劑常采用三大類，分別是：第一類——陰離子表面活性劑；第二類——陽離子表面活性劑；第三類——非離子表面活性劑。另外使用甲苯或氯仿當(dāng)助乳化劑，引發(fā)劑則與溶液聚合相同，多采用水溶性引發(fā)劑過硫酸銨(APS)。這些表面活性劑多為大分子質(zhì)子酸或鹽，可摻雜到聚苯胺中提高其溶解性能，另外，還可使聚苯胺分子間的構(gòu)象變得更有利于分子鏈上電荷的離域化，大幅度提高電導(dǎo)率。也可以在乳液聚合過程中，再添加鹽酸、硫酸、功能質(zhì)子酸等對聚苯胺進行摻雜。通過乳液聚合法制備聚苯胺，可以解決聚苯胺溶解性能和導(dǎo)電性無法兩全的矛盾。且對比別的聚合法，還有以下特點：

①用無污染、低成本的水作為熱載體，產(chǎn)物無需再分離出去溶劑

②產(chǎn)物為可直接投入使用的乳液狀，無需再加一些昂貴或強腐蝕性的溶劑

③工藝簡單易操作，成本較低，對聚合物可加工性能的改善也比較明顯，同時制得的聚苯胺還具有較高的分子量，量子尺寸效應(yīng)，粒子尺寸能達到納米數(shù)量級，比表面積大，宏觀量子隧道效應(yīng)等特點，還能具備常規(guī)材料所沒有的一些新特性。

(4)縮合聚合法

縮合聚合法制備聚苯胺是以苯二胺為原料，相比其它三種聚合方法，縮合聚合法的聚合過程復(fù)雜，不宜常用。

1.2聚苯胺的摻雜

本征態(tài)的導(dǎo)電高分子本來是絕緣體，是通過摻雜才能轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)體或?qū)w。摻雜其實是一個氧化還原過程。不同的摻雜方式和方法直接的差異很大，直接影響著聚苯胺的導(dǎo)電性能。

1.3聚苯胺的復(fù)合改性

人們會將聚苯胺與一些加工性能好的聚合物復(fù)合，以此來改善它的可加工性。另外也可以和無機物或各種金屬粉末及金屬化合物復(fù)合，可得到功能不同的材料和導(dǎo)電納米復(fù)合材料。

1.4聚苯胺/聚合物復(fù)合材料

聚苯胺/聚合物復(fù)合材料是合成材料，所以制備的方法也比較多，大體上可以分為三大類。由于合成的方法方式各有差異，得到的材料表現(xiàn)的性能差距也大。共聚法是采用化學(xué)的手段使各物質(zhì)直接達到結(jié)合，共聚后聚合物鏈段得到重組使得制備的聚苯胺復(fù)合材料加工性能好。共混法可以分為兩大類：一是機械共混法，在操作上簡單且方便實施，但隨之得到的材料的相容性和穩(wěn)定性就不那么理想；二是溶液共混法，不同于前者，其制備的材料導(dǎo)電性能和力學(xué)性能都較好。表面吸附聚合法是不同于以上兩種方法，在共聚方法上是先通過單體的聚合在本身不帶電的基體形成導(dǎo)電薄膜，制備需要的功能復(fù)合材料。

2　試劑與儀器

2.1試劑

試劑：苯胺(二次減壓蒸餾)，納米銅粉(分析純)，ABS(分析純)

2.2儀器

儀器：全自動四探針測試儀(RTS-1345型廣州四探針科技)、平板硫化機(3.0MN型無錫市中凱橡塑機有限公司)、雙輥筒開放式煉塑機(SK-160型東莞恒通設(shè)備有限公司)等。

2.3ABS/Cu/PANI復(fù)合材料的制備

本實驗采用機械熔融共混法制備ABS/Cu/PANI復(fù)合導(dǎo)電材料，以ABS樹脂為基體，將ABS顆粒和聚苯胺粉末以4:6的比例，再加入一定量的納米銅粉，一起倒入雙輥筒煉塑機，170℃下混煉15min后取出，放入平板硫化機中，在160℃，20MPa條件下壓制15min，熱壓成型得到ABS/Cu/PANI導(dǎo)電復(fù)合材料.

2.4電導(dǎo)率測試

將聚苯胺粉末和ABS/Cu/PANI復(fù)合導(dǎo)電材料壓制成直徑14mm，厚度0.5mm的模壓圓片，用RTS-1345型全自動四探針測試儀測量其電導(dǎo)率。

3　結(jié)果與討論

納米銅粉加入量對ABS/Cu/PANI復(fù)合導(dǎo)電材料導(dǎo)電率的影響。以HCL：過硫酸銨：苯胺(物質(zhì)量之比)=2:0.5:1，反應(yīng)溫度=0℃的條件下合成聚苯胺。將聚苯胺粉末：ABS顆粒=6:4的比例下，通過加入不同量的納米銅粉，來測試納米銅粉的不同加入量對ABS/Cu/PANI導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電性能的影響。納米銅粉加入量對ABS/Cu/PANI導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響的數(shù)據(jù)如圖

Cu會通過改變聚苯胺鏈的狀態(tài)改善電荷在鏈間、鏈內(nèi)的傳遞來提高電導(dǎo)率。由表可見，ABS/Cu/PANI導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率隨著納米銅粉加入一直增大，但是過多的Cu的加入會影響ABS/Cu/PANI導(dǎo)電復(fù)合材料的柔性、溶解性和可加工性等性能。并且在表中可以看出，當(dāng)Cu和苯胺的物質(zhì)量之比由10：1增加到5:1時，復(fù)合材料的電導(dǎo)率的增幅不是很大，所以還是物質(zhì)量之比為10:1時較為合適，既能保證ABS/Cu/PANI導(dǎo)電復(fù)合材料的電導(dǎo)率，也能保證其柔性、溶解性、可加工性等性能。

4　總結(jié)

在該實驗和論文的開展前，我先通過查閱大量文獻及書籍資料來掌握更多的關(guān)于聚苯胺導(dǎo)電材料的知識，其中包括其來源、性質(zhì)、特點、應(yīng)用及發(fā)展前景等。通過這些了解，確定研究方向，開展實驗。通過實驗部分了解了聚苯胺的合成方法以及ABS/Cu/PANI復(fù)合材料的制備，以及納米銅粉對ABS/Cu/PANI復(fù)合材料的電導(dǎo)率的影響。納米銅粉的加入量與苯胺的物質(zhì)量之比為10:1時，ABS/Cu/PANI復(fù)合材料的電導(dǎo)率達到最大值。

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付傲男(1993.09-)，男，蒙古族，河南鎮(zhèn)平縣人，在校大學(xué)生，專業(yè)：高分子材料與工程。

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