exp990701導(dǎo)電塑膠-聚苯胺

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1、導(dǎo)電塑膠－聚苯胺國立臺(tái)灣大學(xué)普化教學(xué)組民國99年7月林雅凡講師、佘瑞琳講師撰寫，蔡蘊(yùn)明教授校閱修訂一、目的：學(xué)習(xí)以化學(xué)氧化法及電化學(xué)聚合法合成聚苯胺導(dǎo)電塑膠，探討聚苯胺之導(dǎo)電特性，及製備層狀導(dǎo)電聚苯胺。二、實(shí)驗(yàn)技能：學(xué)習(xí)使用操作電磁加熱攪拌器、直流電源供應(yīng)器、三用電表及減壓過濾等實(shí)驗(yàn)技能。三、原理：（一）導(dǎo)電塑膠所謂導(dǎo)體（conductor）就是能夠傳遞電流的物質(zhì)，能以傳遞電流的主因，在於物質(zhì)中的自由電荷之遷徙，使之具有導(dǎo)電性質(zhì)。若以能帶理論（bandtheory）說明，進(jìn)入傳導(dǎo)帶的電子，才能隨外加電場在固體材料內(nèi)部移動(dòng)。按照電子所擁有的能量，可將能帶分為價(jià)帶（valence

2、band）與傳導(dǎo)帶（conductionband）。價(jià)帶是在絕對零度時(shí)，固體材料裡，電子可擁有的最高能量。這也意味著在任何溫度中，電子都有足夠的能量，可以填入價(jià)帶。而傳導(dǎo)帶的能階較高，電子必須獲得較高能量，才有機(jī)會(huì)進(jìn)入。價(jià)帶與傳導(dǎo)帶間，存在著一個(gè)間距，稱為能隙（energygap），電子必須克服此能隙，才能進(jìn)入傳導(dǎo)帶，因此這能隙的大小，決定了電子進(jìn)入傳導(dǎo)帶的難易度，換句話說，能隙的大小，決定了物質(zhì)的導(dǎo)電性（如圖1）。按照能隙大小，可將物質(zhì)分為導(dǎo)體—能隙約為0eV、半導(dǎo)體—能隙約為1-3eV，與絕緣體—能隙大於9eV（1eV=1.6×10-19焦耳）。導(dǎo)體幾乎沒有能隙，只要溫度

3、高於絕對零度，電子便能獲得能量，進(jìn)入傳導(dǎo)帶；半導(dǎo)體在室溫下也無法導(dǎo)電，然而因?yàn)槠淠芟秮K非太大，可藉由加熱或照光等方法，提供電子能量，或藉由摻雜（doping）其他物質(zhì)，降低原有能隙，使價(jià)帶電子能以進(jìn)入傳導(dǎo)帶。至於絕緣體則因能隙太大，使價(jià)帶電子無法進(jìn)入傳導(dǎo)帶，故能阻絕電流。塑膠（plastic），意指一種可塑性高的聚合物（polymer），即是生活中所熟知的絕緣材料，比如利用塑膠裹覆用以導(dǎo)電的電線電纜，來防範(fàn)觸電。(a)導(dǎo)體(b)半導(dǎo)體(c)絕緣體價(jià)帶傳導(dǎo)帶傳導(dǎo)帶圖1導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體能帶理論價(jià)帶價(jià)帶傳導(dǎo)帶能隙>9eV能隙1~3eV能隙0eV「導(dǎo)電塑膠」顧名思義就是能夠?qū)щ姷?/p>

4、高分子，意即將導(dǎo)體與塑膠，在理化性質(zhì)上看似南轅北轍的兩物質(zhì)特性結(jié)合鎔鑄，所發(fā)展出的新興材料。（二）導(dǎo)電塑膠的導(dǎo)電原理圖2常見能作為導(dǎo)電塑膠的有機(jī)高分子聚乙炔(PA)polyacetylene聚苯胺(PANi)polyaniline聚噻吩(PTs)polythiophene聚吡咯(PPy)polypyrrole聚苯乙炔(PPV)polyphenylvinylene聚對苯(PPP)poly-p-phenylene圖2列出幾種常見能作為導(dǎo)電塑膠的高分子結(jié)構(gòu)式。若歸納這些高分子的特性，會(huì)發(fā)現(xiàn)其主鏈（backbone）都具有一連串共軛（conjugate）結(jié)構(gòu)，一般也會(huì)稱其為共軛高分子

5、（conjugatedpolymer）。所謂共軛，即是一單鍵（singlebond）、一雙鍵（doublebond）相互交錯(cuò)、重覆排列的結(jié)構(gòu)。共軛結(jié)構(gòu)的存在是高分子能以導(dǎo)電的第一要件。共軛結(jié)構(gòu)為何能使自由電荷在其上移動(dòng)呢？主要原因是因?yàn)楣曹椊Y(jié)構(gòu)使高分子主鏈上一連串碳原子的p軌域有機(jī)會(huì)平行排列，而得以相互重疊（圖3），而軌域即是描述電子在原子核外出現(xiàn)的區(qū)域，越多p軌域平行排列，使p軌域重疊的範(fàn)圍增大，如此一來，當(dāng)有自由電荷在這條高分子鏈上時(shí)，這些重疊的範(fàn)圍便是自由電荷能出現(xiàn)的區(qū)域，而如果在高分子的兩端給予電壓，自由電荷就能在這些區(qū)域順著電動(dòng)勢移動(dòng)。圖3平行排列的共軛雙鍵p軌域另

6、一方面，由於塑膠物質(zhì)是由許多聚合物鏈所組合成的，故除了單一高分子長鏈之共軛性質(zhì)外，其導(dǎo)電度也會(huì)受到電子是否能從一個(gè)鏈跳到另一個(gè)鏈而有所影響。聚合物鏈如果能很整齊地排列，將會(huì)提升塑膠物質(zhì)的導(dǎo)電能力。（三）聚苯胺作為導(dǎo)電塑膠以下將以聚苯胺（polyaniline,簡寫為PANi）為例，說明共軛高分子如何藉由提升共軛結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)性與聚合物鏈排列的整齊度，來製成導(dǎo)電塑膠。苯胺所謂聚苯胺即是以苯胺（aniline）為單體（monomer）所形成的聚合物。其製備方式可分為化學(xué)氧化聚合、電化學(xué)聚合、及縮合聚合等三種方式。由其製備方式來看，不難理解苯胺所進(jìn)行的聚合反應(yīng)屬於氧化反應(yīng)。又因氧化程度

7、不同，一條聚苯胺高分子長鏈，有可能具備兩種單元，其一是相鄰兩苯胺單體以胺基（氮原子以sp3鍵結(jié)）相接，形成如圖4中的A單元，即苯－苯還原形式，另一則是以亞胺基團(tuán)（氮原子以sp2鍵結(jié)）相接，形成B單元，也就是苯-醌氧化形式。一條聚苯胺高分子長鏈中，A單元與B單元的比例不盡相同，隨其比例變化，可將聚苯胺分成三種不同形式。A:苯-苯還原形式B:苯-醌氧化形式圖4聚苯胺的兩種單元如表1所整理的，若高分子皆以還原形式單元相接，則形成外觀為白色的聚苯胺（leucoemeraldine，簡記為LE），相反地，若皆以氧