導(dǎo)電聚苯胺的特性及進展.doc

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1、導(dǎo)電聚苯胺的特性及進展院（部、中心）材料科學(xué)與工程專業(yè)材料科學(xué)與工程課程名稱高分子材料進展導(dǎo)電聚苯胺的特性及進展摘要：導(dǎo)電聚苯胺是極有前途的導(dǎo)電聚合物,它能夠廣泛地應(yīng)用于二次電池、金屬的防腐、電致發(fā)光器件的電極修飾等方面。本文根據(jù)文獻資料參考從其結(jié)構(gòu)特性、在可溶性、復(fù)合材料及納米粒子上的研究進展及其應(yīng)用前景做整理描述。關(guān)鍵詞：導(dǎo)電高分子，聚苯胺，摻雜，納米粒子引言：在20世紀(jì)中發(fā)展起來的功能高分子中,導(dǎo)電高分子是最突出的代表之一。20世紀(jì)70年代以前,人們一直將高分子材料作為絕緣材料來使用,從來沒有導(dǎo)電高分子的概念美國的MacDiarmid在參觀日本東京大學(xué)時,看到

2、白川英澍試驗室所合成的聚乙炔薄膜具有奇特的金屬光澤,驚嘆這可能就是他和Heeger等多年尋求的有機導(dǎo)電高分子,于是邀請白川到他的實驗室進行合作研究。他們根據(jù)研究硫氮聚合物(SN)n的經(jīng)驗,用I2和ASF5摻雜聚乙炔,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過摻雜的聚乙炔,導(dǎo)電率增加了10~12個數(shù)量級,達到103Scm的水平,接近于金屬導(dǎo)體,并于1977年報道了這一結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn),突破了高分子是絕緣體的傳統(tǒng)觀念,立即在科學(xué)界和技術(shù)界產(chǎn)生了巨大的影響和沖擊。理論物理學(xué)家從Pierls相變的理論出發(fā),進行量子力學(xué)計算,計算出反式聚乙炔中長短鍵長的差約002nm,由此長短鍵交替所形成的導(dǎo)帶和價帶之間的間隙

3、寬度是14eV,與試驗觀測值一致。進而提出了包括孤子、極化子、雙極化子等內(nèi)容的聚乙炔導(dǎo)電的SSH理論。實驗物理學(xué)家進行了聚乙炔的一系列光譜、結(jié)構(gòu)和光、電、磁學(xué)測量,驗證了理論物理學(xué)家的理論結(jié)果,同時發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時的理論和模型尚不能解釋的新現(xiàn)象。高分子化學(xué)家和材料學(xué)家則不斷改進合成技術(shù),提高聚合物的性能,使聚乙炔的導(dǎo)電率達到105Scm量級,可以和金屬銅相媲美。在短短的20多年中,相繼合成出了數(shù)十種導(dǎo)電高分子,并對它們的光、電、磁性能進行了系統(tǒng)深入的研究,許多新的科學(xué)現(xiàn)象和原理被揭示出來,導(dǎo)電高分子在若干高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)實現(xiàn),或正在蘊育之中。正是由于Heeger、M

4、acDiarmid和白川英澍對導(dǎo)電高分子領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻,他們被授予2000年的Nobel化學(xué)獎。后來人們陸續(xù)開發(fā)了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等導(dǎo)電高分子材料。在眾多的高分子材料中,聚苯胺有原料易得、合成簡單、耐高溫及抗氧化性能良好等優(yōu)點,很快成為導(dǎo)電高分子研究的熱點之一。聚苯胺除了具有其他導(dǎo)電高聚物共有的性質(zhì)外,還有獨特的摻雜機制、良好的電化學(xué)性能、較高的電導(dǎo)率等特點。目前,常壓下聚苯胺的研究工作主要集中在以下幾個方面:聚苯胺沉積工藝及機制的研究;聚苯胺電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)的研究;以及聚苯胺在雷達吸波、電磁屏蔽、光電顯示、電致變色,及傳感器、探測器等光電器件方

5、面的應(yīng)用，利用納米材料的尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)等賦予其特異的物理性能和化學(xué)性能,將納米技術(shù)引入導(dǎo)電聚苯胺材料中,使其集導(dǎo)電性和納米顆粒功能性于一體也已經(jīng)成為導(dǎo)電聚合物材料的又一個重要的研究方向。正文：1聚苯胺的結(jié)構(gòu)和特性：1.1結(jié)構(gòu)中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所根據(jù)IR和Raman光譜所提供的聚苯胺分子結(jié)構(gòu)對稱性的分析，推斷苯胺和甲基苯胺的聚合是苯環(huán)4位上的氧化脫氫和1,4偶聯(lián).并通過實驗證明了苯環(huán)和醌環(huán)的比例是3：1，得出聚苯胺的實際結(jié)構(gòu)如下：聚苯胺還具有如下特點:1、結(jié)構(gòu)多樣化,不同的氧化-還原態(tài)對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu);2、特殊的摻雜機制,它還能夠通過摻雜和反摻雜來改變其性質(zhì)

6、。但聚苯胺由于其鏈的強剛性和鏈間強的相互作用,使它的溶解性極差,幾乎不溶于任何溶劑。這一缺點極大地限制了聚苯胺在技術(shù)上的應(yīng)用。目前,科學(xué)家可以通過結(jié)構(gòu)修飾(衍生物、接枝、共聚),摻雜誘導(dǎo),乳液聚合和化學(xué)復(fù)合等方法獲得可溶性或水溶性導(dǎo)電聚苯胺。1.2性質(zhì)本征態(tài)的聚苯胺是絕緣體,當(dāng)經(jīng)過質(zhì)子酸摻雜或電氧化都可以使聚苯胺電導(dǎo)率提高十幾個數(shù)量級。然而,聚苯胺的摻雜過程與其它的導(dǎo)電聚合物摻雜過程截然不同,通常導(dǎo)電聚合物的摻雜總是伴隨著其主鏈上電子的得失,而聚苯胺在用質(zhì)子酸摻雜時,其電子數(shù)不發(fā)生變化,只是質(zhì)子進入聚苯胺鏈?zhǔn)规湈д?。為了維持電中性對陰離子也進入聚苯胺主鏈。經(jīng)質(zhì)子酸

7、摻雜的PAN又與堿反應(yīng),可變成絕緣體。這種摻雜、反摻雜反應(yīng)在水相、有機相都可以進行,并且可逆。關(guān)于PANI的質(zhì)子酸摻雜機理和摻雜產(chǎn)物的結(jié)構(gòu),主要有極化子晶格模型和四環(huán)苯醌變體模型]進行解釋。兩者共同特點是:摻雜反應(yīng)是從亞胺氮的質(zhì)子化開始,質(zhì)子攜帶的正電荷經(jīng)過分子鏈內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移,沿分子鏈產(chǎn)生周期性的分布。但前者電荷分布的重復(fù)單元包括兩個芳環(huán),而后者的重復(fù)單元包含4個芳環(huán)。從能帶的角度認為摻雜在聚苯胺的能帶中加入雜質(zhì)能帶從而降低了載流子激發(fā)能。電化學(xué)合成的聚苯胺由電極電位來控制氧化程度,合成的聚苯胺的電導(dǎo)率與電極電位和溶液pH值都有關(guān)系,聚苯胺的電導(dǎo)率與溫度也有依