回形針狀納米聚苯胺的合成及表征

趙 旭，李 強，李 亮

(武漢工程大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

納米導電聚合物由于它們獨特的化學和物理性質(zhì)及潛在應用于電子器件模塊受到了廣泛關(guān)注.合成納米聚合物的方法有很多，主要包括輔助模板法[1-3]，界面聚合[4]，軟模板聚合.然而，大多數(shù)報道的重點是合成零維或一維的納米結(jié)構(gòu)(納米球，納米管)，很少關(guān)于高階空間納米結(jié)構(gòu)，例如，應用于制造電子器件[5]的二維[6]或者三維納米結(jié)構(gòu).本文介紹了用氧化模板法合成二維回形針狀納米聚苯胺，其中的氧化模板是由陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和過硫酸銨(APS)組成的.這類氧化模板有潛力成為沉淀聚合法合成導電聚合物最常用的模板.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：苯胺；十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)；過硫酸銨(APS)；1 mol/L HCl；去離子水；丙酮.

儀器：標準四探針電導率儀；傅里葉紅外光譜儀；日立S-3000N型掃描電子顯微鏡；上海辰華CHI660D電化學工作站.

1.2 無模板聚苯胺的制備

在冰水浴的條件下，取0.09 mol的苯胺，加入60 mL濃度為1 mol/L的HCl攪拌10 min使其混合均勻，溶液都冷卻到0～3 ℃.再緩慢加入0.03 mol/L的APS，靜置反應24 h，深綠色的聚苯胺被析出，用大量去離子水，1 mol/L HCl和丙酮洗滌，最后真空干燥12 h.

1.3 有模板聚苯胺的制備

在冰水浴的條件下，取0.01 mol的CTAB使其均勻分散在60 mL濃度為1 mol/L的HCl中.然后磁力攪拌10 min，加入0.03 mol的APS并繼續(xù)攪拌10 min致使反應模板以白色顆粒的形式出現(xiàn).溶液都冷卻到0～3 ℃.再加入0.09 mol/L的苯胺靜置反應24 h，深綠色的聚苯胺被析出，用大量去離子水，1 mol/L HCl和丙酮洗滌，最后真空干燥12 h.

2 結(jié)果與討論

2.1 電導率的測定

采用四探針法對所制備的聚苯胺材料進行了電導率的測定.將粉末在30 MPa壓力下壓片，結(jié)果如表1和表2和所示.測定電導率的公式如下：

(1)

式(1)中R為樣品電阻(Ω)；l為兩根探針間的距離(cm)；A為樣品的橫截面積.

表1 有模板制備聚苯胺的電導率

表2 無模板制備聚苯胺的電導率

從表1和表2中可以觀察到有無模板對聚苯胺的電導率影響不大，范圍在1.8～2.5 S/cm.無模板的電導率略大于有模板的，隨著氧化劑用量的增加，電導率都呈增大的趨勢，但是并不明顯.

2.2 表面形貌的分析

聚苯胺的掃描電鏡圖片如圖1所示.圖1顯示無模板制備聚苯胺的形態(tài)是顆粒狀的，而有模板的形態(tài)是回形針狀的.這表明有無CTAB的加入對聚苯胺的形態(tài)有很大影響.顆粒狀的直接約為100 nm，回形針狀的直接約為50～70 nm.同時單體與氧化劑的比例也對回形針狀的形貌有影響，當其比例達到最佳時形貌最清晰，如圖1C所示.

圖1 聚苯胺的掃描電鏡圖片

2.3 紅外光譜的分析

圖2 無模板制備聚苯胺的紅外圖譜

圖3 有模板制備聚苯胺的紅外圖譜

2.4 電化學分析

先將聚苯胺粉末在Pt電極制成膜，然后放入1 mol/L KCl電解液中進行掃描.掃描速率100 mV/s，掃描范圍：-0.2～1.0 V.掃描結(jié)果如圖4所示.

圖4 聚苯胺的循環(huán)伏安圖

從圖4中可知a和b均有一對氧化還原峰，其中a的氧化峰電壓為0.5 V，峰電流為3.8×10-5A；還原峰電壓為0.03 V，峰電流為6.0×10-5A.而b的的氧化峰電壓為0.4 V，峰電流為3.0×10-5A；還原峰電壓為0.05 V，峰電流為7.0×10-5A.因為a和b的氧化還原峰電壓差異不大，可以得出有無CTA的得加入對聚苯胺的電化學活性影響不大.

3 結(jié) 語

用常規(guī)氧化模板法制備了具有二維結(jié)構(gòu)的回形針狀納米聚苯胺.其特點如下：

a.所用的氧化模板使反應迅速，同時此反應為一步法，反應過程簡單；

b.回形針狀的結(jié)構(gòu)是由氧化模板薄片經(jīng)過復雜的組裝形成的；

c.與不加入模板形成的聚苯胺顆粒樣品相比，納米回形針狀聚苯胺的電導率與電化學活性相差不大.

參考文獻：

[1] Cepak V M, Martin C R. Preparation of polymeric micro- and nanostructures using a template-based deposition method [J]. Chem Mater， 1999(11)：1363-1367.

[2] Zhang X, Zhang J, Liu Z, et al. Inorganic/organic mesostructure directed synthesis of wire/ribbon-like polypyrrole nanostructures [J]. Chem Commun, 2004:1852-1853.

[3] Wu A, Kolla H, Manohar S K. Green chemistry synthesis of nanostructured poly(2,5-dimethoxyaniline) [J]. Macromolecules, 2005(38): 7873-7875.

[4] Huang J, Virji S, Weiller B H, et al. Conducting polymer nanofibers: synthesis and applications[J]. J Am Chem Soc, 2003(125): 314-315

[5] Ackermann J, Videlot C, Nguyen T N, et al. Micro-patterning of self-supporting layers with conducting polymer wires for 3D-chip interconnection applications [J]. Appl Surf Sci, 2003(212): 411-416.

[6] Wang Y, Yu C, Li Z, et al. Synthesis of ordered spiral and ring-like polypyrrolenanowires in cetyltrimethylam-mounium bromide crystalline suspension [J]. Colloid Polym Sci， 2009(287)： 1325-1330.