聚苯胺導電材料改性及探究

付傲男

(西北民族大學化工學院，甘肅 蘭州 730030)

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聚苯胺導電材料改性及探究

付傲男

(西北民族大學化工學院，甘肅 蘭州 730030)

聚苯胺是應用最廣泛的導電高分子材料之一，通過改性的方法增加其導電率。通過機械共混法來制備ABS/Cu/PANI復合導電材料，研究納米銅粉的加入對復合導電材料導電性能的影響以及納米銅粉的不同加入量對復合導電材料導電性能的影響。總結出關于制備ABS/Cu/PANI復合導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；導電率

引言

由于導電聚合物具有良好的電學、光學以及氧化還原特性在近20年里一直備受關注，在能源、電磁屏蔽和電致變色等領域有著廣闊的前景。自從1984年MacDiarmid在酸性條件下由苯胺單體獲得具有導電性聚合物，聚苯胺已成為現(xiàn)在研究進展最快的導電聚合物之一。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、電化學性能、化學穩(wěn)定性及光學性能；c.獨特的摻雜現(xiàn)象；d.高的電導率；e.擁有良好的環(huán)境穩(wěn)定性。聚苯胺被認為是最有希望在實際中得到應用的導電高分子材料。以導電聚苯胺為基礎材料，目前正在開發(fā)許多新技術，例如電磁屏蔽技術、抗靜電技術、船舶防污技術、隱身技術、全塑金屬防腐技術、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電子結構而被認為是一種典型的共軛聚合物，另外它所具有的共軛π電子結構也使它被認為是一種典型的本征型導電聚合物，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化學氧化聚合法

化學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。化學氧化聚合法操作簡便，但存在產物可加工性能差的缺點。

1.1.2電化學聚合法

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

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象變得更有利于分子鏈上電荷的離域化，大幅度提高電導率。也可以在乳液聚合過程中，再添加鹽酸、硫酸、功能質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，產物無需再分離出去溶劑

②產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，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雜，不宜常用。

1.2聚苯胺的摻雜

本征態(tài)的導電高分子本來是絕緣體，是通過摻雜才能轉變成半導體或導體。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電性能。

1.3聚苯胺的復合改性

人們會將聚苯胺與一些加工性能好的聚合物復合，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合，可得到功能不同的材料和導電納米復合材料。

1.4聚苯胺/聚合物復合材料

聚苯胺/聚合物復合材料是合成材料，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。共聚法是采用化學的手段使各物質直接達到結合，共聚后聚合物鏈段得到重組使得制備的聚苯胺復合材料加工性能好。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，其制備的材料導電性能和力學性能都較好。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電薄膜，制備需要的功能復合材料。

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型東莞恒通設備有限公司)等。

2.3ABS/Cu/PANI復合材料的制備

本實驗采用機械熔融共混法制備ABS/Cu/PANI復合導電材料，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導電復合材料.

2.4電導率測試

將聚苯胺粉末和ABS/Cu/PANI復合導電材料壓制成直徑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率。

3　結果與討論

納米銅粉加入量對ABS/Cu/PANI復合導電材料導電率的影響。以HCL：過硫酸銨：苯胺(物質量之比)=2:0.5:1，反應溫度=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導電復合材料的導電性能的影響。納米銅粉加入量對ABS/Cu/PANI導電復合材料電導率的影響的數(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、鏈內的傳遞來提高電導率。由表可見，ABS/Cu/PANI導電復合材料電導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導電復合材料的柔性、溶解性和可加工性等性能。并且在表中可以看出，當Cu和苯胺的物質量之比由10：1增加到5:1時，復合材料的電導率的增幅不是很大，所以還是物質量之比為10:1時較為合適，既能保證ABS/Cu/PANI導電復合材料的電導率，也能保證其柔性、溶解性、可加工性等性能。

4　總結

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于聚苯胺導電材料的知識，其中包括其來源、性質、特點、應用及發(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復合材料的制備，以及納米銅粉對ABS/Cu/PANI復合材料的電導率的影響。納米銅粉的加入量與苯胺的物質量之比為10:1時，ABS/Cu/PANI復合材料的電導率達到最大值。

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

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