共混法制備聚苯胺導電發泡材料的性能研究

孔俊嘉，明 皓,2

(1.沈陽科技學院，遼寧 沈陽 110167；2.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870)

與傳統的導電材料（如：金屬，石墨）相比較，導電高分子材料具有許多優異的性能，可用于抗靜電材料、雷達吸波材料、生物電極等[1～2]。導電高分子材料包括導電塑料和導電橡膠等。導電塑料常加入發泡劑使塑料密度降低，從而起到降低產品重量、節省成本的目的。同時在很多應用中，發泡材料的隔熱、吸震性能也比致密塑料好[3]。

在眾多的導電高分子材料中，聚苯胺（PANI）以其具有多樣化的結構、較高的電導率、獨特的摻雜機制、優異的物理性能、良好的環境穩定性、原料廉價易得、合成方法簡便等優點，在能源、電磁屏蔽、防腐和電致變色等領域有著廣闊的應用前景[4～5]。如果能將聚苯胺制成發泡材料，相對于現在市面上的同類材料來講，競爭力將更加強勁，有望成為新一代的環保材料。聚苯胺經過發泡處理后可以形成泡沫結構，極大的增大聚合物的比表面積[6～7]。在泡沫結構中填載微生物，制作成生物電極，可以避免傳統廢舊電池中重金屬泄漏對環境造成的污染與破壞，為制作性能優異的綠色環保電池提供了基質。

研究發現直接單純的將聚合好的聚苯胺乳液發泡，其成品脆性較強，泡沫結構較易被破壞。所以本實驗采用共混的方法，將聚苯胺乳液與丙烯酸樹脂共混并制備出彈性較好的膜結構產品[8]。本文對聚苯胺在發泡材料領域的應用進行了科學的論證和創新，并且取得了較好的實驗效果，為聚苯胺的研究提供了一條新的思路，為將來產品在生產和生活中各個領域的應用奠定了基礎。

1 實驗部分

1.1 主要原料

苯胺，天津科密歐化學試劑有限公司；無水乙醇，天津科富宇精細化工有限公司；過硫酸銨，天津市福晨化學試劑廠；對甲苯磺酸，天津市瑞金特化學品有限公司；三氯化鐵，天津科密歐化學試劑有限公司；丙烯酸，天津市福晨化學試劑廠；丙烯酸丁酯，天津科密歐化學試劑有限公司；正戊烷，國藥集團化學試劑有限公司；吐溫80，天津科密歐化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器設備

恒溫磁力攪拌器，85-2，國華電器有限公司；六聯電動攪拌器，JJ-4，常州國華電器有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG-9240A型，上海精宏實驗設備有限公司；旋轉蒸發儀，RE52CS，上海亞榮生化儀器廠；電化學分析儀，CHI604A，上海辰華儀器公司。

1.3 合成方法

在一定溫度下，將苯胺與對甲苯磺酸加入三口瓶中，不斷攪拌，反應10 min，生成苯胺鹽。將溶于乙醇的三氯化鐵溶液緩慢滴加到上述體系，氧化聚合反應4～12 h。然后將混合液置于一定比例的丙烯酸丁酯、丙烯酸、乙醇、正戊烷、吐溫80的混合體系中，于85～88 ℃的恒溫水浴中高速攪拌，在此期間加入過硫酸銨引發反應，得到彈性較好的膜狀物質，室溫干燥，即得到聚苯胺發泡材料。

1.4 正交試驗設計

根據對甲苯磺酸，引發溫度，攪拌時間，三氯化鐵質量，過硫酸銨質量等單因素不同，確定5因素4水平進行正交實驗，正交試驗設計如表1。

表1 正交試驗設計表

2 結果與討論

2.1 產率分析

表2為實驗1～16的產物顏色和產率計算表。可以直觀的看出隨著反應條件的不同，顏色出現規律性的變化，產率也有大范圍的起伏，可見反應條件對產物的產量和性狀均有較大影響。

表2 產率分析表

由上表可以看出，當對甲苯磺酸濃度為4 mol/L，引發溫度為15 ℃，攪拌2 h，三氯化鐵質量為4 g，過硫酸銨質量為2.7 g時產率最高。隨著摻雜酸對甲苯磺酸濃度的增大，產率隨之越大；當過硫酸銨占單體量的10%左右，引發溫度為0 ℃時，產率較高。此外，隨著對甲苯磺酸濃度的增加，其顏色逐漸加深，說明氧化程度逐漸增高。

2.2 電導率測試

表3為實驗1～16的電導率計算表?？梢灾庇^的看出隨著反應條件的不同，電導率出現規律性的變化，可見反應條件對產物的電導率有較大影響。

表3 電導率計算結果表

由上表可以看出，當對甲苯磺酸濃度為4 mol/L，引發溫度為0 ℃，攪拌4 h，三氯化鐵質量為3 g，過硫酸銨質量為1.9 g時電導率最高。隨著對甲苯磺酸的濃度增大，合成產物的電導率越大；引發溫度為0 ℃時，攪拌時間越長，混合越充分，電導率也越大。

2.3 交流阻抗譜分析

表4為共聚-共混法制備的聚苯胺發泡材料的交流阻抗譜相應范圍。

表4 交流阻抗譜相應范圍

由產率和電導率分析，當對甲苯磺酸濃度為4 mol/L時，性能較好，故我們主要針對實驗1～4進行交流阻抗譜研究，如下圖1，2為共聚-共混法制備的聚苯胺發泡材料的交流阻抗譜圖，對應于實驗1～4。

由圖1和2可以發現，Bode譜圖在高頻區出現圓弧，表現為容抗性；中低頻端呈線性，表現為純電阻特性。所以該材料可在高頻時作為電容，而在低頻時作為電阻，是一種性能優異的導電材料。

由圖1、2和表4可見，反應條件不同時，交流阻抗Bode譜圖有不同的響應范圍和趨勢。查閱大量電化學相關資料，造成這樣現象的原因是多樣和綜合的，總的來說，摻雜酸的種類和濃度對反應產物的產量、結構和性能影響最大，其次是引發溫度和反應時間。當然，攪拌的速度及發泡過程中容器空間的大小和形狀都會造成電化學表征結果的巨大差異。Bode圖譜響應范圍最大在1～105 kohm之間，或者可能在極小的范圍內。針對不同的應用和對導電性能的需求，可選擇不同的反應條件，以達到不同的目的。

圖1 共混法制備的聚苯胺發泡材料的交流阻抗譜阻抗實部圖

圖2 共混法制備的聚苯胺發泡材料的交流阻抗譜阻抗虛部圖

3 結論

（1）隨著摻雜酸對甲苯磺酸濃度的增加，過硫酸銨占單體量的10%左右，聚苯胺引發溫度為0 ℃時，產率最高可達到90.74%。

（2）隨著對甲苯磺酸濃度的增加，樣品顏色逐漸加深，說明隨著酸濃度的增加，樣品的氧化程度增大，樣貌也顯示出不同的特征。

（3）對甲苯磺酸的濃度越大，合成產物的電導率越大；引發溫度為0 ℃時，電導率最大可達到0.26 S/cm；另外，攪拌時間越長，混合越充分，電導率也隨之增大。