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聚苯�
閱讀�20068�(shí)間:2011-09-22 10:50:26

  聚苯胺(Polyaniline� 聚苯胺的主鏈上含有交替的苯環(huán)和氮原子,是一種特殊的�(dǎo)電聚合物。它具有�(yōu)良的電化�(xué)活性和�(huán)境穩(wěn)定�,廣泛應(yīng)用于在蓄電池、光電化�(xué)電池�充電電池、非線性光�(xué)材料��(fā)光二極管、電�屏蔽材料等方��

概述

  聚苯胺一種發(fā)�(xiàn)最早的共軛�(dǎo)電聚合物,其電導(dǎo)率在5�10S/cm之間。在酸性介�(zhì)中,苯胺單體�(jīng)電化�(xué)或化�(xué)氧化聚合成導(dǎo)電聚苯胺。它由還原單元和氧化單元�(gòu)�,其比值在0�1之間,不同比值對(duì)�(yīng)于不同的�(jié)�(gòu)、組分、顏色以及電�(dǎo)�。只有比值為1的中間氧化態(tài)�(jīng)�(zhì)子摻雜后可變?yōu)�?dǎo)�。聚苯胺的電�(dǎo)率與體系的pH值有�(qiáng)烈的依賴�(guān)�。隨著pH值的減少,其電導(dǎo)率經(jīng)歷明顯的絕緣體(pH值≥4�-半導(dǎo)體(2≤pH值≤4�-�(dǎo)體(pH值≤2)的變化,摻雜并�(méi)使聚苯胺主鏈上的電子�(shù)�(fā)生變化。在電極表面生成的聚苯胺有更好的�(dǎo)電性能。聚苯胺的摻雜是�(zhì)子酸型摻�,因此摻雜過(guò)程是�(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程,其電�(xué)性能不僅與聚合度,摻雜劑種類和摻雜程度等因素有關(guān),而且還受到周圍介�(zhì)酸度的影�。聚苯胺生產(chǎn)的原料便宜,合成方法�(jiǎn)�,且空氣�(wěn)定性好,是一種具有工�(yè)化潛力的�(dǎo)電材�,廣泛應(yīng)用在蓄電�、光電化�(xué)電池、非線性光�(xué)材料、發(fā)光二極管、電磁屏蔽材料等方面�

�(jié)�(gòu)原理 

  聚苯胺是典型的有�(jī)�(dǎo)電聚合物,其�(jié)�(gòu)中的π電子雖具有離域能�,但它并不是自由電子,分子中的共軛結(jié)�(gòu)使π電子體系增大,電子離域性增�(qiáng),可移動(dòng)范圍增大,當(dāng)共軛�(jié)�(gòu)�(dá)到足夠大�(shí),化合物即可提供自由電子,從而能�?qū)щ�?/FONT>

  聚苯胺可看作是苯二胺與醌二亞胺的共聚物,y值用于表征聚苯胺的氧化還原程�,不同的y值對(duì)�(yīng)于不同的�(jié)�(gòu)、組分及電導(dǎo)�。完全還原型(y=1)和完全氧化型(y=0)都為絕緣體�

  �(dāng)用質(zhì)子酸�(jìn)行摻雜時(shí),質(zhì)子化�(yōu)先發(fā)生在分子鏈的亞胺氮原子上,質(zhì)子酸�(fā)生離解后,生成的氫質(zhì)子(H)轉(zhuǎn)移至聚苯胺分子鏈�,使分子鏈中亞胺上的氮原子發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng),生成荷電元激�(fā)�(tài)極化�。因�,半氧化半還原態(tài)的聚苯胺�(jīng)�(zhì)子酸摻雜�,分子內(nèi)的醌�(huán)消失,電子云重新分布,氮原子上的正電荷離域到大共軛π鍵中,從而使聚苯胺呈�(xiàn)出高的導(dǎo)電��

作用

  1、聚苯胺可用作防腐蝕涂料

  德國(guó)科學(xué)家成功研制出一種基本上完全不怕生銹和腐蝕的塑膠涂�,這意味著日后要制造壽命過(guò)百年的汽�、游艇和大橋,將不再是天方夜��

  研究人員�(fā)�(xiàn),在金屬表面涂上聚苯胺涂料之�,能夠有效阻止空�、水和鹽分發(fā)揮作�,遏止金屬生銹和腐蝕。這種塑膠涂料成本低,用法�(jiǎn)便,而且不會(huì)破壞�(huán)��

  �(jiǎn)單而言,銹蝕是由金屬原子與氧氣�(jié)合而成,并�(huì)削弱金屬的結(jié)�(gòu)。為此人們一般會(huì)在金屬表面涂上漆油或鍍上鋅層,以減慢金屬氧化成銹的過(guò)�。不�(guò),漆油和鋅層的耐用程度卻有��

  相對(duì)于漆油和鋅,聚苯胺的功能大相徑庭。它不是用作屏障,而是充當(dāng)催化�,以干擾金屬氧化成銹這�(gè)化學(xué)反應(yīng)。聚苯胺先從金屬吸取電子,然后將之傳到氧氣中。這兩�(gè)步驟�(huì)形成一層純氧化物以阻止銹蝕�

  在實(shí)�(yàn)室的�(huán)境下,用聚苯胺制造出一種「耐用的有�(jī)金屬�,其防銹能力較鋅�(qiáng)一�(wàn)倍。在�(shí)地測(cè)試方�,聚苯胺的防銹效能則下降至介乎鋅的三至十�,這已是很大的�(jìn)步,并且還有更大的潛力提升性能�

  納米聚苯胺還可以制成聚苯�/�(huán)氧共混體系、聚苯胺/聚氨酯共混體�、聚苯胺/聚酰亞胺共混體系、聚苯胺/苯乙烯丙烯酸共聚物(SAA)共混體系以及聚苯胺/聚丁基異丁酸酯共混體系等,這些共混物可用于各種�(chǎng)合的表面保護(hù)�

  這種聚合物涂層優(yōu)勝于鋅之處,還在于其本身不屬于重金屬,因此對(duì)食物鏈和人體健康的影響較小,而且較鋅便宜,更可用于幾乎所有金屬表�。目前,日本、韓�(guó)、意大利、德�(guó)和法�(guó)等歐亞國(guó)�,都已開始采用聚苯胺�

  2、聚苯胺可用作抗靜電和電磁屏蔽材�

  由于它具有良好的�(dǎo)電�,且與其它高聚物的親合性優(yōu)于碳黑或金屬�,可以作為添加劑與塑�、橡膠、纖維結(jié)�,制備出抗靜電材料及電磁屏蔽材料(如用于手機(jī)外殼以及微波爐外層防輻射涂料、和軍用隱形材料等)�

  3、聚苯胺可用作二次電池的電極材料

  高純度納米聚苯胺具有良好的氧化還原可逆�,可以作為二次電池的電極材料�

  4、聚苯胺可用作選擇電�

  納米聚苯胺對(duì)于某些離子和氣體具有選擇性識(shí)別和透過(guò)�,因此可作為離子或氣體選擇電極�

  5、聚苯胺可用作特殊分離膜

  納米聚苯胺因其具有良好的氧化還原可逆性也可制成特殊分離膜等�

  6、聚苯胺可用作高溫材�

  �(dǎo)電聚苯胺納米材料�(jīng)�(cè)試其熱失重溫度大�200℃,�(yuǎn)�(yuǎn)大于其他塑料制品,所以還可以制備成高溫材��

  7、聚苯胺可用作太�(yáng)能材�

  納米聚苯胺具有良好的�(dǎo)熱�,其�(dǎo)熱系�(shù)是其他材料的2—�3�,所以可作為�(xiàn)有太�(yáng)能材料的替代�(chǎn)��

�(yīng)�

  1、聚苯胺在金屬防腐領(lǐng)域的�(yīng)�

  金屬腐蝕給國(guó)民經(jīng)�(jì)帶來(lái)了巨大的損失,由腐蝕引起的破壞事例遍及所有使用金屬的�(chǎng)�。據(jù)�(tǒng)�(jì),每年由于腐蝕而報(bào)廢的金屬�(shè)備和材料相當(dāng)于金屬年�(chǎn)量的1/3,造成的損失非常巨大�1985�,DeBerry�(fā)�(xiàn),在酸性介�(zhì)中用電化�(xué)法合成的聚苯胺膜能使不銹鋼表面活性鈍化而防�,這一特點(diǎn)引起了人們的�(guān)注,從此人�?cè)诟g防護(hù)�(lǐng)域開始了�(dǎo)電高分子膜的�(yīng)用研�。其防腐�(jī)理為:聚苯胺使金屬和聚苯胺膜界面處形成一層金屬氧化膜,該金屬的電極電位處于鈍化區(qū),從而得到保�(hù)。聚苯胺的氧化還原電位比鐵高,當(dāng)兩者相互接觸時(shí),在水和氧的參與下發(fā)生氧化還原反�(yīng),在界面處形成一層致密的金屬氧化��

  聚苯胺作為一種優(yōu)良的防腐材料逐漸被引起重�,并且有可能成為聚苯胺最有希望的�(yīng)用領(lǐng)域。研究結(jié)果顯�,聚苯胺在環(huán)境pH值≥7�(shí)具有完全氧化�(tài)(LEB)和半氧化態(tài)(EB)結(jié)�(gòu),這兩種結(jié)�(gòu)的聚苯胺在金屬的防護(hù)�(guò)程中,只起到一種機(jī)械隔離作�,它類似于金屬表面的非金屬涂裝保�(hù)這種形式,當(dāng)金屬表面的聚苯胺有缺損時(shí),它�(duì)該部位不能起到保�(hù)作用;而當(dāng)聚苯胺在�(huán)境pH�<7�(shí),聚苯胺�(jié)�(gòu)�(fā)生變�,形成聚苯胺鹽(ES)形�(tài),此�(shí)聚苯胺具有良好的�(dǎo)電性和電化�(xué)活�。當(dāng)金屬表面的聚苯胺有缺損時(shí),它�(duì)該部位起一種催化鈍化作用,使缺損聚苯胺涂層的金屬裸露部分在酸性條件下,發(fā)生陽(yáng)極氧化反�(yīng),快速恢�(fù)表面鈍化�。聚苯胺�(duì)氧氣的滲透起到了屏障作用,使之無(wú)法直接滲透到金屬表面,從而吸氧腐蝕無(wú)法發(fā)�。同�(shí)在鐵被氧化過(guò)程中�(chǎn)生H ,可以�(jìn)一步摻雜本征態(tài)聚苯�。通過(guò)在聚苯胺上引入磺酸基�(tuán)等方法制備可溶性聚苯胺,人們采用機(jī)械涂膜的方法在金屬表面形成均勻完整的聚苯胺防腐膜,取得了很好的效�。作為防腐涂�,無(wú)論從試驗(yàn)室結(jié)果還是實(shí)際檢�(cè)�(jié)果來(lái)看,聚苯胺都是較為理想的,尤其是其特有的抗腐�、抗劃傷能力更是單純�(huán)氧涂層不可比擬的。因�,聚苯胺類防腐涂料有較大的實(shí)用前��

  2、聚苯胺在二次電池方面的�(yīng)�

  由于聚苯胺具有良好可逆的電化�(xué)氧化還原性能,因而適宜做電極材料,制造可以反�(fù)充放電的二次電池�1991年日本橋石公司推出�(gè)商品化的聚合物鈕扣二次電�,其正極為聚苯胺,負(fù)極為鋰鋁合金,電解質(zhì)是LiBF4,為了克服聚苯胺鋰電池易燃、易�、干涸的缺點(diǎn)�20世紀(jì)90年代后期,用嵌鋰的炭電極取代金屬鋰。這類商品化電極的充放電容量已�(dá)800Ah/kg�1000Ah/kg,現(xiàn)在這類電池市場(chǎng)占有率可以與鎳鎘或鎳氫電池相比。把電池中正�(fù)極活性物�(zhì)和電解質(zhì)都做成幾十微米厚的薄膜壓制在一�,日本已研究開發(fā)了薄膜型Li-Al/LiBF4-(PC DME�/Pan二次電池�

  Kitani�(fā)�(xiàn)用電化學(xué)合成的聚苯胺制成的蓄電池�1.0�1.7V之間�1mA/cm2�(jìn)行充放電�(shí),充 放電效率可達(dá)100,充電容量為40Ah/kg,可循環(huán)2000次以�。以化學(xué)合成的聚苯胺為正極組成全固態(tài)鋰電池在2.5�4.0V之間的充放電效率可達(dá)95,循�(huán)次數(shù)可超�(guò)200�。此外也有研究用聚苯胺的�(fù)合臘制備的二次電池,其電池容量密度可�(dá)120Ah/kg,可循環(huán)200次以��

  3、聚苯胺�(dǎo)電纖維的�(yīng)�

  用聚苯胺制備�(dǎo)電纖�,不僅導(dǎo)電性優(yōu)良持�,而且通過(guò)改變摻雜酸的濃度,很容易�(diào)節(jié)纖維的電�(dǎo)�,這是其它纖維所不具備的�(yōu)良性質(zhì)。在普通纖維中混用極少量的�(dǎo)電纖�,就能賦予纖維制品充分的抗靜電性能,而且抗靜電性能不會(huì)受到�(huán)境濕度的影響。文�(xiàn)�(bào)�,以還原式聚苯胺為成纖高聚物,N-甲基吡咯烷酮為紡絲溶�,采用濕法紡絲制得聚苯胺纖維。在完成整�(gè)紡絲�(guò)程后,再�(duì)纖維�(jìn)行氧化摻雜,賦予其導(dǎo)電�。該法制得的聚苯胺導(dǎo)電纖維的比電阻為1.05×10-2Ω·cm�

  4、聚苯胺在電磁屏蔽材料方面的�(yīng)�

  隨著電器制品和電子器件的商業(yè)�(yīng)�、軍事應(yīng)用和科學(xué)�(yīng)用的迅速增�(zhǎng),電磁干擾也稱作電磁�(huán)境污染問(wèn)題日漸嚴(yán)重,電磁干擾屏蔽日益受到�(guān)�。導(dǎo)電聚苯胺具有重量�、韌性好、易加工和電�(dǎo)率易于調(diào)節(jié)的優(yōu)�(shì),是一種優(yōu)良的電磁屏蔽材料。文�(xiàn)�(bào)�,在頻率范圍10MHz�1GHz之間,用高導(dǎo)電率的聚苯胺作屏蔽材�,可得到20dB以上的屏蔽效力。高�(dǎo)電聚苯胺薄膜的厚度超�(guò)20μm�(shí),其屏蔽效力大于40dB,可以滿足民用標(biāo)�(zhǔn)。但用導(dǎo)電聚苯胺作電磁屏蔽材料時(shí),目前存在的�(guān)鍵問(wèn)題是聚苯胺的電導(dǎo)率還不夠高。因�,提高聚苯胺的電�(dǎo)率是今后的主要研究目�(biāo)�

  5、聚苯胺在抗靜電方面的應(yīng)�

  常用的抗靜電劑有�(fù)合型�(dǎo)電高分子材料和表面活性劑等。前者因其力�(xué)性能�、不耐腐蝕等缺點(diǎn)很難�(zhǎng)期有�。而后者的抗靜電性則�(qiáng)烈的依賴于環(huán)境的濕度�,耐久性也不好。聚苯胺電導(dǎo)率可�10-5�105S/m范圍�(nèi)�(diào)節(jié),與其它高分子材料的相容性大于金屬和炭黑,并且有好的�(wěn)定性和耐腐蝕性等,因此有望成為新的抗靜電材料�

  6、聚苯胺在其它方面的�(yīng)�

  在電致發(fā)光管�(yīng)用方�,聚苯胺是重要的新型顯示材料之一,會(huì)大大降低�(fā)光二極管的工作電�,在延長(zhǎng)器件壽命方面,IBM研究小組使用�(dǎo)電聚苯胺作電極的隔離�,將�(fā)光器件的壽命延長(zhǎng)�1000�。利用聚苯胺的電致變色特�,可以用它來(lái)做智能窗和各種電致變色薄膜器�,在軍事偽裝方面有著較大的應(yīng)用前�。利用聚苯胺吸收微波的特�,法�(guó)已研制出了隱形潛艇�

  通過(guò)改變摻雜劑的種類和濃度調(diào)整材料的形態(tài),可精確控制聚苯胺薄膜的離子透過(guò)率及氣體透過(guò)率或分子尺寸的選擇�,因此聚苯胺也可用來(lái)制作選擇性透過(guò)膜。聚苯胺在不同氧化態(tài)下體積有顯著的不�,對(duì)外加電壓有體積響�(yīng),可以用于制造人工肌�。聚苯胺還可用作光學(xué)器件及非線性光�(xué)器件�

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