exp990701导电塑胶-聚苯胺

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1、導電塑膠－聚苯胺國立台灣大學普化教學組民國99年7月林雅凡講師、佘瑞琳講師撰寫，蔡蘊明教授校閱修訂一、目的：學習以化學氧化法及電化學聚合法合成聚苯胺導電塑膠，探討聚苯胺之導電特性，及製備層狀導電聚苯胺。二、實驗技能：學習使用操作電磁加熱攪拌器、直流電源供應器、三用電表及減壓過濾等實驗技能。三、原理：（一）導電塑膠所謂導體（conductor）就是能夠傳遞電流的物質，能以傳遞電流的主因，在於物質中的自由電荷之遷徙，使之具有導電性質。若以能帶理論（bandtheory）說明，進入傳導帶的電子，才能隨外加電場在固體材料內部移動。按照電子所擁有的能量，可將能帶分為價帶（valence

2、band）與傳導帶（conductionband）。價帶是在絕對零度時，固體材料裡，電子可擁有的最高能量。這也意味著在任何溫度中，電子都有足夠的能量，可以填入價帶。而傳導帶的能階較高，電子必須獲得較高能量，才有機會進入。價帶與傳導帶間，存在著一個間距，稱為能隙（energygap），電子必須克服此能隙，才能進入傳導帶，因此這能隙的大小，決定了電子進入傳導帶的難易度，換句話說，能隙的大小，決定了物質的導電性（如圖1）。按照能隙大小，可將物質分為導體—能隙約為0eV、半導體—能隙約為1-3eV，與絕緣體—能隙大於9eV（1eV=1.6×10-19焦耳）。導體幾乎沒有能隙，只要溫度

3、高於絕對零度，電子便能獲得能量，進入傳導帶；半導體在室溫下也無法導電，然而因為其能隙並非太大，可藉由加熱或照光等方法，提供電子能量，或藉由摻雜（doping）其他物質，降低原有能隙，使價帶電子能以進入傳導帶。至於絕緣體則因能隙太大，使價帶電子無法進入傳導帶，故能阻絕電流。塑膠（plastic），意指一種可塑性高的聚合物（polymer），即是生活中所熟知的絕緣材料，比如利用塑膠裹覆用以導電的電線電纜，來防範觸電。(a)導體(b)半導體(c)絕緣體價帶傳導帶傳導帶圖1導體、半導體、絕緣體能帶理論價帶價帶傳導帶能隙>9eV能隙1~3eV能隙0eV「導電塑膠」顧名思義就是能夠導電的

4、高分子，意即將導體與塑膠，在理化性質上看似南轅北轍的兩物質特性結合鎔鑄，所發展出的新興材料。（二）導電塑膠的導電原理圖2常見能作為導電塑膠的有機高分子聚乙炔(PA)polyacetylene聚苯胺(PANi)polyaniline聚噻吩(PTs)polythiophene聚吡咯(PPy)polypyrrole聚苯乙炔(PPV)polyphenylvinylene聚對苯(PPP)poly-p-phenylene圖2列出幾種常見能作為導電塑膠的高分子結構式。若歸納這些高分子的特性，會發現其主鏈（backbone）都具有一連串共軛（conjugate）結構，一般也會稱其為共軛高分子

5、（conjugatedpolymer）。所謂共軛，即是一單鍵（singlebond）、一雙鍵（doublebond）相互交錯、重覆排列的結構。共軛結構的存在是高分子能以導電的第一要件。共軛結構為何能使自由電荷在其上移動呢？主要原因是因為共軛結構使高分子主鏈上一連串碳原子的p軌域有機會平行排列，而得以相互重疊（圖3），而軌域即是描述電子在原子核外出現的區域，越多p軌域平行排列，使p軌域重疊的範圍增大，如此一來，當有自由電荷在這條高分子鏈上時，這些重疊的範圍便是自由電荷能出現的區域，而如果在高分子的兩端給予電壓，自由電荷就能在這些區域順著電動勢移動。圖3平行排列的共軛雙鍵p軌域另

6、一方面，由於塑膠物質是由許多聚合物鏈所組合成的，故除了單一高分子長鏈之共軛性質外，其導電度也會受到電子是否能從一個鏈跳到另一個鏈而有所影響。聚合物鏈如果能很整齊地排列，將會提升塑膠物質的導電能力。（三）聚苯胺作為導電塑膠以下將以聚苯胺（polyaniline,簡寫為PANi）為例，說明共軛高分子如何藉由提升共軛結構的傳導性與聚合物鏈排列的整齊度，來製成導電塑膠。苯胺所謂聚苯胺即是以苯胺（aniline）為單體（monomer）所形成的聚合物。其製備方式可分為化學氧化聚合、電化學聚合、及縮合聚合等三種方式。由其製備方式來看，不難理解苯胺所進行的聚合反應屬於氧化反應。又因氧化程度

7、不同，一條聚苯胺高分子長鏈，有可能具備兩種單元，其一是相鄰兩苯胺單體以胺基（氮原子以sp3鍵結）相接，形成如圖4中的A單元，即苯－苯還原形式，另一則是以亞胺基團（氮原子以sp2鍵結）相接，形成B單元，也就是苯-醌氧化形式。一條聚苯胺高分子長鏈中，A單元與B單元的比例不盡相同，隨其比例變化，可將聚苯胺分成三種不同形式。A:苯-苯還原形式B:苯-醌氧化形式圖4聚苯胺的兩種單元如表1所整理的，若高分子皆以還原形式單元相接，則形成外觀為白色的聚苯胺（leucoemeraldine，簡記為LE），相反地，若皆以氧