导电聚苯胺的特性及进展.doc

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1、导电聚苯胺的特性及进展院（部、中心）材料科学与工程专业材料科学与工程课程名称高分子材料进展导电聚苯胺的特性及进展摘要：导电聚苯胺是极有前途的导电聚合物,它能够广泛地应用于二次电池、金属的防腐、电致发光器件的电极修饰等方面。本文根据文献资料参考从其结构特性、在可溶性、复合材料及纳米粒子上的研究进展及其应用前景做整理描述。关键词：导电高分子，聚苯胺，掺杂，纳米粒子引言：在20世纪中发展起来的功能高分子中,导电高分子是最突出的代表之一。20世纪70年代以前,人们一直将高分子材料作为绝缘材料来使用,从来没有导电高分子的概念美国的MacDiarmid在参观日本东京大学时,看到

2、白川英澍试验室所合成的聚乙炔薄膜具有奇特的金属光泽,惊叹这可能就是他和Heeger等多年寻求的有机导电高分子,于是邀请白川到他的实验室进行合作研究。他们根据研究硫氮聚合物(SN)n的经验,用I2和ASF5掺杂聚乙炔,发现经过掺杂的聚乙炔,导电率增加了10~12个数量级,达到103Scm的水平,接近于金属导体,并于1977年报道了这一结果。这一发现,突破了高分子是绝缘体的传统观念,立即在科学界和技术界产生了巨大的影响和冲击。理论物理学家从Pierls相变的理论出发,进行量子力学计算,计算出反式聚乙炔中长短键长的差约002nm,由此长短键交替所形成的导带和价带之间的间隙

3、宽度是14eV,与试验观测值一致。进而提出了包括孤子、极化子、双极化子等内容的聚乙炔导电的SSH理论。实验物理学家进行了聚乙炔的一系列光谱、结构和光、电、磁学测量,验证了理论物理学家的理论结果,同时发现了当时的理论和模型尚不能解释的新现象。高分子化学家和材料学家则不断改进合成技术,提高聚合物的性能,使聚乙炔的导电率达到105Scm量级,可以和金属铜相媲美。在短短的20多年中,相继合成出了数十种导电高分子,并对它们的光、电、磁性能进行了系统深入的研究,许多新的科学现象和原理被揭示出来,导电高分子在若干高新技术领域的应用已经实现,或正在蕴育之中。正是由于Heeger、M

4、acDiarmid和白川英澍对导电高分子领域的开创性贡献,他们被授予2000年的Nobel化学奖。后来人们陆续开发了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等导电高分子材料。在众多的高分子材料中,聚苯胺有原料易得、合成简单、耐高温及抗氧化性能良好等优点,很快成为导电高分子研究的热点之一。聚苯胺除了具有其他导电高聚物共有的性质外,还有独特的掺杂机制、良好的电化学性能、较高的电导率等特点。目前,常压下聚苯胺的研究工作主要集中在以下几个方面:聚苯胺沉积工艺及机制的研究;聚苯胺电子结构、光学性质、电学性质的研究;以及聚苯胺在雷达吸波、电磁屏蔽、光电显示、电致变色,及传感器、探测器等光电器件方

5、面的应用，利用纳米材料的尺寸效应、量子效应等赋予其特异的物理性能和化学性能,将纳米技术引入导电聚苯胺材料中,使其集导电性和纳米颗粒功能性于一体也已经成为导电聚合物材料的又一个重要的研究方向。正文：1聚苯胺的结构和特性：1.1结构中国科学院长春应用化学研究所根据IR和Raman光谱所提供的聚苯胺分子结构对称性的分析，推断苯胺和甲基苯胺的聚合是苯环4位上的氧化脱氢和1,4偶联.并通过实验证明了苯环和醌环的比例是3：1，得出聚苯胺的实际结构如下：聚苯胺还具有如下特点:1、结构多样化,不同的氧化-还原态对应不同的结构;2、特殊的掺杂机制,它还能够通过掺杂和反掺杂来改变其性质

6、。但聚苯胺由于其链的强刚性和链间强的相互作用,使它的溶解性极差,几乎不溶于任何溶剂。这一缺点极大地限制了聚苯胺在技术上的应用。目前,科学家可以通过结构修饰(衍生物、接枝、共聚),掺杂诱导,乳液聚合和化学复合等方法获得可溶性或水溶性导电聚苯胺。1.2性质本征态的聚苯胺是绝缘体,当经过质子酸掺杂或电氧化都可以使聚苯胺电导率提高十几个数量级。然而,聚苯胺的掺杂过程与其它的导电聚合物掺杂过程截然不同,通常导电聚合物的掺杂总是伴随着其主链上电子的得失,而聚苯胺在用质子酸掺杂时,其电子数不发生变化,只是质子进入聚苯胺链使链带正电。为了维持电中性对阴离子也进入聚苯胺主链。经质子酸

7、掺杂的PAN又与碱反应,可变成绝缘体。这种掺杂、反掺杂反应在水相、有机相都可以进行,并且可逆。关于PANI的质子酸掺杂机理和掺杂产物的结构,主要有极化子晶格模型和四环苯醌变体模型]进行解释。两者共同特点是:掺杂反应是从亚胺氮的质子化开始,质子携带的正电荷经过分子链内部的电荷转移,沿分子链产生周期性的分布。但前者电荷分布的重复单元包括两个芳环,而后者的重复单元包含4个芳环。从能带的角度认为掺杂在聚苯胺的能带中加入杂质能带从而降低了载流子激发能。电化学合成的聚苯胺由电极电位来控制氧化程度,合成的聚苯胺的电导率与电极电位和溶液pH值都有关系,聚苯胺的电导率与温度也有依