聚苯胺导电材料改性及探究

付傲男

(西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730030)



聚苯胺导电材料改性及探究

付傲男

(西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730030)

聚苯胺是应用最广泛的导电高分子材料之一，通过改性的方法增加其导电率。通过机械共混法来制备ABS/Cu/PANI复合导电材料，研究纳米铜粉的加入对复合导电材料导电性能的影响以及纳米铜粉的不同加入量对复合导电材料导电性能的影响。总结出关于制备ABS/Cu/PANI复合导电材料的最合适的掺杂工艺以及最合适的纳米铜粉的加入量。

聚苯胺；高分子材料；改性；导电率

引言

由于导电聚合物具有良好的电学、光学以及氧化还原特性在近20年里一直备受关注，在能源、电磁屏蔽和电致变色等领域有着广阔的前景。自从1984年MacDiarmid在酸性条件下由苯胺单体获得具有导电性聚合物，聚苯胺已成为现在研究进展最快的导电聚合物之一。原因在于聚苯胺具有以下诱人的独特优势：a.原料易得，合成简单；b.具有优良的电磁微波吸收性能、电化学性能、化学稳定性及光学性能；c.独特的掺杂现象；d.高的电导率；e.拥有良好的环境稳定性。聚苯胺被认为是最有希望在实际中得到应用的导电高分子材料。以导电聚苯胺为基础材料，目前正在开发许多新技术，例如电磁屏蔽技术、抗静电技术、船舶防污技术、隐身技术、全塑金属防腐技术、太阳能电池、电致变色、传感器元件、二次电池材料、催化材料和防腐材料。

1　聚苯胺

聚苯胺(PANI)因为具有共轭π电子结构而被认为是一种典型的共轭聚合物，另外它所具有的共轭π电子结构也使它被认为是一种典型的本征型导电聚合物，人们对其十分感兴趣并迅速展开了新一轮的深入研究。

1.1聚苯胺的合成方法

1.1.1化学氧化聚合法

化学氧化聚合法是在酸性条件下，通过氧化剂对苯胺进行聚合来制得聚苯胺。而酸性条件，通常通过加入无机酸或有机小分子酸及对甲基苯磺酸(TSA)等来营造。化学氧化聚合法操作简便，但存在产物可加工性能差的缺点。

1.1.2电化学聚合法

电化学聚合法制备聚苯胺是通过电解氧化聚合反应，在电极阳极生成聚苯胺薄膜或粉末。电化学聚合法合成的聚苯胺较化学氧化聚合法的纯度高，反应条件简单且易于控制，但不适合大批量生产聚苯胺。

1.1.3乳液聚合法

在传统的正相乳液聚合法中，分散介质大多数情况下是水，乳化剂常采用三大类，分别是：第一类——阴离子表面活性剂；第二类——阳离子表面活性剂；第三类——非离子表面活性剂。另外使用甲苯或氯仿当助乳化剂，引发剂则与溶液聚合相同，多采用水溶性引发剂过硫酸铵(APS)。这些表面活性剂多为大分子质子酸或盐，可掺杂到聚苯胺中提高其溶解性能，另外，还可使聚苯胺分子间的构象变得更有利于分子链上电荷的离域化，大幅度提高电导率。也可以在乳液聚合过程中，再添加盐酸、硫酸、功能质子酸等对聚苯胺进行掺杂。通过乳液聚合法制备聚苯胺，可以解决聚苯胺溶解性能和导电性无法两全的矛盾。且对比别的聚合法，还有以下特点：

①用无污染、低成本的水作为热载体，产物无需再分离出去溶剂

②产物为可直接投入使用的乳液状，无需再加一些昂贵或强腐蚀性的溶剂

③工艺简单易操作，成本较低，对聚合物可加工性能的改善也比较明显，同时制得的聚苯胺还具有较高的分子量，量子尺寸效应，粒子尺寸能达到纳米数量级，比表面积大，宏观量子隧道效应等特点，还能具备常规材料所没有的一些新特性。

(4)缩合聚合法

缩合聚合法制备聚苯胺是以苯二胺为原料，相比其它三种聚合方法，缩合聚合法的聚合过程复杂，不宜常用。

1.2聚苯胺的掺杂

本征态的导电高分子本来是绝缘体，是通过掺杂才能转变成半导体或导体。掺杂其实是一个氧化还原过程。不同的掺杂方式和方法直接的差异很大，直接影响着聚苯胺的导电性能。

1.3聚苯胺的复合改性

人们会将聚苯胺与一些加工性能好的聚合物复合，以此来改善它的可加工性。另外也可以和无机物或各种金属粉末及金属化合物复合，可得到功能不同的材料和导电纳米复合材料。

1.4聚苯胺/聚合物复合材料

聚苯胺/聚合物复合材料是合成材料，所以制备的方法也比较多，大体上可以分为三大类。由于合成的方法方式各有差异，得到的材料表现的性能差距也大。共聚法是采用化学的手段使各物质直接达到结合，共聚后聚合物链段得到重组使得制备的聚苯胺复合材料加工性能好。共混法可以分为两大类：一是机械共混法，在操作上简单且方便实施，但随之得到的材料的相容性和稳定性就不那么理想；二是溶液共混法，不同于前者，其制备的材料导电性能和力学性能都较好。表面吸附聚合法是不同于以上两种方法，在共聚方法上是先通过单体的聚合在本身不带电的基体形成导电薄膜，制备需要的功能复合材料。

2　试剂与仪器

2.1试剂

试剂：苯胺(二次减压蒸馏)，纳米铜粉(分析纯)，ABS(分析纯)

2.2仪器

仪器：全自动四探针测试仪(RTS-1345型广州四探针科技)、平板硫化机(3.0MN型无锡市中凯橡塑机有限公司)、双辊筒开放式炼塑机(SK-160型东莞恒通设备有限公司)等。

2.3ABS/Cu/PANI复合材料的制备

本实验采用机械熔融共混法制备ABS/Cu/PANI复合导电材料，以ABS树脂为基体，将ABS颗粒和聚苯胺粉末以4:6的比例，再加入一定量的纳米铜粉，一起倒入双辊筒炼塑机，170℃下混炼15min后取出，放入平板硫化机中，在160℃，20MPa条件下压制15min，热压成型得到ABS/Cu/PANI导电复合材料.

2.4电导率测试

将聚苯胺粉末和ABS/Cu/PANI复合导电材料压制成直径14mm，厚度0.5mm的模压圆片，用RTS-1345型全自动四探针测试仪测量其电导率。

3　结果与讨论

纳米铜粉加入量对ABS/Cu/PANI复合导电材料导电率的影响。以HCL：过硫酸铵：苯胺(物质量之比)=2:0.5:1，反应温度=0℃的条件下合成聚苯胺。将聚苯胺粉末：ABS颗粒=6:4的比例下，通过加入不同量的纳米铜粉，来测试纳米铜粉的不同加入量对ABS/Cu/PANI导电复合材料的导电性能的影响。纳米铜粉加入量对ABS/Cu/PANI导电复合材料电导率的影响的数据如图

Cu会通过改变聚苯胺链的状态改善电荷在链间、链内的传递来提高电导率。由表可见，ABS/Cu/PANI导电复合材料电导率随着纳米铜粉加入一直增大，但是过多的Cu的加入会影响ABS/Cu/PANI导电复合材料的柔性、溶解性和可加工性等性能。并且在表中可以看出，当Cu和苯胺的物质量之比由10：1增加到5:1时，复合材料的电导率的增幅不是很大，所以还是物质量之比为10:1时较为合适，既能保证ABS/Cu/PANI导电复合材料的电导率，也能保证其柔性、溶解性、可加工性等性能。

4　总结

在该实验和论文的开展前，我先通过查阅大量文献及书籍资料来掌握更多的关于聚苯胺导电材料的知识，其中包括其来源、性质、特点、应用及发展前景等。通过这些了解，确定研究方向，开展实验。通过实验部分了解了聚苯胺的合成方法以及ABS/Cu/PANI复合材料的制备，以及纳米铜粉对ABS/Cu/PANI复合材料的电导率的影响。纳米铜粉的加入量与苯胺的物质量之比为10:1时，ABS/Cu/PANI复合材料的电导率达到最大值。

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付傲男(1993.09-)，男，蒙古族，河南镇平县人，在校大学生，专业：高分子材料与工程。

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1671-1602(2016)16-0016-02