實驗6　聚苯胺的制備及導電性能測定

一、實驗目的

① 了解一種功能性高分子材料——導電高分子。

② 掌握導電高分子聚苯胺的合成方法及導電性的測試。

二、實驗原理

高分子要具有導電性必須滿足下列兩個條件，才能沖破分子中原子最外層電子的離域，形成具有整個大分子性的能帶體系。①高分子的分子軌道能強烈的離域；②高分子鏈的分子軌道間能相互重疊。共軛高分子可作為導電高分子使用，共軛高分子的主鏈由交替的單雙鍵組成的重復單元構成。這種排列使沿分子鏈的Π成鍵及Π^*反鍵分子軌道非定域，Π電子可以在整個分子鏈上離域，從而產生載流子，如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。

聚苯胺是近幾年發(fā)現(xiàn)的一種新型導電有機聚合物，具有制備簡便、在空氣中穩(wěn)定性好、電荷儲存能力強、較高的電導率以及良好的電化學性能等優(yōu)點，盡管被開發(fā)的時間較晚，卻已成為備受關注的導電高分子，被認為是最有發(fā)展前途的一類導電高分子材料。聚苯胺的主鏈上含有交替的苯環(huán)和氮原子，是一種特殊的導電聚合物，可溶于N-甲基吡咯烷酮中。現(xiàn)已公認的聚苯胺的結構式是1987年由麥克德爾米德提出的，見圖6.1。即結構式中含有“苯-苯”連續(xù)的還原形式和含有“苯-醌”交替的氧化形式，其中y值表征PAN的氧化還原程度，不同的結構，顏色和導電率也不同。當y=1是完全還原的全苯式結構；y=0是“苯-醌”交替結構，為絕緣體。而y=0.5為苯醌比為3∶1的半氧化和還原結構。聚苯胺導電率可以通過摻雜率和氧化程度控制，氧化程度通過合成條件來控制。當氧化程度一定時，導電率與摻雜態(tài)密切相關，隨摻雜率的提高，導電率不斷增大，最后可達10S/cm左右。

聚苯胺的合成有化學氧化聚合和電化學聚合。化學氧化聚合是苯胺在酸性介質中以過硫酸鹽或重鉻酸鉀等為氧化劑發(fā)生氧化偶聯(lián)聚合，聚合時使用的酸通常是揮發(fā)性的質子酸，如鹽酸等；反應介質可以是水、甲基吡咯烷酮等極性溶劑，可采用溶液聚合和乳液聚合進行。介質酸提供反應所需的質子，同時以摻雜劑的形式進入聚苯胺主鏈，使聚合物具有導電性。電化學法是苯胺在電流作用下在電極上發(fā)生聚合，獲得聚苯胺薄膜。

三、實驗設備與材料

① 設備：三口瓶，滴液漏斗，電磁攪拌器，鼓風干燥箱，循環(huán)水泵，四探針電阻率儀。

② 試劑：苯胺，鹽酸，過硫酸銨。

四、實驗步驟與方法

（1）聚苯胺制備

本實驗采用化學氧化聚合法合成聚苯胺。步驟如下：用36%的鹽酸和水配制成2mol/L鹽酸溶液，取25mL稀鹽酸并加入2.35g苯胺攪拌溶解，配成鹽酸苯胺溶液，取5.7g過硫酸銨溶解于25mL蒸餾水中配成過硫酸鹽溶液。電磁攪拌下用滴液漏斗將過硫酸銨溶液滴入鹽酸苯胺溶液中，25min加入完畢，繼續(xù)反應1h，結束反應，得到墨綠色沉淀。反應混合物經過減壓抽濾、蒸餾水洗滌后在鼓風干燥箱中干燥。

（2）電導率測試

取少量聚苯胺粉末，用壓片機壓成厚度大于1mm的薄片，用四探針電導率儀測試樣品的電阻率，每個樣品測3個不同位置的電阻率，取平均值。然后根據公式計算電導率

k=1/ρ

式中，k為制備的聚苯胺薄片的電導率，S·cm^-1；ρ為聚苯胺的電阻率，Ω·cm。測試結果填入表6.1中。

五、思考題

① 比較兩種聚合方法得到的聚苯胺的導電率情況。

② 分析聚合條件對電導率的影響。

參　考　文　獻

[1]　何衛(wèi)東.高分子化學實驗[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2003.

[2]　陳偉，孟家光，薛濤，張保宏.聚苯胺的制備及其導電性能[J].合成纖維，2015，44（8）：18-20.