聚苯胺导电高聚物发展前景导电高分子材料是一种新兴的材料,因其具有特殊结构以及优异的物理化学性能,在能源、光电子器件、信息传感器、电磁屏蔽、金属防护及隐身技术等方面,具有极广泛的应用前景。
其中聚苯胺聚合物(PANI)以其原料易得、价格低廉、制法简单、导电性能优良、对环境稳定性好等优点,为人们所青睐,现已成为导电高分子材料中最具发展潜力的品种之一。
聚苯胺是一种具有金属光泽的粉末,因分子内具有大的线型共轭π电子体系,其自由电子可随意迁移和传递,而成为最具代表性的有机半导体材料。
与其他导电聚合物相比,聚苯胺具有结构多样化、耐氧化和耐热性好等特点,同时还具有特殊的掺杂机制。
聚苯胺及其衍生物不仅可通过质子酸的掺杂获得良好的导电性,而且可通过加入氧化剂或还原剂来使其骨架中的电子迁移发生改变,即氧化还原掺杂。
掺杂后,聚苯胺及其衍生物的导电率可提高10个数量级以上,并可改善其在溶剂中的溶解性和加工性能。
自从科学家首次发现用AsF5或I2对聚乙炔进行P型掺杂可获得极高导电率的材料以来,导电高分子已在近年来逐渐发展成一门新型的多学科交叉的研究领域。
而经过10多年的研究和试验,聚苯胺树脂的可溶性和加工性方面的研究也已取得了一定的突破。
目前,解决导电聚苯胺树脂可溶性主要采取的方法有:功能质子酸掺杂、结构修饰、制备可溶性复合物、制备胶体颗料等。
以上方法在不同程度上均可提高聚苯胺在有机溶剂中的溶解度,并进一步提高其成型加工能力。
但是大多数有机溶剂都会造成不同程度的环境污染,如果能用水来代替,制成水溶性聚苯胺复合物,不仅有利于环保,也会带来更大的经济效益。
因此,近年来水溶性导电聚苯胺已成为人们研究的热点。
另外,制备聚苯胺复合物是改善聚苯胺加工性能的主要方法,目前主要采用电化学法和化学氧化法两种工艺。
UNIAX公司通过溶液共混的方法制备了一种性能优异的透明导电涂层,透光率达80%,而表面电阻仅为192Ω,可作为导电玻璃使用。
聚苯胺还可以同PET、PVC、PS、PVA、PA和PMMA等聚合物制成复合膜。
如采用原位复合的方法可使PANI在很低的含量下就可具有较高的导电率,这是制备导电聚合物复合材料的一种很有发展前景的方法。
电磁波屏蔽一般是指电磁波的能量被物体表面吸收或反射后而使其传导受阻,电磁波能量衰减程度越大,其屏蔽效果就越好。
研究聚苯胺的电磁屏蔽及吸收性能,其导电与介电特性是两个必不可少的参数。
随着聚苯胺加工问题的解决,近来以聚苯胺为基础的各种抗静电和电磁屏蔽材料相继问世。
如美国UNIAX公司利用有机磺酸掺杂的聚苯胺和商用高聚物进行共混,可制备各种颜色的抗静电地板。
另外,研究人员还制备了一种透明的聚苯胺基可热固化的涂料。
该涂料与聚合物基体具有良好的粘接性能,它不但耐化学腐蚀,而且耐磨损。
另外,科学家最近经反复试验制成了一种水溶性聚苯胺水乳液,它可用作防腐和防静电涂料。
美国已将导电聚苯胺用于火箭发射平台的防腐蚀涂层,效果很好。
日本还制造了一种透明的PANI防静电涂层,并用于4MB的软盘上,效果非常好。
目前美、日、德聚苯胺电磁屏蔽材料的研究均获得了突破性的进展。
本征导电聚合物(ICPS)是一类新型的微波吸收材料,而高导电及高介电常数的聚苯胺在微波频段能有效地吸收电磁辐射。
科学家们经反复试验后得出结论,当掺杂态的聚苯胺处于无定形态时,其吸收比率最大。
利用聚苯胺吸收微波这一特性,目前国外已将它用作军事上的伪装隐身,法国正在研制一种隐形潜艇,美国则将其用作远距离加热材料,用于航天飞机中的塑料焊接技术。
随着信息技术的蓬勃发展以及计算机、无线通讯技术的广泛使用,各种频率的电磁波对交通、航空航天、军事等领域的工作产生了不同程度的干扰。
为此,一些发达国家和组织相继制定了排除电磁波干扰的国际标准和法规。
以聚苯胺为首的包括聚吡咯、聚噻吩等本征导电聚合物在排除电磁波干扰中,发挥了巨大作用。
与复合型导电聚合物不同,本征导电聚合物具有相对较高的电导率和介电系数,易于通过化学加工来控制或消除电磁波干扰。
而与金属相比,这类材料质轻、有韧性、不易被腐蚀,从而越来越受到人们的青睐。
另外,随着全球经济的迅速发展,环境问题特别是大气污染日益加剧,大气中的各种有害气体不断增多,各国科学工作者已开发出一些相应的气敏材料来检测这些有害气体。
聚苯胺薄膜就是利用它能和某些气体发生氧化还原作用,引起掺杂度的改变,进而导致电导率发生明显的变化。
利用这一特性,人们可以及时地检测空气中氮氧化物的含量。
与NOx不同,H2S是具有还原性的气体。
它能使聚苯胺化学传感器的电导率下降。
一般来自工厂的含有SO2的废气对生物和人类的生存环境均有极大的危害,所以如何及时地检测和控制SO2的排放量对控制环境污染至关重要。
实验表明,采用旋转和蒸发法制备的聚苯胺薄膜与SO2作用以后,其电导率明显增加,而且完全可逆,其检测极限可达到2ppm。
而新制备的聚苯胺蒸发膜灵敏度更高,它甚至可以检测到0.5ppm的SO2含量。
另外,在常温下聚苯胺对NH3也有很高的灵敏度,所以也可以用它来检测空气中NH3的浓度含量。
关于聚苯胺树脂用于生物传感器近年来中外也有不少研究。
自从酶固定的第一篇报告问世以来,人们已经研究了各种固定酶的方法,但到目前为止,无论是酶固定的稳定性、重现性还是固定方法本身均存在一定的问题。
鉴于PANI导电高聚物具有的电化学活性,在氧化还原过程中,阴离子能掺杂进去,为酶的固定提供了新的途径。
为了能制备一种更高电导率的聚苯胺高聚物,今后应加强分子设计和物理改性,研制出一种具有高电导率、介电常数和介电损耗的聚苯胺,以进一步提高聚苯胺树脂的屏蔽和吸收电磁波的性能;要通过各种仪器比和X射线衍射仪、红外光谱仪和扫描电镜等研究其结构与性能的关系。
可以相信,通过科学工作者的不断努力和深入研究,今后一种性能更好的聚苯胺及其衍生物的导电聚合物将展现在世人面前,为清除空间电子雾,排除电磁波的干扰,为人类作出更大的贡献。
聚苯胺是最重要的导电聚合物之一,是近年来导电高分子材料领域的研究热点之一,因其诱人的应用及发展前景受到了广泛重视。
文中详细综述了导电聚苯胺在传感器、金属防腐领域、抗静电材料、二次电池、电致变色材料和电磁屏蔽等方面的应用。
不同pH值下聚苯胺结构的不同使其特有的抗腐蚀、抗划伤能力应用于金属防腐领域;PANI抗静电剂的开发则是利用了掺杂导电机理;聚苯胺良好的、可逆的电化学氧化还原性能使其非常适宜用作反复充放电二次电池的电极材料;制备聚苯胺本体导电纤维屏蔽材料的技术关键是配制出稳定的纺丝溶液以及选择合适的纺丝方法和凝固剂体系。
最后展望了导电聚苯胺的应用前景,聚苯胺的结构、掺杂、物理化学性能及应用的研究已取得长促的进展,但关键的电导率、溶解性、机械加工性等机制还有待深入研究。
随着广大研究者的不断努力和对聚苯胺研究的不断深入,导电聚苯胺的应用前景必将更加广阔。
公司生产的各种聚苯胺重防腐涂料,可使金属基材的防腐性能大大加强,极大地延长了钢铁、铝、铜、锌等金属构件及设备的使用寿命,为企业节省大量的资金。
本公司生产的防腐涂料可广泛用于多种金属基材及多种使用条件下的防腐涂装,如造船厂、石油储罐、重型机械厂、钢结构厂、交通护栏等金属基材的外部防腐涂装;石油化工系统储存原油、中间油品、成品油品储罐以及输油管道的内壁导静电防腐涂装;饮用水罐、食用油及酒罐等内部的无毒防腐涂装等。
聚苯胺(Polyaniline)聚苯胺的主链上含有交替的苯环和氮原子,是一种特殊的导电聚合物。
可溶于N-甲基吡咯烷酮中。
聚苯胺随氧化程度的不同呈现出不同的颜色。
完全还原的聚苯胺(Leucoemeraldine 碱)不导电,为白色,主链中个重复单元间不共轭;经氧化掺杂,得到Emeraldine 碱,蓝色,不导电;再经酸掺杂,得到Emeraldine盐,绿色,导电;如果Emeraldin e碱完全氧化,则得到Pernigraniline碱,不能导电。
聚苯胺具有优良的环境稳定性。
可用于制备传感器、电池、电容器等。
聚苯胺由苯胺单体在酸性水溶液中中经化学氧化或电化学氧化得到,常用的氧化剂为过硫酸铵(APS)。
中性条件下聚合的聚苯胺常常含有枝化结构。
聚苯胺的应用及市场简介聚苯胺是一种高分子合成材料,俗称导电塑料。
它是一类特种功能材料,具有塑料的密度,又具有金属的导电性和塑料的可加工性,还具备金属和塑料所欠缺的化学和电化学性能,在国防工业上可用作隐身材料、防腐材料,民用上可用作金属防腐蚀材料、抗静电材料、电子化学品等。
广阔的应用前景和市场前景使其成为目前世界各国争相研究、开发的热门材料。
2005年国际上导电高分子的相关产品产值已达10亿美元,这当中电子化学品、抗静电材料、聚苯胺金属防腐蚀材料、电磁屏蔽材料占80%以上。
在导电聚苯胺产品的开发中,目前最有成效的是德国的Ormecon公司,该公司主要生产导电聚苯胺防腐涂料和抗静电涂料,已经在美国、日本和韩国分别建立了Ormecon America,Ormecon Japan及Ormecon Korea三家子公司,已经成为全球最有影响力的导电聚苯胺产品公司。
一、聚苯胺可用作防腐蚀涂料德国科学家成功研制出一种基本上完全不怕生锈和腐蚀的塑胶涂料,这意味着日后要制造寿命过百年的汽车、游艇和大桥,将不再是天方夜谭。
研究人员发现,在金属表面涂上聚苯胺涂料之后,能够有效阻止空气、水和盐分发挥作用,遏止金属生锈和腐蚀。
这种塑胶涂料成本低,用法简便,而且不会破坏环境。
简单而言,锈蚀是由金属原子与氧气结合而成,并会削弱金属的结构。
为此人们一般会在金属表面涂上漆油或镀上锌层,以减慢金属氧化成锈的过程。
不过,漆油和锌层的耐用程度却有限。
相对于漆油和锌,聚苯胺的功能大相径庭。
它不是用作屏障,而是充当催化剂,以干扰金属氧化成锈这个化学反应。
聚苯胺先从金属吸取电子,然后将之传到氧气中。
这两个步骤会形成一层纯氧化物以阻止锈蚀。
在实验室的环境下,用聚苯胺制造出一种「永久耐用的有机金属」,其防锈能力较锌强一万倍。
在实地测试方面,聚苯胺的防锈效能则下降至介乎锌的三至十倍,这已是很大的进步,并且还有更大的潜力提升性能。
纳米聚苯胺还可以制成聚苯胺/环氧共混体系、聚苯胺/聚氨酯共混体系、聚苯胺/聚酰亚胺共混体系、聚苯胺/苯乙烯丙烯酸共聚物(SAA)共混体系以及聚苯胺/聚丁基异丁酸酯共混体系等,这些共混物可用于各种场合的表面保护。
这种聚合物涂层优胜于锌之处,还在于其本身不属于重金属,因此对食物链和人体健康的影响较小,而且较锌便宜,更可用于几乎所有金属表面。
目前,日本、韩国、意大利、德国和法国等欧亚国家,都已开始采用聚苯胺。
二、聚苯胺可用作抗静电和电磁屏蔽材料由于它具有良好的导电性,且与其它高聚物的亲合性优于碳黑或金属粉,可以作为添加剂与塑料、橡胶、纤维结合,制备出抗静电材料及电磁屏蔽材料(如用于手机外壳以及微波炉外层防辐射涂料、和军用隐形材料等)。