聚苯胺纳米材料的制备及应用

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　　摘 要：聚苯胺具有成本低廉、制备简单、环境稳定性好、导电范围宽等优点，是目前研究最多的导电聚合物之一。文章主要介绍了聚苯胺纳米材料的制备方法及其应用。
　　关键词：聚苯胺；纳米材料；制备；应用
　　中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）03－0042－02
　　
　　聚苯胺具有原料易得，合成简便，掺杂机理独特，优良的环境稳定性、电磁微波吸收性能、电化学性能及光学性能和潜在的溶液和熔融加工性能等优点，被认为是最有希望在实际中得到应用的导电聚合物材料，在日用商品及高科技等方面有着广泛的应用前景。［1，2］因此，自MacDiarmid等发现其质子酸掺杂过程后，［3，4］聚苯胺一跃成为当今导电聚合物研究的热点和推动力之一，备受人们的关注。在这30多年期间，国内外相关学者们已对聚苯胺各方面进行了较为深入的研究。
　　1 聚苯胺的制备方法
　　聚苯胺通常由苯胺单体的化学氧化聚合或电化学氧化聚合的方法来制备，选择不同的合成方法和合成条件所得聚苯胺的微观形貌和各种物理、化学性质都有较大的差异。
　　1.1 化学氧化聚合
　　化学法制备聚苯胺一般是在酸性介质中把氧化剂直接加入到苯胺溶液中，使苯胺发生氧化聚合反应，生成粉末状的聚苯胺。苯胺的化学氧化合成法具有操作简单、反应条件容易控制等优点。研究较多的化学氧化聚合法主要有溶液聚合、乳液聚合、微乳液聚合与现场吸附聚合法等。
　　1.1.1 溶液聚合法
　　聚苯胺的溶液聚合是指在酸性溶液中用氧化剂使苯胺单体氧化聚合。化学氧化法能够制备大批量的聚苯胺，也是最常用的一种制备聚苯胺的方法。化学氧化法合成聚苯胺主要受到反应介质酸的种类及浓度、氧化剂的种类及浓度、单体浓度和反应温度、反应时间等因素的影响。质子酸是影响苯胺氧化聚合的重要因素，它主要起两方面的作用：提供反应介质所需的pH值和充当掺杂剂。苯胺化学氧化聚合常用的氧化剂有：H2O2、K2Cr2O8、MnO2、（NH4）2S2O8、FeCl3等。
　　1.1.2 乳液聚合法
　　乳液聚合有两大类型：①水包油（O/W）型，称为普通乳液聚合；②油包水（W/O）型，即反相乳液聚合。它们的差别主要体现在反应连续相的选择上，O/W型乳液的连续相是水，而W/O型乳液的连续相是有机溶剂。典型的乳液聚合过程为：以表面活性剂（如有机磺酸钠等）为乳化剂，同时加溶剂（如水、二甲苯）及苯胺，再用氧化剂（如过硫酸铵（NH4）2S2O8）引发聚合，反应结束用丙酮破乳，经洗涤、干燥即得产物聚苯胺。［5］乳液聚合所得聚苯胺在溶解性、热稳定性等方面优于溶液聚合法所得产品。
　　1.1.3 微乳液聚合法
　　微乳液聚合体系由水、苯胺、表面活性剂、助表面活性剂、有机溶剂等在适当配比下组成，所得微乳液中乳胶粒粒径分布比常规乳液聚合得到的乳胶粒径分布要窄，其分散液滴大小仅10～100 nm。与传统乳液聚合法相比，微乳液聚合法可大大缩短聚合时间，并且所得产物的电导率和产率均优于采用传统乳液聚合法合成的聚苯胺。
　　1.1.4 现场吸附聚合法
　　现场吸附聚合法也是化学氧化聚合法中的一种，它是在新配制的过硫酸铵和苯胺的酸性水溶液的混合液中浸入基体材料，使苯胺在基材的表面上直接发生氧化聚合反应，使得聚苯胺可以“吸附”沉积在基材的表面，形成一层致密的膜。［6］
　　1.2 电化学聚合法
　　电化学法制备聚苯胺是在含苯胺的酸性电解质溶液中，选择适当的电化学条件，使苯胺在阳极上发生氧化聚合反应，生成粘附于电极表面的聚苯胺薄膜或是沉积在电极表面的聚苯胺粉末。电化学氧化聚合的优点是聚合产物纯度高，反应条件简单且易于控制，没有氧化剂引起的污染，在电极上直接成的膜性能较好等。
　　2 聚苯胺的应用
　　聚苯胺具有许多优异的性能，如导电性、氧化还原性、电致变色性、质子交换性质以及光电转换特性等，在传感器、电致变色、抗静电、二次电池、电磁屏蔽、气体分离膜、电催化材料以及金属防腐等方面均有着广泛的应用前景。
　　2.1 导电性应用
　　聚苯胺不同于一般的导电聚合物，其导电性主要决定于两个因素：质子化程度（掺杂率）和分子链的氧化还原程度。当氧化还原程度一定时，聚苯胺电导率与溶液pH值、温度、水汽以及其他气体等有关。因此，可制作对pH、温度、湿度或者气体敏感的传感器，［7，8］如NH3、NO2、H2S气体指示器及湿度传感器等。
　　2.2 电化学效应及应用
　　由于聚苯胺具有多种氧化还原态，在水和非水溶液中都呈现可逆的氧化还原反应，因此具有较高的电荷存储能力，可作为电池或者超级电容器的电极材料。在水溶液中聚苯胺与Zn组成的电池电位可达2 V；［9］在非水溶液中聚苯胺与Li组成的电池可产生3～4 V的电位。
　　2.3 防腐性能的应用
　　聚苯胺具有氧化还原活性，可以与金属表面反应生成致密的钝化层，防止进一步的腐蚀反应。研究表明，聚苯胺保护膜层即使存在针孔缺陷，仍对金属材料具有防腐作用。聚苯胺涂层这种抗点蚀和抗划伤的能力是其他防腐涂层所不具备的。
　　2.4 其他性质及应用
　　聚苯胺的颜色可随着氧化态的变化而改变，而且这种颜色变化具有一定的对比度、可逆性和记忆特性，使其作为电致变色材料用于显示器、节能窗及伪装隐身等。聚苯胺还具有较好的电磁波吸收性能，可望用作微波吸收剂。此外，聚苯胺也可应用于电流变、印刷电路板的制作、光学信息存贮材料及电容器等领域。
　　参考文献：
　　［1］Liu H, Hu X, Wang J, et al., Macromolecules, 2002, 35.
　　［2］Park J, Park S, Koukitu A, et al., Synth. Met., 2004, 141.
　　［3］MacDiarmid A G, Chiang J C, Huang W S, et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1985, 125.
　　［4］MacDiarmid A G, Chiang J C, Halpem M, et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1985, 121.
　　［5］Osterholm J E, Cao Y, Klavetter F, et al., Synth. Met., 1993, 55.
　　［6］Travain S A, de Souza N C, Balogh D T, et al., J. Colloid Interface Sci., 2007, 316.
　　［7］Tan C K, Blackwood D J, Sensors and Actuators, 2000, 71（3）.
　　［8］Matsuguchi M, Io J, Sugiyama G, et al., Synthetic Metals, 2002, 128（1）.
　　［9］Ryu K S, Kim K M, Journal of Power Sources, 2007, 165（1）.
　　（编辑：尤俊丽）
　　
　　Preparation and Application of Polyaniline Nanomaterials
　　Zhao Xiaoling, Liu Zhihua
　　Abstract: Due to its cost effective, facile synthesis process, environmental stability and adjustable conductivity, polyaniline （PANI）, one of the most attractive conductive polymers, has been studied intensively for more than 30 years. This paper describes the preparation and application of polyaniline nanomaterials.
　　Key words: polyaniline; nanomaterials; preparation; application

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