聚苯胺合成与表征

论文题目：聚苯胺的合成与表征《化学综合设计实验》实验论文学院：专业：班级：姓名：学号：指导教师：二零一五年五月二十五日目录摘要.......................................................1关键词.......................................................1前言.........................................................21实验设备和聚苯胺性能表征方法...............................41.1实验药品及设备...........................................41.1.1实验药品...........................................41.1.2实验仪器...........................................42.2化学氧化法合成聚苯胺.....................................52.2.1苯胺的合成.........................................53.3聚苯胺性能表征...........................................53.3.1溶解率的测定.......................................53.3.2电阻的测定.........................................53.4实验数据处理.............................................53.4.1聚苯胺产率.........................................53.4.2溶解率.............................................63.4.3电阻...............................................64.4实验结果与分析...........................................65.5展望.....................................................6参考文献.....................................................61摘要：本实验主要采用化学氧化法制备聚苯胺，以苯胺为单体，过硫酸铵为氧化剂，控制反应的温度和反应时间，在酸性介质中合成聚苯胺。探究当加入的氧化剂与苯胺的摩尔比为1:1、质子酸为硫酸、反应温度为10℃、反应时间为3h时聚苯胺的产率。以及有机溶剂对聚苯胺的溶解率，测定单位长度电阻值，判断其导电性效果，其中产率高达90%以上，溶解性为58%，具有较好导电性。关键词：聚苯胺；合成；表征；溶解性；电阻；2前言1826年，德国化学家OttoUnverdorben通过热解蒸馏靛蓝首次制得苯胺（aniline），产物当时被称为“Krystallin”，意即结晶，因其可与硫酸、磷酸形成盐的结晶。1840年，Fdtzsche从靛蓝中得到无色的油状物苯胺，将其命名为aniline，该词源于西班牙语的anti（靛蓝）并在1856年用于染料工业。而且他可能制得了少量苯胺的低聚物，1862年HLhetbey也证实苯胺可以在氧化下形成某些固体颗粒。但由于对高分子本质缺乏足够的认知，聚苯胺的结构长期处于争论中，Macdiarmid于1987年提出苯-醌式结构单元共存的模型后，得到大家广泛的认可；它存在的状态可以随着苯、醌两种结构单元的含量不同而相互改变。聚苯胺合成方法主要有化学氧化法和电化学聚合法等。化学氧化聚合法又有溶液聚合、乳液聚合、模板聚合、酶催化聚合等；电化学聚合法有动电位扫描、恒电流、恒电位、脉冲极化等合成方法。化学氧化聚合法制备过程如下图1所示。图1聚苯胺的制备示意图Fig.1DiagramforpreparingPANINNNNnNHNNNHn1-yyHHy=0.5,中间氧化态NNNny=1.0,全氧化态NNNny=0,全还原态NHHHNH聚苯胺结构图2聚苯胺氧化还原状态结构示意图Fig.1StructurediagramofredoxstateofPANINNNNnNH2氧化剂酸或碱1-yyHH3组成苯胺的还原单元和氧化单元构成如图2所示。其中Y表示聚苯胺的氧化程度，可以从Y=0变化为Y=1。其结构的变化决定了聚苯胺性能的多样性。Y=0的全还原态和Y=1的全氧化态聚苯胺都是绝缘体，只有当Y=0.5，即半氧化半还原态形式，经质子酸掺杂后，才能从绝缘体向导体转变。在酸性水溶液中，Y=0、0.5和1的三种典型聚苯胺形态在电场作用下可以相互转化，即会发生氧化还原反应，因而在聚苯胺循环伏安曲线上有两对氧化还原峰，这一特征可以用来表征聚苯胺。聚苯胺有许多性能，如导电性、氧化还原性、催化性能、电致变色行为、质子交换性质及光电性质，最重要的是导电性及电化学性能。经一定处理后，可制得各种具有特殊功能的设备和材料，如可作为生物或化学传感器的尿素酶传感器、电子场发射源、较传统锂电极材料在充放电过程中具有更优异的可逆性的电极材料、选择性膜材料、防静电和电磁屏蔽材料、导电纤维、防腐材料等等。41实验设备和聚苯胺性能表征方法1.1实验药品及设备1.1.1实验药品表1.1实验药品药品名称级别厂家苯胺（An）分析纯天津博迪化工股份有限公司过硫酸铵分析纯天津市科密欧华新世纪有限公司硫酸分析纯重庆川东化工有限公司无水乙醇分析纯天津市富宇精细化工有限公司二甲基亚砜分析纯天津市富宇精细化工有限公司1.1.2实验仪器表1.2实验仪器设备名称产家85-2恒温磁力搅拌器金坛市城东新瑞仪器厂DZF真空干燥箱北京可谓永兴仪器有限公司低温恒温槽上海比朗仪器制造有限公司SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有公司DGmicroflowmulti-channelperistalticpumpJIHPUMP压片机其他仪器:研钵、烧杯（100mL、250mL）、量筒（10mL、50mL）、容量瓶（250mL）、三角烧瓶、吸滤瓶、布氏漏斗、分析天平等。52.2化学氧化法合成聚苯胺2.2.1苯胺的合成配制1mol/LH2SO4溶液100ml置于250ml三角烧瓶中，逐滴加入4.6513g(0.05mol)苯胺，待白色固体沉淀溶解后，电磁搅拌下，并调节滴定速度约为(2～3s/滴)滴加含12g（0.05mol）过硫酸铵的1mol/LH2SO4溶液100ml，使过硫酸铵溶液在30分钟内滴定完毕。用冷却浴控制在温度为10℃，（其他）条件下利用恒温磁力搅拌器搅拌反应3h，反应完后经抽滤（用蒸馏水洗涤至PH=7）、移至干燥箱中(恒温60℃烘干12h)、称重后研磨成粉状，即得到硫酸掺杂的聚苯胺，称量、计算产率。3.3聚苯胺性能表征3.3.1溶解率的测定称取0.2g聚苯胺于100ml烧杯中，加入20ml二甲基亚砜溶解，搅拌1h后过滤，分出不溶物，放入恒温箱干燥、称重，用公式(1)计算溶解率。%100121MMM溶解率(1)式中M1:为聚苯胺质量，单位g，M2:为未溶解的聚苯胺质量，单位g。3.3.2电阻的测定称取0.5g聚苯胺放入压片机进行压片，用电阻器测量单位长度的电阻值。3.4实验数据处理3.4.1聚苯胺产率称取苯胺4.6513g，烘干后聚苯胺为4.1651g其产率为%100(g)(g)(%)胺产聚苯胺质量聚苯胺质量率苯%13.90%1006213.41651.463.4.2溶解率聚苯胺M1=0.2g加入二甲基亚砜，烘干未溶解聚苯胺M2=0.084g，由（1）式3.4.3电阻聚苯胺直径d=1.2cmR=3.5Ω厚度h=0.2cmR=5.0Ω4.4实验结果与分析实验所制备的聚苯胺产量高达90%以上，说明该方法制备聚苯胺具有产量高等特点，适合于大批量的生产，聚苯胺溶于二甲基亚砜的溶解率为58%，而且，具有一定的导电性，其溶解性和导电性良好。5.5展望导电聚苯胺由于其优异的电性能和化学稳定性等优点,是目前最有希望得到广泛实际应用的导电聚合物。聚苯胺的不溶不熔和难以加工的特性仍是造成这一状况的主要原因,目前,研究者们分别对聚苯胺的结构、特性、合成、掺杂、改性、用途等各方面进行研究,已经取得了实质性的进展。目前,尽管导电聚苯胺材料在许多方面获得应用,仍然存在一些问题需要解决，聚苯胺的溶解性差，难于加工，对环境产生污染,导电率仍需要进一步提高。随着各国研究与开发上投入大量资金与技术聚苯胺导电材料将取代金属和非金属材料在一些方面的应用,在智能材料、光电材料、纳米材料方面将有不可估量的应用前景。参考文献[1]王佛松，景遐斌，王利祥等.导电聚苯胺的合成、结构、性能和应用.高分子学报，2005(5)：655—663.[2]匡汀，廖力夫，刘传湘.聚苯胺的溶解性研究[J].2005,35(6):445-447.[3]彭霞辉等.聚苯胺的合成及性能.中南大学学报，第35卷第6期.[4]HuangjiaXing，VIRJIS，WEILLERBH，etal.Polyanilinenanofibers:facilesynthesisandchemicalsensors[J].JAmChemSoc,2003,125(2):314-315.%58%1002.0084.0-2.0%100121MMM溶解率