聚苯胺合成与表征

论文题目 聚苯胺的合成与表征 化学综合设计实验化学综合设计实验 实验论文实验论文 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 目录目录 摘 要 1 关键词 1 前言 2 1 实验设备和聚苯胺性能表征方法 4 1 1 实验药品及设备 4 1 1 1 实验药品 4 1 1 2 实验仪器 4 2 2 化学氧化法合成聚苯胺 5 2 2 1 苯胺的合成 5 3 3 聚苯胺性能表征 5 3 3 1 溶解率的测定 5 3 3 2 电阻的测定 5 3 4 实验数据处理 5 3 4 1 聚苯胺产率 5 3 4 2 溶解率 6 3 4 3 电阻 6 4 4 实验结果与分析 6 5 5 展望 6 参考文献 6 1 摘摘 要 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 关键词 聚苯胺 合成 表征 溶解性 电阻 2 前言前言 1826 年 德国化学家 Otto Unverdorben 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 1 Diagram for preparing PANI NNNN n NHNNNH n 1 yy H H y 0 5 中间氧化态 NNN n y 1 0 全氧化态 NNN n y 0 全还原态 N H H H N H 聚苯胺结构 图 2 聚苯胺氧化还原状态结构示意图 Fig 1 Structure diagram of redox state of PANI NNNN n NH2 氧化剂 酸或碱 1 yy H H 3 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 4 1 1 实验设备和聚苯胺性能表征方法实验设备和聚苯胺性能表征方法 1 11 1 实验药品及设备实验药品及设备 1 1 11 1 1 实验药品实验药品 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 21 1 2 实验仪器实验仪器 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 循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有公司 DG micro flow multi channel peristaltic pump JIHPUMP 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 5 2 22 2 化学氧化法合成聚苯胺化学氧化法合成聚苯胺 2 2 12 2 1 苯胺的合成苯胺的合成 配制 1mol L H2SO4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 L H2SO4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 33 3 聚苯胺性能表征聚苯胺性能表征 3 3 13 3 1 溶解率的测定溶解率的测定 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 1 100 1 21 M MM 溶解率 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 23 3 2 电阻的测定电阻的测定 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 6 3 43 4 实验数据处理实验数据处理 3 4 13 4 1 聚苯胺产率聚苯胺产率 称取苯胺 4 6513g 烘干后聚苯胺为 4 1651g 其产率为 3 4 23 4 2 溶解率溶解率 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 33 4 3 电阻电阻 聚苯胺直径 d 1 2cm R 3 5 厚度 h 0 2cm R 5 0 4 44 4 实验结果与分析实验结果与分析 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 55 5 展望展望 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 参考文献参考文献 100 g g 产产产 苯胺质量 聚苯胺质量 率苯 13 90 100 6213 4 1651 4 58 100 2 0 084 0 2 0 100 1 21 M MM 溶解率 7 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 4