实验6　聚苯胺的制备及导电性能测定

一、实验目的

① 了解一种功能性高分子材料——导电高分子。

② 掌握导电高分子聚苯胺的合成方法及导电性的测试。

二、实验原理

高分子要具有导电性必须满足下列两个条件，才能冲破分子中原子最外层电子的离域，形成具有整个大分子性的能带体系。①高分子的分子轨道能强烈的离域；②高分子链的分子轨道间能相互重叠。共轭高分子可作为导电高分子使用，共轭高分子的主链由交替的单双键组成的重复单元构成。这种排列使沿分子链的Π成键及Π^*反键分子轨道非定域，Π电子可以在整个分子链上离域，从而产生载流子，如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。

聚苯胺是近几年发现的一种新型导电有机聚合物，具有制备简便、在空气中稳定性好、电荷储存能力强、较高的电导率以及良好的电化学性能等优点，尽管被开发的时间较晚，却已成为备受关注的导电高分子，被认为是最有发展前途的一类导电高分子材料。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。现已公认的聚苯胺的结构式是1987年由麦克德尔米德提出的，见图6.1。即结构式中含有“苯-苯”连续的还原形式和含有“苯-醌”交替的氧化形式，其中y值表征PAN的氧化还原程度，不同的结构，颜色和导电率也不同。当y=1是完全还原的全苯式结构；y=0是“苯-醌”交替结构，为绝缘体。而y=0.5为苯醌比为3∶1的半氧化和还原结构。聚苯胺导电率可以通过掺杂率和氧化程度控制，氧化程度通过合成条件来控制。当氧化程度一定时，导电率与掺杂态密切相关，随掺杂率的提高，导电率不断增大，最后可达10S/cm左右。

聚苯胺的合成有化学氧化聚合和电化学聚合。化学氧化聚合是苯胺在酸性介质中以过硫酸盐或重铬酸钾等为氧化剂发生氧化偶联聚合，聚合时使用的酸通常是挥发性的质子酸，如盐酸等；反应介质可以是水、甲基吡咯烷酮等极性溶剂，可采用溶液聚合和乳液聚合进行。介质酸提供反应所需的质子，同时以掺杂剂的形式进入聚苯胺主链，使聚合物具有导电性。电化学法是苯胺在电流作用下在电极上发生聚合，获得聚苯胺薄膜。

三、实验设备与材料

① 设备：三口瓶，滴液漏斗，电磁搅拌器，鼓风干燥箱，循环水泵，四探针电阻率仪。

② 试剂：苯胺，盐酸，过硫酸铵。

四、实验步骤与方法

（1）聚苯胺制备

本实验采用化学氧化聚合法合成聚苯胺。步骤如下：用36%的盐酸和水配制成2mol/L盐酸溶液，取25mL稀盐酸并加入2.35g苯胺搅拌溶解，配成盐酸苯胺溶液，取5.7g过硫酸铵溶解于25mL蒸馏水中配成过硫酸盐溶液。电磁搅拌下用滴液漏斗将过硫酸铵溶液滴入盐酸苯胺溶液中，25min加入完毕，继续反应1h，结束反应，得到墨绿色沉淀。反应混合物经过减压抽滤、蒸馏水洗涤后在鼓风干燥箱中干燥。

（2）电导率测试

取少量聚苯胺粉末，用压片机压成厚度大于1mm的薄片，用四探针电导率仪测试样品的电阻率，每个样品测3个不同位置的电阻率，取平均值。然后根据公式计算电导率

k=1/ρ

式中，k为制备的聚苯胺薄片的电导率，S·cm^-1；ρ为聚苯胺的电阻率，Ω·cm。测试结果填入表6.1中。

五、思考题

① 比较两种聚合方法得到的聚苯胺的导电率情况。

② 分析聚合条件对电导率的影响。

参　考　文　献

[1]　何卫东.高分子化学实验[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2003.

[2]　陈伟，孟家光，薛涛，张保宏.聚苯胺的制备及其导电性能[J].合成纤维，2015，44（8）：18-20.