【技術】有機質子酸摻雜合成導電性聚苯胺的方法

導電性聚苯胺是如何形成的

聚苯胺，高分子化合物的一種，具有特殊的電學、光學性質，經摻雜後可具有導電性，聚苯胺因其具有的原料易得、合成工藝簡單、化學及環境穩定性好等特點在電子工業、信息工程、國防工程等方面得到廣泛的研究和應用。

本文探討了採用有機質子酸摻雜合成導電性聚苯胺的方法，研究不同混合酸的摩爾比及摻雜溫度對電導率的影響，並對其進行紅外及紫外光譜分析。

合成方法

在燒杯中配製一定摩爾比的濃鹽酸-十二烷基苯磺酸混合酸，並置於冰水混合浴中，在不斷攪拌下加入3mL經過減壓蒸餾的苯胺，生成苯胺鹽。

將苯胺鹽轉移至三口燒瓶中，加入4.5g過硫酸銨及100mL蒸餾水，在一定溫度的水浴中，攪拌2.5h，使其充分反應。

反應結束後，抽濾得到聚合產物，依次用乙醇及0.5mol/L鹽酸溶液洗滌，洗滌後的試樣在65℃乾燥箱中烘乾24h，並研磨成粉末狀摻雜態聚苯胺。

混合酸摩爾比對電導率的影響

質子酸中濃鹽酸和十二烷基苯磺酸的摩爾比對合成的聚苯胺的導電率有着很大影響，通過條件實驗，確定最佳的摩爾比。

分別量取30mL濃鹽酸及3.92g、2.94g、2.35g、1.96g、1.68g十二烷基苯磺酸配製成摩爾比分別為30∶1、40∶1、50∶1、60∶1、70∶1的混合酸，其餘條件保持不變，摻雜溫度控制在50℃，按上述合成方法製備聚苯胺，並測試摻雜態聚苯胺的電阻，通過計算得到聚苯胺的電導率。

通過實驗數據可以發現，聚苯胺的導電率隨着摩爾比的增加先上升後下降，在摩爾比為50∶1時達到最大值3.831×10-3S/cm。

當混合酸中十二烷基苯磺酸的含量偏低時，混合酸不能使聚苯胺處於較好的摻雜狀態，導致導電率不足。

而過多的十二烷基苯磺酸參與摻雜時，較多的氫離子會降低主鏈電荷密度並提高反應速度，使得苯胺鏈導電通路較短，摻雜有效性低，進而導致導電率下降，通過分析混合酸摩爾比宜取50∶1，可獲得最佳導電率。

摻雜溫度對電導率的影響

改變摻雜時的水浴溫度分別為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，測定其電導率，電導率（10-3S/cm）分別為1.812、2.562、3.085、3.831、3.684。

通過實驗數據發現，導電率隨摻雜溫度的升高而提高，在50℃時達到峰值，繼續升溫至60℃時，導電率下降。

當摻雜溫度低時，不利於十二烷基苯磺酸在聚苯胺中的擴散，無法形成較好的摻雜狀態，隨着摻雜溫度的提高，擴散作用不斷加強，提高摻雜效果，故聚苯胺的導電率逐漸提高。

當摻雜溫度超過50℃時，十二烷基苯磺酸本身的水解作用顯著提高，影響摻雜過程，從而降低了聚苯胺的導電性能，故摻雜時的水浴溫度宜控制在50℃。

紅外及紫外光譜分析

將合成的聚苯胺採用溴化鉀壓片法，使用紅外光譜分析儀測得紅外吸收光譜，分析譜圖發現800cm-1為苯環的對位二取代C—H面外彎曲振動，1126cm-1為醌式環振動，1310cm-1為C—N伸縮振動，1468cm-1為苯環的骨架振動，1555cm-1為醌式環骨架振動。

使用十二烷基苯磺酸摻雜後，引入-SO3H吸電子基團，使得聚苯胺主鏈上的電子云密度下降，呈現正電荷，產生誘導效應和共軛效應，因此吸收峰的位置向低頻方向移動，且吸收峰變寬。

其中醌式環的特徵吸收峰分別從1152cm-1移動至1126cm-1及1587cm-1移動至1555cm-1，而苯環的特徵吸收峰位移不大，說明摻雜作用主要體現在聚苯胺的醌式結構中的氮原子上，而苯式結構中的氮原子則變化不大。

結論

聚苯胺的紫外吸收光譜分析：335nm和630nm處有兩個吸收峰，分別對應π→π*躍遷及n→π*躍遷，摻雜後的聚苯胺因分子主鏈的結構更加規整，使得共價鍵中的電子離域現象更加顯著，共軛效應增強，形成更大的共軛體系，分子能量下降，體系更加穩定。

因此吸收峰的位置較摻雜前發生紅移且峰形變寬。

參考文獻

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