聚苯胺(PAn),是一种高分子化合物,具有特殊的电学、光学性,经掺杂后可具有导电性及电化学性能。
本征态的聚苯胺是绝缘体,经质子酸掺杂或电氧化都可使其电导率提高十几个数量级。
通常导电高分子的掺杂总是伴随着其主链上电子的得失,而聚苯胺在用质子酸掺杂时,电子数不发生改变。
聚苯胺导电纤维的制备:
制备方法主要有熔体纺丝和原位聚合。
熔体纺丝法:
主要是采用聚苯胺本体纺丝或将聚苯胺与基体聚合物混合纺丝。
优点:制得的导电聚苯胺纤维有较高的电导率。
缺点:聚苯胺在普通溶液中溶解性很差,可供选择的溶剂很少,在实际生产中有很大限制。
注:近期在一些资料中发现,有将导电聚苯胺制成纳米颗粒后,经包膜处理,用共混纺丝制成复合导电纤维的。
原位聚合法:
原位聚合法又称现场吸附聚合法。
用该法制备聚苯胺导电纤维时,聚苯胺的合成反应是在纤维表面进行的。基本流程是将基质纤维浸渍在苯胺溶液中,然后将带有一定量苯胺单体的纤维放入氧化剂及掺杂酸的反应浴中,使苯胺氧化物聚合,生成的导电聚苯胺附着在纤维表面,工艺流程如下:
1.漂洗—烘干—表面处理或不处理—苯胺单体浸泡—聚合吸附—清洗—烘干
2.漂洗—烘干—表面处理或不处理—氧化剂溶液浸泡—聚合吸附—清洗—烘干
有研究表明,在原位聚合法中,强氧化剂的使用效果不一定好,因为当采用过硫酸铵等强氧化剂时,氧化非常迅速,低聚物来不及向纤维渗透就一步聚合并从溶液中沉淀出来,而弱氧化剂有效的控制了苯胺氧化速度,使低聚物有充分的时间向纤维表面及内部迁移。控制氧化速度是保证纤维对聚苯胺有效吸附的关键。同时氧化剂浓度过高也不利于提高导电纤维的导电性能。
聚苯胺导电纤维的特性
1.优良的导电性能
经氧化掺杂的聚苯胺制得的导电纤维的电阻率为1.05×10-2Ω·cm
2.电导率的可设计性
通过改变掺杂酸的浓度,可以很容易的调节纤维的电导率,这是其他导电纤维所不具备的性质。
制备聚苯胺时的PH值对纤维导电性影响很大:
当PH值>4时,聚苯胺呈绝缘性质;
当2<PH<4时,电导率随溶液PH值得降低迅速增加,是半导体性质;
当PH值<2时,聚苯胺呈金属性质;
聚苯胺只有在酸性条件下(即PH<4),才有较高的电导率。
3.耐酸碱性
聚苯胺在环境PH≥7时,具有完全氧化态结构;在环境PH<7时,聚苯胺结构发生变化,形成聚苯胺盐结构,此时,聚苯胺具有良好的导电性和电化学活性。
聚苯胺导电纤维经PH值较大的偏碱性或中性溶液浸泡时,酸碱平衡遭到破坏,则发生质子消除反应,使聚苯胺的掺杂率下降,所以纤维的导电性能下降。
聚苯胺导电纤维经PH=9的溶液浸泡20分钟后,纤维的导电性几乎完全失去;而再用1mol/L的盐酸重新掺杂后,又能回复导电性能。
聚苯胺复合导电涤纶织物的导电性能受洗涤溶液酸碱度的影响:其中碱性洗涤液使导电性能降低2个数量级;酸性洗涤液使导电性能下降1个数量级.
4.耐久性
聚苯胺在涤纶织物表面具有良好的附着性,且空气稳定性好;但是盐酸由于分子质量小易于发生脱掺杂行为,空气稳定性较差;因此,盐酸掺杂聚苯胺的脱掺杂行为是聚苯胺复合导电织物电导率随时间衰减的主要原因。在织物的表面涂一层保护膜可以有效地改善这种状况。
注:近期的一些资料显示,聚苯胺/涤纶基<共混>导电纤维置于空气中6个月,测量的电导率下降很少,不足一个数量级。经红外光谱测定与新制得导电纤维的红外光谱几乎没有区别。表明该导电纤维具有良好的空气稳定性。
5.导电机理
复合导电高分子存在三种导电机理,即:渗流理论、隧道效应、场致发射理论。