聚苯胺/聚苯乙烯磺酸-聚乙烯醇电致变色膜的制备和表征
来源:华佗养生网
维普资讯 http://www.cqvip.com 6o 助 能 材 料 2008年第1期(39)卷 聚苯胺/聚苯乙烯磺酸一聚乙烯醇电致变色膜的制备和表征 陈 蔚 ,傅相锴 ,马丽华 (1.西南大学化学化工学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400715; 2.西南大学应用化学研究所,重庆市高校应用化学重点实验室,重庆400715) 摘 要: 在水相中,以聚苯乙烯磺酸(PSSA)为模板 掺杂剂,聚乙烯醇(PVA)为成膜助剂,苯胺(An)为单 体,过硫酸铵(APS)引发合成水溶性导电聚苯胺/聚苯 的附着力、环境友好等情况下,选用模板诱导法制备水 溶性聚苯胺。在水相中,以聚苯乙烯磺酸(PSSA)为模 板掺杂剂,PVA为成膜助剂,AN为单体,过硫酸铵 (APS)引发合成水溶性导电聚苯胺/聚苯乙烯磺酸一 乙烯磺酸一聚乙烯醇(PANI/PSSA-pVA)复合物固体 及其复合溶液,用旋涂法制备了相应的复合电致变色 聚乙烯醇(PANI/PSSA—PVA)复合物固体及其复合溶 膜。通过优化实验表明,反应温度为1O~15℃时,m 液。在导电玻璃(ITO/glass)上采用旋涂法制备PAn/ (PVA)一2.5 , (PSSA): (An): (APS)一1: PSSA—PVA复合电致变色膜。通过一系列优化实验, 0.7:0.4的复合溶液所制得的复合电致变色膜具有 得到PAn/PSSA-pVA复合溶液最佳合成条件和 良好的电致变色性能,其电导率可达0.119S/cm。本 PAn/PSSA—PVA复合电致变色膜最佳制备条件。本 合成工艺简单、反应易于控制、产物易于成膜且不脱 法制得的复合电致变色膜底色接近无色且电导率较 落,制得的膜底色接近无色且电导率较高,在电致变色 高,电致变色性能良好,对ITO导电玻璃的粘附性能 器件等方面有广泛的应用前景。 良好,对实现PAn的复合电致变色膜规模化生产与应 关键词: 聚苯胺;聚苯乙烯磺酸;聚乙烯醇;电致变 用具有一定的指导意义。 色;复合膜 中图分类号:O631 文献标识码:A 2 实 验 文章编号:1001—9731(2008)01—0060—04 2.1试剂 1 引 言 An,经减压蒸馏纯化;聚苯乙烯磺酸钠(Mw一 70000,Aldrich Chemicals);PVA( 一1799士50); 电致变色是指电致变色材料在电场的作用下,发生 APS,浓盐酸(12mol/L),稀盐酸(2mol/L),均系分析 可逆的色彩变化。它能广泛用于显示屏,变色镜,数据 纯。 储存等方面[1 ]。把聚苯胺(PANI)作为电致变色材料, 2.2 PSSA—PVA掺杂PANI的制备 合成简单、变色响应快,且在不同的氧化还原态可以显 将聚苯乙烯磺酸钠溶于去离子水,加人稀HCI酸 现不同的特征颜色。但本征态PANI不导电,难以用于 化,旋干,浓盐酸溶解此粉末,抽滤,滤液旋干后真空干 电致变色材料【4 ]。通常采用掺杂法合成PANI复合物 燥得PSSA模板的固体粉末。 来实现PANI向导电态转变。从国内外关于水溶性 在1O~15℃下,将PSSA溶于去离子水中,再加 PANI的研究可以看出,用模板诱导法制备的水溶性 人PVA溶液和An单体,用稀盐酸调pH值至3~4, PANI复合物在碱性条件下不易脱掺杂,结构规整,电学 剧烈搅拌后,缓慢滴加APS溶液,2h内滴加完再继续 和光性能优于普通化学法合成的PANI。在以PSSA为 反应8~lOh。滤去不溶物后旋干,50ml乙醇分3次洗 模板的合成中,以辣根过氧化酶和H。02为氧化剂,pH 涤后,真空干燥至恒重得PANI/PSSA—PVA复合物固 一4.0, (An): (PSSA)一2:1,合成的水溶性PANI- 体。取0.5g复合物溶于5ml去离子水中得PANI/ PSSA电导率最高,可达10-1S/cm[7.8]。 PSSA—PVA复合溶液。用同样方法制得未掺杂PVA 水溶性高聚物聚乙烯醇(PVA)具有独特的强力 的PSSA/PANI复合溶液。 黏接性、平滑性、耐磨性等[g],可加人复合溶液中作为 2.3测试与表征 成膜助剂。用PVA制备含PANI的薄膜已有报道,但 2.3.1 红外光谱(FTIR) 其处理较麻烦,电致变色性能不好口。 ̄ ]。而以聚合物 复合物经KBr压片后用美国PEGX—FTIR红外光 磺酸为模板掺杂的PANI—PVA复合电致变色膜的研 谱仪测试。 究尚鲜见报道。 2.3.2导电率 本文在考虑电导率、耐电解质溶液腐蚀、膜对基底 两电极法测试PANI/PSSA—PVA复合膜的体积 -基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(CSTC2005BB4109) 收到初稿日期:2007—09—14 收到修改稿日期:2007—12—12 通讯作者:傅相锴 作者简介:陈蔚(1982一)。女。重庆人,在读硕士,师承傅相锴教授。主要从事导电高分子的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 陈蔚等:聚苯胺/聚苯乙烯磺酸一聚乙烯醇电致变色膜的制备和表征 61 电阻R,测试仪器为电化学工作站(CHI650B,上海辰 华仪器厂),装置为“三明治型”,两块导电玻璃之间夹 一显观察到膜的颜色在浅黄绿一浅蓝色之间的变化过 程。图2为对比照片。电压升高到0.8V时,薄膜显 示浅蓝色(图2(a));电压反向循环的消色态下,薄膜 消退呈黄绿色(图2(b))。薄膜在电解液中循环上百 次后浸泡48h不脱落且颜色变化仍然明显。用去离子 片厚度L一0.025cm的塑料,样品涂于塑料片的正 L 方形小孔内(S为lcm )。根据公式: 一面 水洗去薄膜后,IT0玻璃仍有导电性,说明溶液对IT0 ( ,S/cm)计算室温电导率。 2.4复合电致变色膜的制备与性能测试 将复合溶液按2:1的比例与无水乙醇配制成溶 液,氢氧化锂调pH至中性,在洁净的ITO导电玻璃上 用旋涂法直接制膜。室温下静置1h,移至烘箱中8O℃ 下干燥0.5h。 2.4.1电化学性能测试 测试仪器为电化学工作站(CHI650B,上海辰华仪 器厂)。以饱和的乙腈一高氯酸锂溶液为电解液,Pt为 对电极,甘汞电极为参比电极,涂有样品的导电玻璃为 工作电极,室温下进行循环伏安扫描和电化学性能测 试。 2.4.2紫外可见光透过率(UV) 用紫外可见分光光度计(UV-4802H,美国 UNIC ̄)分别测试复合膜在着色态和消色态与ITO 导电玻璃相比的可见光透过率。 3结果与讨论 3.1红外光谱分析 图1是PANI/PSSA—PVA复合物的从4000~ 400cm 的红外光谱图。图1中,832、1129、1403、 1494、1562和1599cm-1处的吸收峰分别对应取代苯 的C—H面外弯曲振动,N:一Q—N(Q为醌环)的特 征振动模式,C—N的伸缩振动,N一 一N(B为苯 环)的伸缩振动模式,醌式单元结构,醌二亚胺单元 G—N和C- ̄C的伸缩振动。3135cm 处的吸收峰 -对应N—H伸缩振动n 。1035和1205cm_1处的吸收 峰是PSSA(一SO。H)的特征吸收峰。1100和 3652cm-1处的吸收峰归属于PVA的C一0H的弯曲 振动吸收峰。由此得出结论,制备出了PANI/PSS PVA复合物。 Wavelengthlcm‘’ 图1 PANI/PSSA-PVA复合物红外谱图 Fig 1 IR spectrum of PANI/PSSA—PVA complex 3.2 电化学性能及电致变色性能分析 对复合电致变色膜进行电化学性能测试,可以明 基底基本没有腐蚀。 图2 照片 Fig 2 Photographs of the multiple colors electro— chromism of PANI/PSSA-PVA complex 图3是复合电致变色膜的循环伏安曲线。图3中 出现两对氧化峰和还原峰,峰形成对称分布。在0.2V 附近的第一个峰A为PANI完全还原态和半氧化半 、9. ‘.宅mtjU 还原态之间的相互转化氧化还原峰,此后薄膜颜色逐 渐变蓝,而出现在0.7V附近的第二个峰B为PANI 半氧化半还原态和完全氧化态之间的相互转化 峰[14,15],对应的颜色为蓝色。A 和B 为相应的还原 峰,薄膜颜色逐渐消退为几近无色。 图3 PANI/PSSA-PVA复合物的循环伏安曲线 Fig 3 Cyclic voltammogram of PANI/PSSA—PVA (sweeprate 50mv/s) 3.3可见光透过率分析 图4为制备在导电玻璃上的PANI/PSSA-PVA 复合膜在不同电压下的可见光透过率曲线。从图4中 可以看出:透光率在消色态和着色态下的变化较大,最 大处约4O 。薄膜在为正的着色电压下,很快由浅黄 绿色转变为浅蓝色,且蓝色逐渐加深;而在电压反向循 环的消色电压下,又逐渐变为浅黄绿色。 3.4 PVA用量对膜电导率的影响 制得PANI/PSSA—PVA复合膜,膜面平整、连续、 均匀、有一定柔韧性,对IT0导电玻璃的粘附性能良 好,电导率较高,电致变色性能良好。无PVA的样品, 膜面会龟裂,其电致变色性和导电性也差。可见PVA 的加入不仅改善了成膜性能等,也改善了膜的电化学 维普资讯 http://www.cqvip.com 6Z 助 性能。 图4 PANI/PSSA—PVA复合电致变色膜在不同电 压下的可见光透过率 Fig 4 Optical transmittance of the films at different voltages 在合成条件固定为:当 (PSSA): (An): (APS)一1:0.7:0.4,反应温度15℃时,随着PVA 的用量增加,膜的导电率也在增加,但是当用量增加到 一定程度(m(PVA)一2.5 )后,膜的导电率又会逐渐 降低,实验结果见图5。这是因为PVA的分散作用使 得An在聚合时活性中心的利用率增加,更利于生成 高分子量的PAn;同时含有PAn的主要掺杂点(亚胺 氮原子)的醌式结构的含量也在增加,进而使得参加掺 杂的PAN增多。但PVA过量会稀释和阻隔PAn粒 子,导致膜的电导率降低。 O.1 蠹暑o.1 U0.1 O.1 w(PVA)P/o 图5 PVA用量对膜电导率的影响 Fig 5 Effect of the PVA on conductivity 3.5 APS用量对膜电导率的影响 从图6可以看出,在同样反应条件下: (PSSA): (An)一1:0.7,m(PVA)一2.5 ,反应温度约15℃, 在实验所用的APS用量范围内,产物都具有良好的导 电性。且随着APS用量的增大,产物的电导率是先增 加后降低,当APS与PSSA摩尔比为0.4:1时,产物 的电导率最大,达到0.119S/cm。原因是APS的浓度 过低不能有效引发An单体的聚合,共聚物的共轭结 构受到,不能产生高导电的复合物。反之,APS 浓度过大时可能由于反应的活性中心过多,生成的 PAn分子量偏低,共轭链长度缩短,电化学性能降低。 3.6 PSSA的作用和An/PSSA的不同比例的影响 聚苯胺作为电致变色材料,响应速度快、价格便 宜、在空气中稳定。但是,电化学聚合法制备的聚苯胺 膜与基底的附着力学性能较差,难于大面积制备;而小 分子功能质子酸掺杂的聚苯胺虽然可以溶解于有机溶 剂,易于制作薄膜,但在碱性条件下容易脱掺杂,电学 材 料 2008年第1期(39)卷 性能较差,且难于抑制苯胺邻位聚合导致的支链结构。 而模板诱导法制备水溶性聚苯胺通常在碱性条件下不 易脱掺杂,结构规整,电学和光性能优良。本文以 PSSA为模板诱导剂,模板分子聚苯乙烯磺酸在水溶 液以聚阴离子的形式存在,苯胺在水溶液中质子化为 带正电的质子化苯胺单体,静电作用使质子化苯胺单 体自动有序地沿着线形PSSA模板聚阴离子排列,线 形模板分子磺酸基团强烈的吸电子效应,屏蔽了苯胺 氮原子上的质子和附近邻位的质子,抑制了苯胺的支 链结构,增强共轭性,有利于提高聚苯胺的电学、力学 和光学性能,也增强了水溶性。 O.1 :: 言O.:1: O.1 n(APS):n(PSSA) 图6 APS用量对复合物电导率的影响 Fig 6 Effect of the APS on conductivity 当反应条件固定为 (PSSA):7/(APS)一1: 0.4,m(PVA)一2.5 时,在不同 (An): (PSSA)比 例下所得的复合溶液制得的膜的电导率不同。在实验 点范围内,随着n(An): (PSSA)比例增大,膜的电导 率先增大后减小,当 (An): (PSSA)一0.7:1时, 出现一个最佳值,膜的电导率最大(见图7)。这是因 为An单体浓度较高时,体系可能发生其它反应,如链 转移等,产物支化和交联较多,不利于其电荷离域化, 进而导致链间电导率降低,样品电导率也降低。 ,’(APS):,’(PSSA) 图7 An/PSSA的不同比例对复合物电导率的影响 Fig 7 Effect of the An/PSSA on conductivity 4 结 论 报道了模板诱导法制备导电聚苯胺/聚苯乙烯磺 酸一聚乙烯醇复合物固体、复合溶液,及其相应的复合 电致变色膜的方法。 (1)通过单因素比较法考察,得到复合溶液最佳 合成条件:反应温度为10"--15℃,m(PVA)一2。5 , (PSSA): (An): (APS)=1:0.7:0.4;复合溶液 不易脱掺杂,易于成膜。 维普资讯 http://www.cqvip.com 陈蔚等:聚苯胺/聚苯乙烯磺酸一聚乙烯醇电致变色膜的制备和表征 1999,l04:l89—195. 63 (2)制备的复合电致变色膜具有良好的电致变 色性能,电导率较高,可达0.1l9S/cm,且底色接近无 色,有望用于制作环境友好应用型PANI复合材料和 复合电致变色膜。 参考文献: [1]Chiang C K,Druy M A,Gau S C,et a1.[J].J Am Chem Soc,1978,i00(3):1013-1015. [73 Shannonm K,Fernandez J E.[J].J Chem Soc Chem Com— mun,1994,5:643. [83 Samuelson L A,Anagnostopoulos A,Alva K S,et a1.[J]. Macromolecules,1998,31(13):4376—4378. [93 Gong},Lixd,Shaocl,et a1.[J].Materials Chemistry And Physics,2003,79:87—93. [103 Mirmohseni A,Wallace G G.[J].Polymer,2003,44: 3523—3528. [2]Kim Y,Fukai S,KoSayashi N.[J].Synth Met,2001,119 (2):337-342. [11]Wudl F,Angus R 0,Lu F L,et a1.[J].J Am Chem Soc, 1987,109:3677. [3]冯博学,陈45. 冲,何毓阳,等.[J].功能材料,2004,35(2)。 [123 Shridhara Alva K,Kenneth J K.Marx A,et a1.[J].Mac— romolecules,1997,30:4024. [4]ho T,Shirakawa H,Ikcda S.[J].J Polym Sci Pol Chem, 1974,12:II-17. [13]马丽华,傅相锴,罗伟,等.[J].材料导报,2006,4:40. [143 Borole D D,Kapadi U R,Kumbhar P P,et a1.[J].Mater Lett,2002,56:685-691. [53 CaoY,Smith P,Heeger A J.[J].Synth Met,1992,48:91— 97. [153 Doic L,Mandic Z,Kovac S.[J].Electrochim Acta,1995, 4O:1681—1688. [63 Paul R J,Vijayanathan V,Pillai C K S.[J].Synth Met, Synthesis and characterizati0n 0f P ANI/PSSA—PVA electrochromic film CHEN Wei 一,FU Xiang—kai 一,MA Li—hua ・0 (1.College of Chemistry and Chemieal Engineering,Southwest University,The Key Laboratory of Eeo-environments in Three Gorges Reservoir Region Ministry of Education,Chongqing 400715,China; 2.Researeh Institute of Applied Chemistry,Southwest University, The Key Laboratory of Applied Chemistry of Chongqing Municipality,Chongqing 400715,China) Abstract:In the aqueous phase,choosing polystyrene sulfonie acid as template doping agent,polyvinyl alcohol as film—forming agent,and aniline as monomer,and utilizing ammonium persulfate to initiate and synthesize the complex solid of PANI/PSSA—PVA,and it’s aqueous solution,and then with the method of spin-coating,the corresponding complex electrochromic films is prepared.The experimental result shows that the prepared solu— tion has fine electrochromic property when m(PVA)一2.5 ,,z(PSSA):,z(An):,z(APS)一1:O.7;O.4,and the reaction temperature is 1 0—1 5℃,moreover,the electrochromic film’s conductivity produced by it could come up to O.119S/em.This synthetical process is simple and easily to be controlled,and its products apt to be film- forming without peeling,with their grounding nearly colorless and high conductivity,have the perspective of be— ing widely applied to electrochromic devices,etc. Key words:polyaniline;polystyrene sulfonic acid;polyvinyl alcohol;electrochromic;complex film (上接第59页) Study on preparation and properties of anisotropic conductive adhesive film LI Wen—bu1,WANG Luo—li0,YU Ji ez,WANG Chenz (1.Department of Applied Chemistry,Wuhan Bioengineering Institute,Wuhan 430415,China; 2.Hubei Research Institute of Chemistry,Wuhan 430074,China) Abstract:Anisotropic conductive adhesive film(ACF)was preparated by blending polyacrylate rubbers, erosslinking prepolymer and conductive microsphere.The effects of polyacrylate rubbers and crosslinking pre— polymer proportion,polyacrylate rubbers molecular weight,epoxy resin category,and acrylic acid and epoxy resin proportion on the properties of the film were discussed.The results showed the proportion of polyacrylate rubbers and crosslinking prepolymer were 80/20—70/30,the number-average molecular weight of polyacrylate rubber was more than 150,000,the carboxyl and epoxy groups mole ratio was 4/5,the film had good connect- ing properties.And the bonding conditions of the film were temperature 180℃,pressure 2.5MPa and time 15s, the storage stability test of the film showed that the film can store at least 6 months at room temperature to meet the connecting requirements and its storage stability was better than commercial ACF. Key words:anisotropic conductive adhesive film(ACF);radical polymerization resin type adhesive film;polyacrylate rubbers;crosslinking prepolymer;conductive microsphere