原位聚合沉积制备高质量透明导电聚苯胺(PANI)薄膜

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1、原位聚合沉积制备高质量透明导电聚苯胺（PANI）薄膜陶雪钰陈骁王晓磊王丹魏琦吴其晔教育部橡塑工程重点实验室，青岛科技大学，青岛266042关键词：原位聚合沉积，导电聚苯胺膜，聚乙烯吡咯烷酮，十八烷基三氯硅烷1引言导电聚苯胺（PANI）结构多样化，耐高温及抗氧化性能良好，导电性能优良并且在空气中稳定，但聚苯胺为共轭的刚性链结构，不溶不熔，限制了其加工应用。制备PANI薄膜是改善其加工性的有效途径之一。许多基体浸入含有氧化剂的苯胺酸性溶液后，在其表面会自发地沉积PANI薄膜；即原位聚合（in-situ[1]polymerization）沉积涂膜技术。该方法既可改善导电聚

2、苯胺的加工性，又易工业化。透明导电PANI薄膜具有优异的电学和光学性能，在光电器件及微电子器件方面具有潜在的应用前景。但实验证明沉淀聚合体系中所得PANI薄膜表面形[2][3]貌粗糙，主要由水相中直接生成的PANI颗粒形状不规则、排列疏松所致；[4]加入稳定剂可以降低表面粗糙度。国外文献报道了苯胺分散聚合体系玻璃表面PANI膜的生长，并讨论了薄膜与溶液中同时生成的胶体粒子之间的关系。本文主要以水溶性高分子聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为稳定剂，玻璃为基体，在苯胺的分散聚合中原位沉积高质量（表面光滑，膜厚可控，电导率可调）透明导电PANI薄膜，研究了薄膜质量的影响因素。2实

3、验部分采用0.05M～0.4M的苯胺（An）与0.0625M～0.5M的过硫酸胺（APS）氧化，苯胺与过硫酸胺的摩尔比为1：1.25，并加入1wt％的PVP水溶液，将仔细清洗过的玻璃片放入反应容器，于冰水混合浴中进行电磁搅拌。在不同反应时间取出玻璃基片，用1MHCl冲洗，然后浸入0.2M的苯胺盐酸溶液中，使聚苯胺由全氧化态转变为中间氧化态。30min后，用1MHCl冲洗，浸泡30min，取出后自然晾干，即可制得绿色透明导电PANI薄膜。3结果与讨论3.1苯胺（An）单体浓度对PANI膜厚的影响固定反应中苯胺与过硫酸胺的摩尔比，PANI膜厚随苯胺浓度的增大而增大（Fi

4、g.1）。这是因为升高苯胺浓度，产生的苯胺阳离子自由基增多，其吸附在玻1璃表面的机会变大，且聚合得到的PANI分子量增大，从而得到较厚的PANI膜。但苯胺浓度增大，聚合成膜速率加快，造成PANI膜表观质量下降；苯胺浓度过低，所得PANI膜较薄且不均匀。实验结果表明，体系中稳定剂PVP用量为1wt%时，0.2M苯胺浓度是制备高质量PANI膜的最佳单体浓度。在上述条件下得到的PANI薄膜厚度为65nm时，在400－800nm透光窗口内，其透光率可达80％。140120mn100/ses80knic60hT40200.000.050.100.150.200.250.300

5、.350.400.45Anconcentration/MFig.1TheeffectofAnconcentrationonthethicknessofPANIfilms3.2稳定剂PVP浓度对PANI薄膜电导率的影响Fig.2TherelationbetweenPVPconcentrationandconductivityofthefilm图2为在苯胺浓度0.2M的分散聚合体系，采用不同浓度稳定剂PVP得到的PANI薄膜电导率。从图中可看出，随PVP浓度增大，PANI薄膜电导率降低。这是因为随PVP浓度增大，PANI膜表面吸附的PANI/PVP胶体粒子增多，PVP是

6、不导电高分子。因此，PVP用量减少，PANI薄膜电导率增大。当体系中PVP-1浓度为0.125wt％时，PANI膜电导率可达5.0S·cm。23.3基体表面性质对PANI薄膜形貌的影响同一玻璃基片，部分采用十八烷基三氯硅烷(OTS)处理，部分只清洗干净，在同一聚合体系中沉积PANI薄膜，其形貌如图3（A）和图3（B）所示。可以看到基体表面性质与膜的微观形貌有很大关系。相同沉积时间（8min），亲水表面的薄膜由排列松散的椭球状颗粒构成，粒子间存在空隙（Fig.3B），粒子大小为100-120nm；经OTS处理后，疏水表面的薄膜由连续致密的米粒状颗粒组成，粒子之间堆积得

7、更加紧密，形成连续的整体，膜光滑致密（Fig.3A），构成PANI膜的粒子尺寸大小为20－40nm。由此可见OTS憎水处理的基体可以到表观质量更好厚度更均一的PANI薄膜。从图还可看出，反应时间相同，基体表面的覆盖程度不同，这也说明经OTS处理的憎水表面PANI膜的沉积速率高于亲水表面膜的沉积速率。100nmABFig.3A:Hydrophobicsubstratesurface；B:Hydrophilicsubstratesurface.4.结论1.采用苯胺的分散聚合体系，通过原位聚合沉积技术，在玻璃表面制备了高质量的透明导电PANI薄膜；稳定剂PVP的加入明