聚苯胺的应用

聚苯胺涂层也指涂料，是采用机械涂膜的方法在金属，如冷轧钢、低碳钢、铝、铜等表面形成均匀完整的聚苯胺防腐膜，其防腐的机理是使金属钝化，在金属表面形成起保护作用的氧化层，且涂覆适合的涂层可以导致腐蚀电势迁移，从而降低金属的腐蚀速率。而且因其具有原料易得、合成简单、无污染、质量轻等诸多优点，而被认为是新一代环境可接受的高效防腐涂料；但PAn不易加工成型，不溶于常规有机溶剂，且纯聚苯胺对金属的粘结性很差，且价格昂贵，利用率低，在实用化中存在一定的障碍。人们通常把聚苯胺作为防腐涂料的添加剂，使之形成聚苯胺系防腐涂料。聚苯胺涂料按物质的不同分为单一聚苯胺涂料、聚苯胺为底漆的涂料、聚苯胺与传统涂料的共混涂料三类。

1985年，Deberry发现在不锈钢上电沉积的聚苯胺膜能显著降低不锈钢在硫酸溶液中的腐蚀速率，其实就是单一聚苯胺涂料，即苯胺在酸溶液通过电化学聚合反应直接在金属电极表面沉积得到聚苯胺涂层。但这种方法难以用于较大的金属部件。

聚苯胺为底漆的涂料是指在聚苯胺涂层上涂敷传统聚合物为面漆，与聚苯胺形成复合涂层。它的优点是不需要考虑涂料中聚苯胺的分散性，每一种涂料各自发挥作用。防腐性能则是这些作用的加和，面漆层一般起物理屏蔽作用。美国Los Alamos和NASA的联合研究小组首次发现聚苯胺可作为中碳钢的防腐涂料。

聚苯胺与传统涂料共混涂料是指将聚苯胺粉末与常规涂料成膜物质（如环氧树脂、醇酸树脂等）混合后进行涂敷，可获得聚苯胺共混防腐涂层，此方法是用于研究聚苯胺防腐性能和机理的最多的方法。它不同于聚苯胺为底漆的涂料，涂料的防腐性能是各组分有机相互作用的结果。

聚苯胺除了防腐涂料，还可以用来制备电磁干扰（EMI）屏蔽涂料和抗静电涂料。高分子的导电性使得涂层对裸露的金属区域都能起到钝化作用，而EMI屏蔽的原理是：采用低阻值的导体材料，并利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和在导体内部的吸收以及传输过程的损耗而产生阻碍其传播的作用，当导电PAn作为导体材料时，可以在一定程度上解决金属导电填料存在的价格昂贵、密度高、容易被氧化或腐蚀等弊端。有人以导电PAn包裹碳基材料为主要导电成分，以热塑性树脂为主要成膜物质制备了EMI屏蔽涂料。

聚苯胺防腐机理尚不明确，科研人员提出了很多理论，包括屏蔽机理、电场机理、双极性涂层机理、吸附机理、阳极保护机理、掺杂剂离子缓蚀机理以及阴极保护机理等。可以肯定的是在氧化态的转变中，聚苯胺的氧化还原电位远高于金属，这是聚苯胺具有金属防腐能力的原因之一。 聚苯胺在环境pH值≥7时具有完全氧化态（LEB）和半氧化态（EB）结构，这两种结构的聚苯胺在金属的防护过程中，只起到一种机械隔离作用，它类似于金属表面的非金属涂装保护这种形式。当金属表面的聚苯胺有缺损时，对该部位不起到保护作用；而当聚苯胺在环境pH值<7时，聚苯胺结构发生变化，形成聚苯胺盐（ES）形态，此时聚苯胺具有良好的导电性和电化学活性。这种形态的聚苯胺在金属的防护中不但具有机械隔离作用而且具有一定的催化钝化作用。当金属表面的聚苯胺有缺损时，它对该部位起一种催化钝化作用，使缺损聚苯胺涂层的金属裸露部分在酸性条件下，发生阳极氧化反应，快速恢复表面钝化层。

有人将聚苯胺/聚甲基丙烯酸甲酯的复合涂层材料用于低浓度氨气的探测，根据复合材料的不同电导率可探测氨气的极限浓度在（10~4000）×10-6范围内。而当氮气充入后，复合涂层的电导率和透光率可以迅速恢复到初始状态,从而实现循环使用。 聚苯胺具有储存电荷的能力高、对氧和水稳定性好、电化学性能良好、密度小和有可逆的氧化/还原特性等特点，在复合物电极中既可作为导电基质又可作为活性物质，已被用于高分子锂电池及太阳能电池等的电极材料。用聚苯胺做成的塑料电池不仅重量轻，且库伦效率超过95%，它的理论能量密度可达500W/kg以上，是铅酸电池（184Wh/kg）的数倍。高分子锂电池，即以PAn及PAn复合物作电极材料的锂离子电池，主要是利用PAn复合物在电极反应过程中掺杂/脱掺杂的可逆性来实现氧化还原反应，完成电池的充放电过程，该电池具有很高的能量密度，并突破了传统锂离子电池正极材料的选择面太小的难题。有人通过反胶束法制备了PAn/V2O5纳米纤维，并将其作为锂离子二次电池的阴极材料，对其电化学性能进行了研究。结果表明复合纳米纤维比V2O5纳米纤维具有更佳的循环性能，而用碳材料替代金属锂作为电池负极可取代金属锂在电极上的沉积和溶解反应，避免了在负极表面锂的枝晶化问题，保持了锂电池的高电压、高比能量等优点，还大大提高了电池的循环寿命和安全性能。

高分子太阳能电池的基本机理主要是基于半导体p-n结的光生伏打效应，即在光的照射下，半导体内部产生的电子-空穴对，在静电场的作用下发生分离产生电动势。高分子太阳能电池因为高分子半导体材料易于制备与纯化、容易加工、价格低廉，并可根据需要进行化学修饰、具有高的开路电压、能制作大面积柔性器件等优点。 吸波材料的吸波原理是吸收或衰减入射电磁波，并将电磁能转变成热能或其它形式的能量而耗散掉。聚苯胺是一类电损耗型吸波材料，其吸波性能与其介电常数、电导率等密切相关。其中PAn具有二电子共轭体系，其导电性可以在绝缘体、半导体和金属之间变化，且具有可分子设计和合成、结构多样化、密度小、吸收频带宽、电磁参数可调、易复合加工等特点，避免了磁性金属吸波材料抗老化、耐酸碱能力、频谱特性等性能差的缺点。但PAn链间刚性强，脆性大，将它复合后可加以改善，有人制备了DBSA掺杂PAn/MMTNCs，在2～18GHz范围内具有微波吸收性能，在13～14GHz范围内反射损耗小于-10dB，在13GHz处的最大反射损耗为-10.3dB。美国等已经将其用作远距离加热材料，用于航天飞机中的塑料焊接技术。还把聚苯胺复合制成具有光学透明性雷达吸波材料，喷涂在飞机座舱盖、精确制导武器的光学透明窗口上，以减弱目标的雷达回波。

但PAn很难同时满足阻抗匹配和强吸收的特点，而将PAn与具有磁损耗吸波性能的磁性粒子复合后却得以实现，比如当纳米NiFe2O4晶体加入到PAn和石蜡的混合体系时，PAn/NiFe2O4和石蜡的复相粉体混合体系在测试频率范围内同时具有一定的介电损耗和磁损耗，并且其混合体系的微波吸收性能高于单独加入PAn时的微波吸收性能。 PAn因具有良好的导电性能，可作为“分子导线”使电子在生物活性物质与电极间直接传递，显著提高生物传感器的响应特性，从而制成无介体的第三代生物传感器，而且通过在合成过程中掺杂不同的阴离子，可以用于检测不同的分析对象。有人通过滴涂法组装了具有选择性多巴胺生物传感器，该生物传感器在中性下可检测出浓度为维生素C浓度1/5000的多巴胺。

还有人把聚苯胺的变色特性用于C辐射的探测，并通过对接受不同剂量辐射的聚苯胺薄膜的紫外-可见吸收光谱测定，确定了辐射剂量与吸收光谱之间的函数关系。 用聚苯胺制备导电纤维，不仅导电性优良持久，而且通过改变掺杂酸的浓度，很容易调节纤维的电导率，这是其它纤维所不具备的优良性质。在普通纤维中混用极少量的导电纤维，就能赋予纤维制品充分的抗静电性能，而且抗静电性能不会受到环境湿度的影响。有人对纤维进行氧化掺杂，制得的导电纤维的比电阻为1.05×10-2Ωcm。

制备方法主要有熔体纺丝法和原位聚合法。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，其优点是制得的导电聚苯胺纤维有较高的电导率，但聚苯胺在普通溶剂中溶解性很差，可供选择的溶剂极少，因此在实际生产中有很大的限制。

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的表面进行。基本流程是将基质纤维浸渍于苯胺溶液中，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聚合，生成的导电聚苯胺附着在纤维表面。工艺流程分别为：1）漂洗→烘干→表面预处理或不处理→苯胺单体浸泡→聚合吸附→清洗→烘干；2）漂洗→烘干→表面预处理或不处理→氧化剂溶液浸泡→聚合吸附→清洗→烘干。电学稳定性受环境温湿度的影响。一般来说，需在织物的表面涂一层保护膜。其电导率随时间的延长具有衰减性，并且聚苯胺沉积在织物上粗细分布不匀，引起织物电导率不匀。

该法的麻烦之处是必须保证纤维对导电聚苯胺的有效吸附，对于结构疏松或吸水性较好的纤维比较容易，而对于涤纶等结构紧密吸水性差的纤维就很棘手。研究表明，无机酸掺杂聚苯胺导电织物的效果优于大多数有机酸，聚苯胺复合导电涤纶织物的导电性能受洗涤液酸碱度的影响，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，而且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。

有意思的是，原位聚合法中有研究表明，不一定是强氧化剂的氧化效果好，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进一步聚合并从溶液中沉淀出来。而弱氧化剂有效地控制了苯胺氧化聚合速度，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纤维的导电性能。PAn与磁性粒子复合，可实现电、磁性能的复合，又可通过调节各组元的组成和结构实现对复合材料电、磁性能的调节，还可弥补无机磁性材料成型加工困难的缺点，还可以作为定向集热治疗肿瘤的医用材料使用。

PAn具有活性中心，可作为化学修饰膜材料，用贵金属微粒，比如Pd，修饰PAn，可做催化剂使用。这种高催化活性可能来源于PAn与Pd微粒的协同效应。

由于掺杂离子在聚苯胺分子链之间往往形成柱状阵列，随着掺杂浓度的提高，后继嵌入的掺杂离子可能进入此前形成的阵列或形成新的阵列，并导致大分子链相互分离。因此聚苯胺在不同氧化态下体积有显著不同，对外加电压有体积响应，可以用于制造人工肌肉。