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聚苯胺的制备和应用丨国家出版基金项目

已有 1647 次阅读 2019-12-19 16:24 |系统分类:科研笔记

聚苯胺是主链由对苯二胺和醌二亚胺两个单元组成的一类长链共轭高分子,尽管其早在19 世纪中期就已经以“苯胺黑”的名称存在并广泛应用于染料工业,但是直到1983 年才被Alan G. MacDiarmid 重新进行科学研究,后经Alan J. Heeger及其团队对其独特的结构解析和性能发现,聚苯胺成为最重要的导电高分子品种之一。


Mac Diarmid 和Heeger 因有关导电聚合物的发现于2000 年获得诺贝尔化学奖。值得一提的是,曹镛先生为导电态聚苯胺的成型加工做出了里程碑式的贡献,他与Heeger 先生合作的成果至今仍在学术界和工业界得到广泛应用。国内王佛松先生领导的中国科学院长春应用化学研究所的团队最早开展聚苯胺研究,不仅实现了导电聚苯胺的水系加工,而且发掘了聚苯胺的导电性和掺杂/反掺杂(氧化/还原)可逆性两个本征性能(图1),并积极推进其在金属防腐、抗静电、蓄电池的电极材料等领域的应用,研究工作持续30 余年而不衰。


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图1 不同氧化态聚苯胺及其相互转变

 

目前国内尚缺少聚苯胺相关专著,国外的专著也较少研讨聚苯胺的应用。随着人们对资源环境的日益关注,开发不含锌、铬等重金属且具有广谱防腐性能的环境友好材料具有重大的战略意义,聚苯胺作为新一代环境友好的金属防腐材料日益受到产业界的关注。另一方面,新能源是未来能源领域可持续发展的关键,以聚苯胺为代表的高性能电极材料有望异军突起。因此编撰一部从聚苯胺的制备到应用的专著十分有必要,可为广大学术界和产业界的同仁提供重要的参考。


《聚苯胺的制备与应用》一书就是基于中国科学院长春应用化学研究所研究团队的研发经历,结合国内外在聚苯胺领域的研究成果,以聚苯胺的合成、结构解析、性能研究、成型加工和应用为主线编写而成的。为引导读者对聚苯胺研究和应用的兴趣,我们对每个章节均进行了系统的总结,并对相关领域的发展趋势进行了展望。


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本书主要内容如下:


第1章聚苯胺的制备,从聚苯胺的发展历史出发,分析了苯胺的化学聚合和电化学聚合的原理和实现条件,突出了苯胺化学氧化聚合方法的重要性。


第2章聚苯胺的结构解析与物化性能,从苯胺齐聚物结构出发得到本征态聚苯胺的结构,进而实现掺杂态聚苯胺的全面结构分析,并重点阐述了聚苯胺的结构与导电性能、氧化还原性能的关系。


第3章聚苯胺的成型加工,从本征态聚苯胺的溶液加工工艺出发,突出了对离子诱导方法对实现掺杂态聚苯胺的溶液和熔融加工,尤其是水分散加工的里程碑价值,阐明聚苯胺是一类可加工的高分子材料。


第4章聚苯胺在新能源材料领域的应用,从聚苯胺具有独特的掺杂/反掺杂可逆性出发,阐述了聚苯胺的导电性与电化学活性在很宽的范围内可调的性能特征,进而指明聚苯胺作为电极材料在锂离子电池、锂空气电池、锂硫电池、超级电容器领域的应用可能性。


第5章聚苯胺在金属防腐领域的应用,从聚苯胺的基本结构和可逆氧化还原性能出发,讨论了本征态和掺杂态聚苯胺对不同金属的广谱防腐行为和机理,阐明聚苯胺具有作为新一代不含重金属的环保防腐材料的巨大潜力。


第6章聚苯胺在传感器领域的应用,基于聚苯胺结构与其电学、光学性质与所处环境相关的特点,重点介绍了聚苯胺作为光学、化学和生物传感器等诸多新颖传感器的敏感材料的研究成果, 阐明聚苯胺有可能成为一种前景广阔的传感器材料。


第7章基于导电聚苯胺的电磁屏蔽材料,从聚苯胺的导电性特征出发,指出聚苯胺是一类新颖的轻质电损耗材料,在电磁屏蔽材料领域具有重要应用前景,同时基于其电导率可逆变化的特征,可制成智能屏蔽材料。


全书由王献红研究员负责整理成稿,该书一方面对高品质聚苯胺的高效化学合成、结构解析、溶液加工进行了重点介绍,另一方面阐述了聚苯胺在金属防腐、新能源、传感器、电磁屏蔽等领域的应用,指出聚苯胺的导电性和可逆的掺杂/反掺杂(氧化还原)性能是理解聚苯胺众多应用的理论基础。


作者简介

   王献红


中国科学院生态环境高分子材料重点实验室主任,中国科学院长春应用化学研究所研究员,博士生导师。1988年获得上海交通大学应用化学系高分子材料专业工学学士学位,1993年获得中国科学院长春应用化学研究所高分子化学与物理专业理学博士学位,随后留所工作至今。主要研究方向为导电聚苯胺和二氧化碳共聚物,发表SCI学术论文200余篇,获授权国际专利5项、中国发明专利70余项。从1989年开始跟随王佛松先生从事导电聚苯胺的化学合成和掺杂反应的研究,随后以聚苯胺的溶液加工和应用为目标一直坚持导电聚苯胺的研究,实现了导电聚苯胺的水系加工,其中水分散导电聚苯胺的电导率达到25S/cm,一直处于世界领先水平,并实现了导电聚苯胺透明持久抗静电技术、导电聚苯胺金属防腐技术等多项技术的工业化应用,在国内建立了导电聚苯胺的百吨级生产线。2002年获得国家自然科学基金委杰出青年科学基金资助,2010年成为国家自然科学基金委创新团队首席科学家,2015年入选国家百千万人才工程。



本文摘编自王献红等编著《聚苯胺的制备与应用》(北京:科学出版社,2019.11)一书,标题为编辑所加。

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ISBN 978-7-03-062502-1

责任编辑:张淑晓 李丽娇


本书目录

目录
丛书序 i
前言 iii
第1章 聚苯胺的制备 001
1.1 聚苯胺的化学合成 002
1.1.1 苯胺的化学氧化聚合机理 003
1.1.2 不同分子量聚苯胺的合成方法 006
1.1.3 含苯胺齐聚物结构单元的高分子 014
1.1.4 化学合成聚苯胺的形貌调控 021
1.2 聚苯胺的电化学合成 025
1.2.1 非水介质中苯胺的电化学聚合 026
1.2.2 水介质中苯胺的电化学聚合 027
1.2.3 苯胺的电化学聚合机理 029
1.3 展望 030
参考文献 030
第2章 聚苯胺的结构解析与物化性能 040
2.1 本征态聚苯胺的结构 040
2.1.1 苯胺齐聚物的结构 040
2.1.2 不同氧化态聚苯胺的结构解析 043
2.2 掺杂态聚苯胺的结构 047
2.2.1 不同氧化态聚苯胺的掺杂反应 048
2.2.2 自掺杂聚苯胺 052
2.3 聚苯胺的导电性能 053
2.3.1 聚苯胺的导电机理 053
2.3.2 掺杂态聚苯胺的电导率 058
2.4 聚苯胺的氧化还原性能 061
2.4.1 本征态聚苯胺的氧化还原性能 061
2.4.2 掺杂态聚苯胺的氧化还原性能 062
2.5 展望 064
参考文献 064
第3章 聚苯胺的成型加工 068
3.1 本征态聚苯胺的溶液行为 068
3.2 掺杂态聚苯胺的溶液加工 069
3.2.1 基于掺杂剂对离子诱导的可溶性导电聚苯胺 069
3.2.2 接枝改性聚苯胺 074
3.2.3 共聚法制备可溶性聚苯胺 078
3.3 掺杂态聚苯胺的熔融加工 081
3.3.1 对离子诱导聚苯胺的熔融行为 081
3.3.2 导电聚苯胺与聚烯烃的熔融加工 082
3.4 导电聚苯胺的水基加工 083
3.4.1 取代基法制备水溶性聚苯胺 083
3.4.2 聚合法制备水溶性聚苯胺 086
3.4.3 对离子诱导法合成水基导电聚苯胺 092
3.5 导电聚苯胺胶体分散液 103
3.5.1 苯胺的分散聚合 104
3.5.2 苯胺的乳液聚合 107
3.5.3 反相微乳液法合成导电聚苯胺纳米胶粒 110
3.5.4 自组装法制备聚苯胺胶体粒子 111
3.6 展望 113
参考文献 113
第4章 聚苯胺在新能源材料领域的应用 124
4.1 基于聚苯胺的锂离子电池正极材料 124
4.1.1 锂离子电池简介 124
4.1.2 导电聚苯胺作为电极活性材料的基本原理 125
4.1.3 聚苯胺/无机物复合物正极材料 125
4.1.4 聚苯胺正极材料 128
4.2 基于聚苯胺的锂空电池正极材料 130
4.2.1 锂空电池简介 130
4.2.2 基于导电高聚物的锂空电池正极材料 131
4.2.3 聚苯胺直接作为锂空电池正极材料 132
4.3 基于聚苯胺的锂硫电池正极材料 133
4.3.1 锂硫电池简介 133
4.3.2 基于聚苯胺的锂硫电池正极材料 134
4.3.3 聚苯胺/硫复合物正极材料 135
4.3.4 基于聚苯胺的多元复合正极材料 137
4.3.5 基于聚苯胺前驱体的正极材料 140
4.3.6 聚苯胺在正极材料中的黏结剂行为 140
4.4 基于聚苯胺的超级电容器电极材料 142
4.4.1 超级电容器简介 142
4.4.2 聚苯胺基超级电容器电极材料 142
4.4.3 聚苯胺/碳材料复合物电极材料 144
4.4.4 聚苯胺/金属氧化物复合物电极材料 149
4.5 聚苯胺在太阳能电池上的应用 149
4.5.1 聚苯胺在染料敏化太阳能电池中的应用 150
4.5.2 聚苯胺在有机太阳能电池中的其他应用 154
4.6 展望 154
参考文献 154
第5章 聚苯胺在金属防腐领域的应用 165
5.1 聚苯胺的分子结构 166
5.2 聚苯胺的制备方法 167
5.3 聚苯胺对不同金属的防腐行为 168
5.3.1 聚苯胺对低碳钢的防腐行为 168
5.3.2 聚苯胺对铝的防腐行为 170
5.3.3 聚苯胺对铜的防腐行为 172
5.3.4 聚苯胺对锌的防腐行为 173
5.3.5 聚苯胺对镁合金的防腐行为 173
5.4 聚苯胺的金属防腐机理 176
5.4.1 物理屏蔽机理 177
5.4.2 阳极保护机理 180
5.4.3 掺杂剂阴离子腐蚀抑制机理 185
5.5 聚苯胺防腐涂料的工业化 187
5.6 展望 188
参考文献 189
第6章 聚苯胺在传感器领域的应用 196
6.1 聚苯胺气体传感器 196
6.1.1 聚苯胺氨气传感器 197
6.1.2 聚苯胺硫化氢传感器 199
6.1.3 聚苯胺一氧化碳传感器 201
6.1.4 聚苯胺二氧化氮传感器 203
6.1.5 聚苯胺氢气传感器 205
6.1.6 聚苯胺湿度传感器 207
6.1.7 其他聚苯胺气体传感器 208
6.2 聚苯胺在生物传感器中的应用 209
6.2.1 聚苯胺葡萄糖生物传感器 210
6.2.2 聚苯胺过氧化氢生物传感器 212
6.2.3 聚苯胺胆固醇生物传感器 213
6.2.4 其他聚苯胺生物传感器 214
6.3 展望 215
参考文献 215
第7章 基于导电聚苯胺的电磁屏蔽材料 223
7.1 电磁屏蔽的概念、原理及测量 224
7.1.1 电磁屏蔽的概念 224
7.1.2 电磁屏蔽的原理 224
7.1.3 电磁屏蔽的测量 226
7.2 导电聚苯胺电磁屏蔽材料 227
7.2.1 导电聚苯胺的电磁性能 227
7.2.2 导电聚苯胺复合物的电磁屏蔽性能 229
7.2.3 导电聚苯胺与导电填料的复合物 236
7.2.4 导电聚苯胺与电磁损耗材料的复合物 240
7.2.5 导电聚苯胺与其他材料的复合物 243
7.2.6 导电聚苯胺智能屏蔽材料 244
7.3 展望 247
参考文献 247
索引 254
彩图


《聚苯胺的制备与应用》属于“十三五”国家重点出版物出版规划项目“光电子科学与技术前沿丛书”(丛书主编:姚建年,褚君浩)。丛书已出版书目:


书 名作 者
聚苯胺的制备与应用王献红 等
薄膜基荧光传感技术与应用房喻
印刷显示材料与技术彭俊彪,兰林锋
有机功能材料微纳结构制备与应用裴坚,王婕妤
水醇溶性共轭聚合物光电材料及应用黄飞,段春晖,曹镛
金属配合物电致发光刘志伟,卞祖强,黄春辉
基于分子间电荷转移激发态的有机光电子器件结构设计李文连 等
有机光电子材料在生物医学中的应用范曲立,黄维,刘兴奋
有机薄膜晶体管材料器件和应用孟鸿,黄维
有机太阳能电池材料与器件张春福,习鹤,陈大正


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本期编辑王芳


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