为什么高分子量破乳剂的破乳率高

为什么高分子量破乳剂的破乳率高,第1张

同学你好!

首先你要知道什么是破乳,至于什么是乳液我们就不多说了,破乳说简单点就是本来是单分散的乳液,现在我通过各种手段叫你做不成乳液,这是最简单的解释,就是把乳液给破坏了。乳状液的液滴一般大于100nm,通过TEM或者SEM是可以看出结构的。第一大特点就是热力学不稳定,但是动力学上是可以稳定的,热力学不稳定嘛,所以就给破乳提供了很好的前提可能。乳状液的破乳依赖于吸附的表面活性层和与界面吸附层的性质。简单点就是两个乳液液滴靠近时,液膜排液并变薄。薄膜的排液和破裂依赖于作用在液膜界面上各种化学剂的相互作用。如果这时候薄膜表面能导致小液滴液膜变薄且破裂,这不就破乳了,好多本来分散的小液滴就团聚到一起了。

高分子量破乳剂是油溶性破乳剂。在油中能均匀溶解,迅速扩散,较快地接触到水/油 型乳状液的油水界面,并且在分子链舒展或卷曲过程中可以增加对 水/油型乳状液中水相的接触机会,同时对多重相乳液也有接触的可能,其组分和分子量的分散性及组成中有效体的百分含量也高于一般聚醚,其本身就是各种组分复配的混合物,它们起着破乳、润湿、互溶等作用,因此破乳效果好。

所以说高分子量的好,就是说分子量分布广,可以更好且更全面的来接触界面上的各类不同溶解性的油溶性物质,就是说面广,管的多。同时还再加上本身的有效性也高,所以嘛这下就解决很多问题。

多下一些文献看看会更好的帮助你解释这个问题,希望我的解释能对你有用。

液体闪烁计数(Liquifd scintillation counting)

液体闪烁计数所用的闪烁体是液态,即将闪烁体溶解在适当的溶液中,配制成为闪烁液,并将待测放射性物质放在闪烁液中进行测量。应用液体闪烁计数可达到4π立体角的优越几何测量条件,而且源的自吸收也可以忽略,对于能量低,射程短、易被空气和其它物质吸收的α射线和低能β射线(如&sup3H和C-14),有较高的探测效率,液体闪烁计数器是α射线和低能β射线的首选测量仪器。

⒈探测机理

闪烁液产生光子的过程是,从放射源发出的射线能理,首先被溶剂分子吸收,使溶剂分子激发。这种激发能量在溶剂内传播时,即传递给闪烁体(溶质),引起闪烁体分子的激发,当闪烁体分子回到基态时就发射出光子,该光子透过透明的闪闪烁液及样品的瓶壁,被光电倍增管的光阴极接收,继而产生光电子并通过光电倍增管的倍增管的位增极放大,然后被阳极接收形成电脉冲,完成了放射能→光能→电能的转换。

⒉闪烁液

液体闪烁计数系统作用的闪烁溶液,是指闪烁瓶中除放射性被测样品之外的其它组分,主要是有机溶剂和溶质(闪烁体),有时为了样品的制备或提高计数效率的需要,还加入其它添加剂。

⑴溶剂:从β源放射β射线到发射能被肖阴极接收的光妇的这一系列能量转移环节中,能量转移效率是很低的,只有少部分放射能量被利用来发射光子,其中放射源与溶剂之间,能量转移效率大约为5~10%。对溶剂的选择,主要视其对闪烁体的溶介度和将放射能转移给闪烁体的效率而定。如果以一定浓度的闪烁体在甲苯溶液中产生的脉冲高度为100%,那么,凡能产生80%以上的脉冲高度的都定为溶剂,能使脉冲高度随其浓度上升而逐渐减小的称为稀释液,而在浓度很低时就能引起脉冲高度显著下降的叫淬灭剂。在液体闪烁计数系统中,一个好的溶剂应满足下列条件:

①对闪烁体的溶介度高;

②对放射源的转移效率高;

③对闪烁发射的光子透明度高;

④在无论有无助溶剂的帮助下都可以溶介放射性样品;

⑤在计数器的工作温度下来结冰;⑥能够形成均相的测量溶液。一般认为,烷基苯是最好的溶剂,如甲苯,二甲苯。此外,苯甲醚也是比较好的溶剂。另外,对于含水量较多的样品,采用1,4-二氧不作为溶剂,因为该有机化合物的极性较大,既能很好地溶介闪烁体又可溶介含水量较多的样品,能改善计数效率,缺点是价格昂贵,冰点高,久放后产生淬灭作用很强的过氧化物,必须经纯化才能使用,并应加入 0.001%的二乙基二硫代氨基甲酸钠或丁基氢氧基甲苯(BHT),以抑制纯化的二氧六环变质。溶剂在闪烁溶液中约占99%,因此,它的纯度对闪烁液的品质是很大的影响因素。溶剂中不发光的杂质、氧和水的含量多少,都关系到淬灭程度。原则上讲,溶剂应具有闪烁纯,即不含或很少含有影响闪烁计数的淬灭成分。实际证明,“分析纯”试剂可以不经纯化而直接使用。

⑵闪烁液:在液体闪烁计数系统中,闪烁体又称荧光体,是闪烁液的溶质,它的很多,根据其荧光特性及作用,可分为两类,即第一闪烁和第二闪烁体。

①第一闪烁体(初级闪烁体):

常用的第一闪烁体:

Ⅰ对联三苯(TP):化学结构 它是最早使用的闪烁体之一。它的计数率高,价格比较便宜,但是,在低温或含水溶液介度不高。

Ⅱ2,5-二苯恶唑(PPO):化学结构 它是目前普遍使用的闪烁体,能很好地溶介在常用的溶剂中,在含水的情况下也是如此,在甲苯中的溶介度达200克/升以上。它的化学性质稳定,价格也较便宜。但是,它的最大缺点是有明显的浓度淬灭(自身淬灭),即随着PPO在溶剂中的浓度升高,计数效率下降。

Ⅲ2-苯基-5-(4-二苯基)-1,3,4恶唑(PBD):化学结构为 它是已知的最有效的闪烁体之一。比PPO能耐受浓度淬灭,但是,它的溶介度低,尤其是在低温和含水样品存在时,溶介度下降更快,而且用量比PPO多两倍,价格昂贵。

Ⅳ2-(4-t-丁基苯基)-5-(4-二苯基)-1,3,4,恶二唑(丁基-PBD):化学结构为 它的溶介度比PBD高,其最大优点对化学淬灭和颜色淬灭不敏感,因此,可以获得较高的计数效率。

②第二闪烁体(次级闪烁体):第二闪烁体的主要功能是吸收第一闪烁体发射的光子后,再在较长的波段上重新发射出荧光来,并能增加光子的产额。在高浓度下第二闪烁体起着一部分与第一闪烁体相同的作用(即接受激发溶剂分子的的退激能量,并发出荧光),此外,它还能与淬灭因子竞争,从而减少了第一闪烁被淬灭的程度。在下列一种或一种以上的情况下,必须在闪烁液中加入第二闪烁体:

a. 样品中含有直接淬灭第一闪烁体的化合物;

b. 第一闪烁体浓度太高而引起强烈的自身淬灭,且发射的光谱范围与光电倍增管光阴及不匹配;

c. 计数器的光电倍增管光阴极对于较长波长的光谱响应比较好;

d. 测量的样品在近紫外区有明显的吸收。

常用的第二闪烁体有:

Ⅰ1,4,双2-(5苯基恶唑)苯(POPOP)它的溶介度小,在甲苯系统为1.2克/升,在二氧六环中为1.5克/升。溶介速度慢,通常需加热促其溶介,它是目前普遍使用的第二闪烁体。

Ⅱ1,4双2(4-甲基-5-苯基恶唑基)-苯(DMPOPOP):它的溶介度比POPOP大,在甲苯系列内为2.3克/升,在二氧六环内是0.8克/升,溶介速度也快,但没有POPOP的计数效率高,且需要较高的使用浓度。

Ⅲ 此外,还有对-双(0-甲基苯乙烯基)苯,(双-MSB)和2-(4'-二联苯基)-6-苯基苯并恶唑(PBBO),几种常用的初级闪烁体的荧光波长在3460-3800埃之间,而Cs-sb型光阴极的最大光谱响应波长为4000埃左右。因此,对于Cs-Sb材料的光阴极,仅用初级闪烁体不能很好地进行能量转移,计数效率很低,加入次级闪烁体后发射光谱波长增加到4180~4300埃,使其与Cs-Sb型光阴的光谱响应得到改善,能量转移较好,计数效率提高。Cs-K-Sb型是双碱型光电倍增管,它的最大光谱响应波长比Cs-Sb型短。因此,不用次级闪烁体也可以有较好的计数效率。但是,考虑到次级体和其它功用,通常在实际工作中,往往都要使用次级闪烁体。

闪烁液中除了溶剂,闪烁体之外,有时还添加一些其它成分。为了增加闪烁液对含水样品的溶解能力,需加入助溶剂;为了改善计数效率,则加入抗淬灭剂。甲苯、二甲苯等有机溶剂极性很小,对水的溶介能力较差。当样品含水较多时,即使样品体积不大,也很难和甲苯中二甲苯互溶为透明的均相学府。有时样品的含水量虽然不大,但它的放射性水平很低,为了在较短的测量时间获得符合统计误差要求的计数往往需要增加样品的体积,这就等于增加了含水量,这样的样品也不能很好地和甲苯或二甲苯互溶,为此,要加入一定量的极性较大的有机溶剂,如甲醇,乙醇,乙二醇乙醚等,这些溶剂在非极性溶剂和水分子之间起着桥梁作用,既能和甲苯、二甲苯互溶,又能和水互溶,达到增加含水样品在闪烁液内的溶解度的目的,所以称之为助溶剂。

助溶剂的淬灭作用较大要限制其用量,因而,可容纳的含水量也是有限的。其中乙二醇乙醚的极性大且学淬灭作用小,是常用的助溶剂。抗淬灭剂通常用在对含水量很大的样品测量或采用二氧六环作溶剂时,因为这种闪烁液淬灭作用大,为改善计数效率,加入抗淬灭剂萘是十分重要的。萘也是一种荧光物质,它可以抵消一部分淬灭作用,但是萘不能和对联三苯合用,尤其是在甲苯、二甲苯溶剂中,否则计数效率很低。液体闪烁计数器中,闪烁液的最佳体积可以在一定范围内有所变化,吸要能获得较高的计数效率,就应该采用较少的体积,尤其对于&sup3H样品来说,较小体积的闪烁液还可以减少本底计数(大约0.5cpm/ml闪烁液),减少样品的自吸收。如果当样品中含有淬灭剂成分时,增加闪烁液的体积,可以经稀释作用来减少淬灭。

3.探测装置

在液体闪烁计数中引用非常灵敏的光电倍增管,对于探测穿透力低的α射线和低能量的β射线(如&sup3H,C-14等)是极为重要的。使用一个光电倍增管的单光电倍增管液体闪烁计数器,由于电倍增管的热噪声及样品受光照射后发出的磷光,会有较高的本底计数,探测效率也较低。使用两个性能指标大致相同的光电倍增管,并和符合电路相连接,做成双管符合型液体闪烁计数器,符合电路只能通过由两只倍增管同时产生的信号,因而只有当两只光电倍增管在符合电路分辩时间内同时观察到的信号才被记录下来,而由热噪声或磷光产生的随机脉冲则被扣除掉,有效地降低仪器本底,提高了探测效率,系统探测效率可在50%以上。在液体闪烁计数系统中,光电倍增管阳极形成脉冲电压的大小,与阳极一次收集的电子数成线性关系。在光电倍增管放大倍数不变的情况下(取决于高压的稳定性),光阴极产生的光电子越多,最后到达阳极的电子数也越多,而光电子数取决于光子数。在正常情况下,闪烁剂分子释放的光子数与放射性同位素衰变时产生的β射线能量成正比关系。由于放射能在传递和能量转换途中,或多或少地要发生能量消耗,因此,放射能和发射的光子数之间近似地成线性关系。这说明液体闪烁计能够作能谱研究,以分析不同能量的放射性同位素,达到定性目的。例如,&sup3H、C-14

双标记样品,可通过双道液体闪烁计数器同时测定。阳极在单位时间内产生脉冲电压的数量,与闪烁瓶内放射性同位素的多少以及同位素衰变率成线性关系,与样品内的放射性强度成正比,这是液体闪烁测量的定量基础。例如,在知道液体闪烁计数器探测效率的前提下,通过对某种放射性样品进行测定,可以求得该样品中的放射性强度为多少微居里或多少贝柯勒尔。

4.双标记同位素测量的应用

液体闪烁计数器特点之一是能作双同位素分析,配备两个或三个以上独立的脉冲高度分析器的多道装置,并具有脉冲相加和线性门装置,在每种同位素的最佳计数条件下同时测量它们,就能区分发射不同能量的同位素,假定有一个含有&sup3H和C-14的样品,我们将仪器中脉冲高度分析器多道装置中的CH1调&sup3H的平衡点(最佳工作条件),CH2调在C-14的平衡点。&sup3H和C-14标准样品溶解的在同样的溶剂中,并采用与实验样品相同的闪烁体,首先测量空白样品,然后对实验样品和标准样品进行计数 。

为了使双标记测量获得成功,两种放射性同位素的β谱必须要有足够的差异来满足脉冲高度分析所要求的分离。在两种同位素能谱过于接近的情况下,例如C-14和S-35,必须首先对它们进行同位素的化学分离,然后再分别计数。在双标记测量中,较常用的成对同位素有&sup3H和C-14、&sup3H和S-35、&sup3H和P-32及C-14和P-32等。总之,在双同位素标记的测量中,要满足下述两个条件:第一,较高能量的同位素尽量能够在不受较低能量同位素干扰的条件下进行计数;第二,选择一个最佳条件,以对双标记样品中较低能量的同位素能进行计数。

5.液体闪烁计数样品的制备

流体闪烁测量的榈制备是很重要的操作,操作的成功与否,直接影响到计数效率。样品制备方法的选择要考虑以下四个因素:

Ⅰ.所测样品的物理和化学特性,决定所用闪烁液类型和决定是否需要将样品转化为更适于测量的形式;

Ⅱ.样品所含的同位素的种类,对于含3H的样品要更加注意;

Ⅲ.预计的放射性水平,在样品的放射性强度低时,要求的制备方法比较严格;

Ⅳ.制备过程的经济和方便,尤其在样品数量多的更为重要。其一般原则是必须使所制备的样品的放射性,能在一个短的测量时间达到适当的统计学准度,最关键的是要求样品制备过程中,尽可能地减少“淬灭”因素。

⑴均相样品的制备

脂溶性样品可直接加入甲苯、二甲苯系统的闪烁液,含水量小于3%的样品,仍应用甲苯、二甲苯系统的闪烁液,但需加入乙醇或甲醇或乙二醇乙醚等极性溶剂助溶,助溶剂与甲苯的比例通常为3:7。必需时加抵消部分淬灭作用,提高计数效率,含水量再大时,最好采用100毫升乙二醇乙醚。20毫升乙二醇,8克PPO,500毫克POPOP,150克萘,最后用二氧六环加到1升的闪烁液配方,此配方容纳水量大,效率好相当高,但需注意二氧六环易形成过氧化物,会导致化学发光的进行,所以应在避光条件下贮存,或者在贮存期间加入锌粒或其它抗氧化剂以清除过氧化物。

⑵非均相样品的制备

①乳状液计数:表面活化合物Triton X-100是广泛应用的乳化剂,其化学结构式: 它的亲水端吸引水和其它极性分子,疏水端吸引甲苯等非极性分子。乳状液的物理性能随着水分的增加而改变。当甲苯闪烁液与Triton X-100按2:1(v/v’)组成的配方时,样品水分在15%以下的乳状液是透明的;随着水分的增加,就会出现两个不同的相,分相的乳状液不稳定,不能用于测量;水分继续增加,就形成稳定的乳状液,此时液体是透明的或不透明的。乳状液的分相与温度有关,在温度由17℃开始下降时,计数效率线性地增加约10%,到40℃之间为最大值,温度再低,计数效率不再增加,通常把乳状液首先加热到40℃,然后在无振荡的情况下冷却,在4℃保持2~4小时。溶质在有机相和水相之间的不同分布是决定乳状测量计数效率的关键,乳状液测量的效率有时会比均相测量更高,这是因为淬灭物质主要保留在水相中而不影响在有机相中发生的能量转移过程。在均相溶液中,系统中所有的成人的成份都密切地相互接触,所以任何一个淬灭作用都能表现出来。

②悬浮液测量:对于在甲苯等为基础的闪烁液中溶解度极低的无机盐等样品,可采用凝胶技术成悬浮测量液。样品经初步处理后,制成相同大小的颗粒,然后在含有凝胶剂的系统中做成悬浮液。对于悬浮液测量,下列要求是必须的:

a.固体物质要很好地粉碎,并要求是白色或无色的均匀粉状颗粒,以避免光的吸收;

b.要求样品确实不溶于闪烁液,否则溶解的与不溶解的部分有不同的计数效率,造成计数不稳定,结果不易重复。悬浮液测量的优点是样品不溶解在溶剂中,所以样品淬灭极小。在悬浮测量中作为聚胶剂 的物质有硬脂酸铝、蓖麻油的衍生物(thixin)及二氧化硅的细颗粒(Cab-o-sil)。含3.5~4.0%,Cab-o-sil的悬浮液,要以得到很高计数效率,Cab-o-sil还可以减少计数瓶壁对放射性吸附作用,一般制样时,往往先加Cab-o-sil,再加入放射性样品,使放射性更多地吸附在悬浮颗粒上而提高计数效率。悬浮液测量法除应用于固体无机盐的测定外,也可用于水溶液和组织匀浆,还可用来测量薄层层析的放射性,应用时只要将层析物粉碎,简单地与凝胶混合即可,如果待测物能部分地从层析支持物上被洗脱而溶于闪烁液,则此法不可使用。

③支持物测量:与悬浮液测量相似,凡不溶于闪烁液的样品,可将它放置在支持物上再浸入闪烁液中进行计数。支持物的种类很多,如纸条、滤纸、玻璃纤维滤纸及醋酸纤维素膜片等。支持物在计数瓶内的位置对计数有直接影响,通常都采用平放瓶底测量,且膜片不超出闪烁液面,保持支持物和测量杯的干燥,都能获得较高的计数效率和测量重复性。支持物测量除淬灭作用小外,还有一个突出的优越性,即一次测量可以党纲较多的样品。因在同一测量瓶内,随膜片叠加数目的增加(10片之内),计数率线性增加而计数效率保持不变,这对于放射性水平低的含水样品测量非常适用。

在上述几种支持物中,以醋酸纤维素薄膜、玻璃纤维滤纸的效果优于普通滤纸,因为普通滤纸对光子传播几乎是不透明的,所以计数效率很低。

6.液体闪烁计数中的淬灭作用

放射能量在测量瓶内的传递和转换过程越顺利,测量效率越高。但事实上,影响能量传递过程顺序进行的因素很多,它的每一环节都存在着对能量的争夺过程,使得放射能减少,甚至发生能量传递的中断,导致测量效率下降,这种现象称为液体闪烁计数的淬灭。造成淬灭的因素很多,按淬灭性质归纳起来,有下列三种类型。

⑴化学淬灭

化学淬灭的产生,是由于被放射能激发的少量溶剂分子在分子运动中,与非激发的杂质、溶剂、溶质分子碰撞而将激发能发热能形式消耗。化学淬灭的严重程度取决于淬灭物质的化学结构和浓度。化学淬灭与淬灭物浓度的关系是淬灭物质的浓度越大,淬灭作用越严重。例如,氧和水都是强淬灭剂,在常温压下,闪烁液都能溶介空气中的氧,当氧的溶解量达到2/10&sup3mol时,淬灭作用比无氧情况下大20%,而且闪烁液中的含水量(来自含水样品和溶剂中的少量水分以及其它的添加剂)在可能的条件下,应越少越好,闪烁液不能放在冰箱中。

⑵颜色淬灭

由于颜色对光量子的吸收作用,使得带颜色的闪烁液削弱了光子的亮度,也缩短了光量子的自由程,导致到达光阴极的光子数减少,造成计数效率下降。不同的颜色,淬灭作用程度不同,闪烁液荧光波长接近于紫外光,所以,颜色淬灭程度的顺序为:蓝色>黄色>红色。一些生物样品,如血、尿等在制样过程中,要进行脱色处理,如果支持物测量中,滤膜干燥时被烤黄,也会造成计数效率的严重下降。

⑶光子淬灭(又称局部淬灭)

在非均相测量中,由于样品本身的自吸收而使β射线能量在没有传递给溶剂分子之前就消耗掉了,这种淬灭在均相测定中,因样品处理不好,也会发生,谓之光子淬灭。 前已述及,不同能量的放射性核素,在液体闪烁计数时,闪烁体给出的光子数不同,产生的电脉冲高度亦不同。如果由接近平均能量的C-14的β粒子产生400个光子,在一个符合型液体闪烁器中,每个光电倍管将接收200个光子,又因为光电倍增管的最子效率大约是25%,因此200个光子打到光阴极上产生大约50个光子,而淬灭作用使得到达光阴极光子数减少,这种减少只要能让每次衰变记录下来,否则就被计数器漏记,因此,将这些考虑应用到能量较低的&sup3H时,如果按平均能量(0.018MeV)计算,&sup3H的β粒子在甲苯闪烁液中,大约产生40个光子,按25%的量子效率计算,则每个光电倍增管光阴极大约产生5个光子,与14C相比,光电子产额为1:10,所以,在&sup3H测定中,中等程度的淬灭就会产生不能挽回的计数损失。

一 聚苯胺的合成方法

聚苯胺的合成方法很多,但常用的合成方法有两大类:化学合成和电化学合成。

(1) 化学合成法 化学合成法是利用氧化剂作为引发剂在酸性介质中使苯胺单体发生氧化聚合,具体实施方法有如下几种。

① 化学氧化聚合法 聚苯胺的化学氧化聚合法,是在酸性条件下用氧化剂使苯胺单体氧化聚合。质子酸是影响苯胺氧化聚合的重要因素,它主要起两方面的作用:提供反应介质所需要的pH值和以掺杂剂的形式进入聚苯胺骨架赋予其一定的导电性。聚合同时进行现场掺杂,聚合和掺杂同时完成。常用的氧化剂有:过氧化氢、重铬酸盐、过硫酸盐等。其合成反应主要受质子酸的种类及浓度,氧化剂的种类及浓度,单体浓度和反应温度、反应时间等因素的影响。化学氧化聚合法优点在于能大量生产聚苯胺,设备投资少,工艺简单,适合于实现工业化生产,是目前最常用的合成方法。

② 乳液聚合法 乳液聚合法是将引发剂加入含有苯胺及其衍生物的酸性乳液体系内的方法。乳液聚合法具有以下优点:采用环境友好且成本低廉的水作为热载体,产物无需沉淀分离以除去溶剂;合成的聚苯胺分子量和溶解性都较高;如采用大分子磺酸为表面活性剂,则可一步完成掺杂提高导电聚苯胺电导率;可将聚苯胺制成直接使用的乳状液,后续加工过程不必再使用昂贵或有毒的有机溶剂,简化了工艺,降低了成本,还可以克服传统方法合成聚苯胺不溶不熔的缺点。

③ 微乳液聚合法 微乳液聚合法是在乳液法基础上发展起来的。聚合体系由水、苯胺、表面活性剂、助表面活性剂组成。微乳液分散相液滴尺寸(10~100nm)小于普通乳液(10~200nm),非常有利于合成纳米级聚苯胺。纳米聚苯胺微粒不仅可能解决其难于加工成型的缺陷,且能集聚合物导电性和纳米微粒独特理化性质于一体,因此自1997年首次报道利用此法合成了最小粒径为5nm的聚苯胺微粒以来,微乳液法己经成为该领域的研究热点。目前常规O/W型微乳液用于合成聚苯胺纳米微粒常用表面活性剂有DBSA、十二烷基磺酸钠等,粒径约为10~40nm。反相微乳液法(W/O)用于制备聚苯胺纳米微粒可获得更小的粒径(<10nm),且粒径分布更均匀。这是由于在反相微乳液水核内溶解的苯胺单体较之常规微乳液油核内的较少造成的。

④ 分散聚合法 苯胺分散聚合体系一般是由苯胺单体、水、分散剂、稳定剂和引发剂组成。反应前介质为均相体系,但所生成聚苯胺不溶于介质,当其达到临界链长后从介质中沉析出来,借助于稳定剂悬浮于介质中,形成类似于聚合物乳液的稳定分散体系。该法目前用于聚苯胺合成研究远不及上述三种实施方法

成熟,研究较少。

(2) 电化学合成法 聚苯胺的电化学聚合法主要有:恒电位法、恒电流法、动电位扫描法以及脉冲极化法。一般都是An在酸性溶液中,在阳极上进行聚合。电化学合成法制备聚苯胺是在含An的电解质溶液中,使An在阳极上发生氧化聚合反应,生成粘附于电极表面的聚苯胺薄膜或是沉积在电极表面的聚苯胺粉末。Diaz等人用电化学方法制备了聚苯胺薄膜。

目前主要采用电化学方法制备PANI电致变色膜,但是,采用电化学方法制备PANI电致变色膜时存在如下几点缺陷:不能大规模制备电致变色膜;PANI膜的力学性能较差;PANI膜与导电玻璃基底粘结性差。

二 聚苯胺的质子酸掺杂

导电聚合物的“掺杂”是指将导电聚合物从绝缘态转变成导电态时从其分子链中迁移出电子的过程。简单地说,掺杂就是将电子从导电聚合物价带顶部移出(p型掺杂,导电聚合物被氧化),或者向导带底部注入电子(n型掺杂,导电聚合物被还原),使导电聚合物离子化。而导电高聚物的“掺杂”与无机半导休“掺杂”有本质的差别,主要表现在:

(1) 无机半导体掺杂是原子的替代,而在导电高聚物的实质是掺杂剂与主链发生氧化还原反应,产生带电缺陷,两者生成电荷转移络合物;

(2) 无机半导体掺杂量极低(万分之几),而导电高聚物掺杂量可以很大,甚至超过聚合物自身质量;

(3) 无机半导体中不存在脱掺杂过程,而某些导电高聚物中不仅存在脱掺杂,而且掺杂脱掺杂过程完全可逆,进而进行二次或多次掺杂。

聚苯胺的质子酸掺杂机制不同于其它导电高聚物的氧化还原掺杂,后者通过掺杂电子受体或电子给予体总伴随着分子链上电子的得失,而聚苯胺的质子掺杂则不改变主链上的电子数目,只是质子进入高聚物链上才使链带正电,为维持电中性,对阴离子也进入高聚物链[27]。现有的研究表明[28],聚苯胺的胺基和亚胺基均可与质子酸反应生成胺盐和亚胺盐,但只有亚胺氮原子上的掺杂反应才对导电性有贡献。在两种氮原子都存在的情况下,亚胺的氮原子优先被质子化,有效掺杂必须存在醌式结构。用质子酸掺杂时,只是在主链上引入正电荷,为了维持电中性对阴离子也进入聚苯胺分子链中,如图1-4所示。

NH

xNN1 -x

脱 掺 杂 xHA 掺 杂N 1-yN+A-

掺 杂部 分 y1-x 未 掺 杂部 分

图1-4 PANI的掺杂过程

Fig. 1-4 Doping process of PANI

其中,x表示氧化程度,由合成来决定;y表示掺杂程度,由掺杂来决定:A-表示质子酸中的阴离子,由掺杂剂来决定。

根据聚苯胺掺杂过程和步骤的不同,质子酸掺杂可分为以下几种:一次掺杂、掺杂-脱掺杂-再掺杂、二次掺杂、共掺杂。

三 聚苯胺的导电机理

导电过程是载流子在电场作用下作定向运动的过程。高分子材料要能导电,必须具备两个条件:要能产生足够数量的载流子(电子、空穴或离子等);以及大分子链内和链间要能形成导电通道。导电聚合物的导电机理既不同于金属又不同于半导体,金属的载流子是自由电子,半导体的载流子是电子或空穴,而导电聚合物的载流子是“离域”π电子和由掺杂剂形成的孤子、极化子、双极化子等构成。

我国学者王慧中等人提出的掺杂态聚苯胺单极化子和双极化子相互转化的结构模型,比较合理的解释了聚苯胺的导电机理,如图1-5所示。

NH

BB

-O H

NHB+A-H+-A

+ *NH

A-NQN本征态 聚苯胺+NH-A+*NH

A-质子化NHNH分子内电 荷 转 移

NH

BnB+ *NH-A

BNHQ+*NH-A掺 杂态 聚苯胺

图1-5 掺杂态聚苯胺的导电机理

Fig. 1-5 Conductive mechanism of doped PANI

这一模型可以看出,掺杂态聚苯胺体系中,既有绝缘成分,也有各种导电成分,聚苯胺的分子链结构对导电性有很大的影响。

本征态的聚苯胺经质子酸掺杂后分子内的醌环消失,电子云重新分布,氮原子上的正电荷离域到大共轭π键中,而使聚苯胺呈现出高的导电性,掺杂前后的电导率变化可以高达9~10 个数量级。实验表明掺杂后的聚苯胺导电性能有极大的改善,其掺杂剂可以是质子酸、类质子酸、中性盐及某些氧化剂如NH4S2O8、FeCl3等。

四 性能测试方法

1.红外光谱分析 红外吸收光谱在高分子研究中是一种很有用的手段,目前普遍应用在分析与鉴别高聚物、高聚物反应的研究、共聚物研究、高聚物结晶形态的研究、高聚物取向的研究、聚合物表面的研究等方面[58]。样品与溴化钾(KBr)以大约1:100的比例混合,置于研磨中研磨成细粉,在5 MPa下将之压成试片。使用傅里叶红外光谱仪进行表征,光谱范围4000~400 cm-1;分辨率优于0.5 cm-1(可达0.2 cm-1);波数精度优于0.01 cm-1;透光率精度优于0.1 %T。

2.拉曼光谱分析 激光拉曼光谱和红外光谱在高聚物研究中可互补充。拉曼光谱在表征高分子链的碳-碳骨架振动方面更为有效,也可用于研究高聚物的结晶和取向[58]。使用显微拉曼光谱仪进行表征,光谱范围:3600~100 cm-1;分辨率:1~2 cm-1;激发波长:785 nm(固体激光器);光谱重复性:±0.2 cm-1;样品尺寸:不大于3cm×3cm×3cm。

3.热性能分析 热分析是测量在受控程序温度条件下,物质的物理性质随温度变化的函数关系的技术。这里所说的物质是指被测样品以及它的反应产物。程序温度一般采用线性程序,但也可能是温度的对数或倒数程序[59]。

利用综合热分析仪对样品进行热分析。该综合热分析仪集TG-DSC/DTA及Cp多方面测量功能于一身,主要参数为:温度测量范围-120~1650℃;比热测量范围0.1~5.0J/gK;比热测量精度5%;噪声影响(最大)15μW;温度精度<1K;热焓精度±3%;真空度10-4 MPa;热重精度10-6g,热分析条件:Ar气氛,升温速率10℃/min,温度范围为30~700℃。测定加热过程中,各种薄膜的热重量损失及能量变化。

4.X射线衍射谱分析(XRD) XRD是物相分析最有效的手段之一。通过材料的X射线衍射图能过得到相关物质的元素组成、尺寸、离子间距等材料的精细结构方面的数据与信息[60]。取少量产物粉末约0.89铜靶,电压40.0kV,电流30.0mA,扫描范围2θ=5~45。和10~100。,扫描速度4。/min进行测试。

5.扫描电子显微镜分析(SEM) 扫描电子显微镜(SEM)作为一种直观的表征手段,通过直接的观察就可以确定聚合物形貌结构,如颗粒或纤维状、多孔或致密等[60]。一般认为,不同的掺杂阴离子将导致导电聚合物的成核与生长机理不同,因此产生形态各异的聚合物。

6.气敏特性测试 采用静态配气法,测试元件对某些气体的灵敏度及其响应-恢复时间。气体灵敏度的定义为S = Rg / Ra (Ra为空气中测得的电阻,Rg为待测气体中测得的电阻),响应-恢复时间为薄膜元件从接触和脱离检测气体开始到其阻值或阻值增量达到某一确定值的时间。主要技术参数:测试通道数:30路,采集速度:1次/秒,系统综合误差:<±1% ,电源:AC 220V±10% 50Hz,测试电源:Vh 2~10V连续可调 Max8A,Vc:2~10V 连续可调 Max1A,配气箱:外形尺寸 315mm×335mm×350mm;容积30L。


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