-
Technisches
Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese von wasserlöslichem
und selbstdotiertem Polyanilin-Pfropf-Copolymer. Spezieller wurde tert-Butoxycarbonylaminostyrol
(BOC-AMS) durch die Umsetzung von Aminostyrol (AMS) und Di-tert-butyldicarbonat
(BOC)2) synthetisiert und dann mit Natriumstyrolsulfonat
(SSNa) copolymerisiert. P(SSA-co-AMS) wurde durch Eliminierung der
tert-Butoxycarbonylgruppen hergestellt und Anilin wurde auf das
P(SSA-co-AMS) pfropfcopolymerisiert, welches das neue, wasserlösliche und
selbstdotierte Poly(styrol-g-anilin) (PSSA-g-PANI) ergab.
-
Hintergrund
-
Polyanilin
ist eines der eingehend untersuchten intrinsisch leitfähigen Polymere
und zeigt nach Protonen-Dotierung oder Oxidation eine elektrische
Leitfähigkeit.
Es war wohl bekannt, dass Polyanilin leicht, mit hoher Ausbeute
und niedrigen Synthesekosten hergestellt werden kann und auch eine
sehr hohe Leitfähigkeit mit
ausgezeichneter Umweltstabilität
in leitender Form zeigt (MacDiarmid, A.G., in Conjugated Polymers
and Related Materials, The Interconnection of Chemical and Electronic
Structure; Salaneck, W.R., Lundstrom, I., Ranby, B., Herausgeber;
Oxford University Press, 1993, Seiten 73-98).
-
Polyanilin
kann aufgrund seiner hervorragenden elektrischen und elektrochemischen
und optischen Eigenschaften in anspruchsvollen Anwendungen wie Akkumulatoren,
lichtemittierenden Dioden, elektrochromen Materialien und Sensoren
einge setzt werden. Für
diese Anwendungen sollte Polyanilin in Form einer Dünnschicht
oder verarbeitbaren Form hergestellt werden. Somit wird die Entwicklung
von wasserlöslichen Polymeren
wichtig, wenn kommerzielle Anwendungen betrachtet werden. Jedoch
wurde über
wenige Lösungsverfahren
berichtet, da leitende Polymere auf Basis von Polyanilin in einem
herkömmlichen
Lösungsmittel
aufgrund der π-π-Wechselwirkung
zwischen dem starren Polyanilin-Gerüst nicht löslich sind.
-
In
den letzten 10 Jahren wurde durch den Fortschritt in der Forschung über Lösungsprozesse
verarbeitbares Polyanilin, das in einem organischen Lösungsmittel
oder Wasser löslich
ist, entwickelt. Die Basenform von Polyanilin (Emeraldin-Base) kann
in einem Lösungsmittel
wie einer starken Lewis-Säure,
z.B. N-Methylpyrrolidon (NMP) (Tzou, K.T., und Gregory, R.V., Synth.
Met. 1995, 69, 109) oder konzentrierte Schwefelsäure (Andreatta, A., Cao, Y.,
Chiang, J.C., Heeder, A.J., und Smith, P., Synth. Met. 1988, 26,
383), verarbeitet werden. In jüngerer
Zeit können
leitende Formen von Polyanilin in einem polaren oder nicht-polaren
Lösungsmittel
durch Verwendung eines sauren Dotierungsmittels wie Dodecylbenzolsulfonsäure oder
Kampfersulfonsäure
(Cao, Y., Smith, P., und Heeder, A.J., Synth. Met. 1992, 48, 91)
verarbeitet werden.
-
Ein
Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichem Polyanilin wurde ebenfalls
entwickelt. Mehrere Verfahren, wie z.B. die Einführung einer Alkylsulfonsäuregruppe
am Stickstoffatom in Polyanilin (Bergeron, J.Y., Chevalier J.W.,
und Dao, Le H., J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1990, 180; Chen, S.A.,
und Hwang, G.W., J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 7939), oder chemische
oder elektrochemische Polymerisation von Anilin-N-alkylsulfonat
(Bergeron, J.Y., Chevalier, J.W., und Dao, Le H., J. Chem. Soc.
Chem. Commun. 1990, 180; Chen, S.A., und Hwang, G.W., J. Am. Chem.
Soc. 1994, 116, 7939) führten
Berichten nach zur Herstellung von wasserlöslichem Polyanilin. In jüngerer Zeit
wurde berichtet, dass wasserlösliches
Polyanilin durch Polymerisation von Diphenyl-4-sulfonsäure (DeArmitt,
C., Armes, C.P., Winter, J., Uribe, F.A., Gottesfeld, J., und Mombourquette,
C., Polymer 1993, 34, 158) oder Copolymerisation von o-Aminobenzylalkohol
und Diphenyl-4-sulfonsäure
(Nguyen, M.T., und Diaz, A.F., Macromolecules 1994, 27, 7003) hergestellt
wurde.
-
Ein
weiteres Verfahren für
die Herstellung von wasserlöslichem
Polyanilin war die Synthese von PANIs in Gegenwart einer wasserlöslichen
polymeren Säure
[M. Angelopoulos, N. Patel, J.M. Shaw, N.C. Labianca und S.A. Rishton,
J. Vac. Sci. Technol. B11, 2794 (1993); K. Shannon und J.E. Fernadez,
J. Chem. Soc. Chem. Commun. 643 (1994)].
-
Das
mit den obigen Verfahren hergestellte wasserlösliche Polyanilin kann nicht
extrahiert und von der Reaktionslösung und Nebenprodukten nach
der Synthese gereinigt werden. Restliches Produkt und Reagenz, welches
nicht umgesetzt in der Lösung
verbleibt, ist sehr schwer von Wasser zu trennen. Somit wurde eine Dialyse
durchgeführt,
um das resultierende Polyanilin zu reinigen, sie erfordert jedoch
viel Zeit und der Grad der Reinheit ist zweifelhaft. Das überschüssige Wasser
sollte zur Herstellung einer gewünschten
Konzentration einer wässerigen
Lösung
von wasserlöslichem
Polyanilin ebenfalls extrahiert werden.
-
Andererseits
sind die elektrochemischen Eigenschaften, wie z.B. reversible Oxidation/Reduktion
und die Stabilität
während
der Potentialänderung,
sehr wichtig, wenn Dünnschichten
oder Beschichtungen des in Lösung
verarbeiteten Polyanilins in elektrochemischen Anwendungen eingesetzt
werden. Der wichtigste Faktor, der solche Eigenschaften bestimmt,
ist die Ionenleitfähigkeit
der Dünnschicht.
Die Diffusionsrate von Ionen hat Auswirkungen auf die Reversibilität der Oxidation/Reduktion
und die Lebensdauer. Es wurde von mehr als 100000 Zyklen von Oxidation/Reduktion
bei mit N-Alkylsulfonsäure
substituiertem Polyanilin in saurem Zustand berichtet (Kim, E.M.,
Lee, M.H., Moon, B.S., Lee, C., und Rhee, S.B., J. Electrochem.
Soc., 1994, 141, L26), wobei das obige Verfahren nicht auf Akkumulatoren
oder elektrochromes Material anwendbar ist.
-
Kürzlich wurde
berichtet, dass, wenn das Copolymer von Poly(styrolsulfonsäure) und
Oligoethylenglycolacrylat als Dotierungsmittel von Polyanilin verwendet
wurde, die elektrischen Eigenschaften erhöht wurden (H. Tsutsumi, S.
Fukuzawa, M. Ishikawa, M. Morita und Y. Matsuda, J. Electrochem.
Soc. 142, L168 (1995)). In diesem Fall blieben die elektrischen
Eigenschaften selbst nach 40 Zyklen von Aufladung und Entladung
erhalten, jedoch ist das Polymerisierungsverfahren sehr schwierig
und ein Lösungsprozess
war nicht möglich, da
die hergestellte Polyanilin-Dünnschicht
nicht in einem Lösungsmittel
gelöst
werden konnte.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Somit
hat der Bedarf für
ein leitfähiges
Polyanilin, welches in wässerigen
Medien verarbeitbar ist und keine weitere Dotierung mit einem externen
Dotierungsmittel erfordert, um die bisherigen technischen Nachteile
zu lösen,
zur Entwicklung eines wasserlöslichen
und selbstdotierten leitenden Polyanilins geführt, welches auch ausgezeichnete
elektrochemische Eigenschaften aufweist.
-
Die
vorliegende Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für ein neues
wasserlösliches
und selbstdotiertes Polyanilin- Pfropf-Copolymer,
welches durch die folgende Formel 1 dargestellt wird.
-
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 Syntheseweg
für Polystyrolsulfonsäure-g-Polyanilin
(PSSA-g-PANI);
-
2 FTIR-Spektren
von (a) P(SSNa-co-BOC-AMS), (b) P(SSA-co-AMS) und (c) PSSA-g-PANI, wobei Q,
B und op den Chinoid-Ring,
Benzoid-Ring bzw. außerhalb
der Ebene ("out-of-plane") bezeichnen;
-
3 1H-NMR-Spektren von (a) P(SSNa-co-BOC-AMS),
(b) P(SSA-co-AMS) in DMSO-Lösung
und (c) PSSA-g-PANI in D2O-Lösung;
-
4 schematisches
Diagramm von (a) dotiertem und dedotiertem Zustand von PSSA-g-PANI
und einer PSSA/PANI-Mischung, und (b) Strukturänderung von PSSA-g-PANI während des
Dedotierungsprozesses;
-
5 Temperaturabhängigkeit
der Leitfähigkeit
von PSSA-g-PANI:
(a) erste Erwärmung
und (b) zweite Erwärmung
(von Raumtemperatur bis oberhalb 160°C),
-
6 UV-VIS-Spektren
von PSSA-g-PANI: (a) selbstdotierter Zustand in wässeriger
Lösung
und (b) dedotierter Zustand in wässeriger
NH4OH-Lösung
(1 M).
-
Beste Ausführungsform
der Erfindung
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines wasserlöslichen
und selbstdotierten leitenden Polyanilin-Pfropf-Copolymers durch
Pfropf-Copolymerisation von Anilin auf ein Poly(styrolsulfonsäure)-Gerüst.
-
In
der vorliegenden Erfindung wurde, wie in der folgenden Reaktionsformel
1 beschrieben, tert-Butoxycarbonylaminostyrol (BOC-AMS) durch die
Umsetzung von Aminostyrol (AMS) und Di-tert-butyldicarbonat ((BOC)2)
synthetisiert.
-
P(SSNa-co-BOC-AMS)
wurde durch Copolymerisation von BOC-AMS und Natriumstyrolsulfonat
(SSNa) synthetisiert, wie in der folgenden Reaktionsformel 2 beschrieben.
-
Wie
in der folgenden Reaktionsformel 3 beschrieben, wurde P(SSA-co-AMS)
durch Eliminierung der BOC-Gruppen in P(SSNa-co-BOC-AMS) hergestellt.
-
Dann
wurde PSSA-g-PANI (Strukturformel 1) durch Pfropfung von Anilin
auf das P(SSA-co-AMS) synthetisiert, wie in der folgenden Reaktionsformel
4 beschrieben.
-
-
-
-
-
Das
gesamte experimentelle Verfahren ist in 1 als chemische
Formel dargestellt.
-
Das
Herstellungsverfahren zur Synthese von BOC-AMS in der vorliegenden
Erfindung wird konkret wie folgt erläutert.
-
Die
Synthese des BOC-AMS wurde durchgeführt, um den Transfer des freien
Elektronenpaars der Aminogruppe auf die Vinylgruppe in Paraposition
zu verringern und eine etwaige Wechselwirkung mit entweder dem Radikalinitiator
oder der wachsenden Kette zu verhindern. In der Tat konnten mit
Aminostyrol, das einer Homopolymerisation oder Copolymerisation
mit Styrol durch einen Radikalinitiator unterworfen wurde, nur Produkte
mit niedriger Molmasse in ziemlich schlechter Ausbeute erhalten
werden.
-
AMS
und (BOC)2 in Dioxan wurde in einem Wasser/Eis-Bad
umgesetzt. Nachdem die Lösung
10 h lang gerührt
worden war, wurden 200 ml Ethylacetat und 200 ml Wasser nacheinander
zugegeben. Die organische Phase wurde dann extrahiert und mehrere
Male mit reichlich Wasser gewaschen. Schließlich wurde das Lösungsmittel
unter vermindertem Druck verdampft.
-
Das
rohe BOC-AMS wurde aus n-Hexan umkristallisiert, um einen weißen kristallinen
Feststoff zu ergeben (Ausbeute 40 %). Die chemische Struktur von
BOC-AMS wurde durch 1H-NMR-Analyse identifiziert. 1H-NMR (300 MHz, CDCl3,
25 C, TMS): δ =
1,5 (s, 9H; -CH3), 5,1 (dd, 2H; =CH2), 5,6 (dd, 2H; =CH2),
6,6 (dd, 1H; =CH-), 6,7 (s, 1H; -NH-), 7,3 (s, 4H; Ar-H).
-
Das
Herstellungsverfahren zur Copolymerisation von BOC-AMS und Natriumstyrolsulfonat
wird konkret wie folgt erläutert.
-
P(SSNa-co-BOC-AMS)
wurde durch Copolymerisation von SSNa und BOC-AMS synthetisiert.
SSNa (5 g), BOC-AMS (0,5 g) und AIBN (0, 1 g) wurden in 60 ml DMSO
gelöst
und bei 80°C
für 15
h unter einer N2-Atmosphäre polymerisiert. Nach der
Polymerisation wurde das Produkt in Aceton präzipitiert, filtriert, mehrere
Male mit Aceton gewaschen und in einem Vakuumofen bei 60°C für 24 h getrocknet.
Die chemische Struktur von BOC-AMS wurde mittels FT-IR und 1H-NMR-Analyse, wie oben beschrieben, identifiziert.
-
Das
Herstellungsverfahren zur Synthese von PSSA-g-PANI in der vorliegenden
Erfindung wird konkret wie folgt erläutert.
-
Die
Eliminierung der BOC-Gruppe aus P(SSNa-co-BOC-AMS) und der Ionenaustausch
von Na+ durch H+ erfolgten
unter sauren Bedingungen. P(SSNa-co-BOC-AMS) (0,8 g) wurden zu 30
ml einer wässerigen HCl-Lösung (1
M) bei 30°C
für 1 h
unter Rühren
zugegeben, um P(SSA-co-AMS) zu ergeben, und dann wurde die Lösungstemperatur
auf 0°C
verringert.
-
Zur
Pfropf-Copolymerisation von ANI auf P(SSA-co-AMS) wird zuerst ANI
(0,2 g) zu der P(SSA-co-AMS)-Lösung
für 0,5
h unter Rühren
zugegeben und dann werden 20 ml Ammoniumpersulfat (0,49 g)/wässerige
HCl-Lösung
(1 M) tropfenweise bei 0°C
zu gegeben. Nach 6 h Umsetzung wurde eine dunkelgrüne Lösung erhalten
und dann filtriert. Die filtrierte Lösung wurde mittels Dialyse
unter Verwendung einer semipermeablen Membran (Molekulargewichtsausschluss
3500) weiter gereinigt.
-
Die
chemische Struktur des in der vorliegenden Erfindung erhaltenen
PSSA-g-PANI wurde mittels FT-IR und 1H-NMR-Analyse,
in 2 bzw. 3 gezeigt, aufgeklärt.
-
Die
BOC-Gruppe wurde aus P(SSNa-co-BOC-AMS) eliminiert, da die charakteristischen
Peaks der BOC-Gruppe (1718, 1539, 1369 cm–1)
verschwinden und ein neuer Peak bei 2618 cm–1 der
NH3 +-Streckschwingung
beobachtet wird (2(b)). Das FTIR-Spektrum von PSSA-g-PANI
zeigt, dass der Peak der NH3 +-Streckschwingung
in P(SSA-co-AMS) bei 2618 cm–1 in PSSA-g-PANI fast vollständig verschwindet,
wie in 2(c) gezeigt, was anzeigt,
dass PANI erfolgreich auf P(SSA-co-AMS) gepfropft ist. Das in 3 gezeigte 1H-NMR-Spektrum bestätigt die für das leitende PSSA-g-PANI-Copolymer
vorgeschlagene chemische Struktur (1).
-
Wir
stellten auch eine PSSR/PANI-Mischung nach demselben Verfahren wie
für PSSA-g-PANI
her, mit Ausnahme der Verwendung von PSSNa statt P(SSNa-co-BOC-AMS),
um deren Eigenschaften mit denjenigen von PSSA-g-PANI zu vergleichen.
Wenn das PSSA-g-PANI-Copolymer
und die PSSA/PANI-Mischung in wässeriger
NH4OH-Lösung
dedotiert wurden, wurde das dedotierte PANI in der PSSA/PANI-Mischung
aus der Lösung
präzipitiert,
wohingegen das dedotierte PSSA-g-PANI ohne Präzipitation seine Farbe von
dunkelgrün
zu blauviolett veränderte,
wie schematisch in 4 gezeigt. Dies führt uns
ebenfalls zur Schlussfolgerung, dass ANI erfolgreich auf das P(SSA-co-AMS)-Gerüst gepfropft
ist. Die Makrophasentrennung von PANI kann in dem Pfropf-Copolymer
nicht stattfinden, da das Dotierungsmittel kovalent gebunden ist.
Nach Entfernung von NH4OH durch Reinigung
wechselte die blauviolette Farbe von PSSA-g-PANI aufgrund einer
erneuten Dotierung zur dunkelgrünen
Farbe. Die Dotierung ↔ Dedotierung
geschieht reversibel bei pH-Änderung.
-
Als
die elektrische Leitfähigkeit
in der Form eines komprimierten Pellets bei Raumtemperatur nach Trocknung
im Vakuum bei 30°C über 24 h
gemessen wurde, waren die Leitfähigkeiten
des PSSA-g-PANI-Copolymers und der PSSA/PANI-Mischung 1,2 × 10–1 S/cm
bzw. 7, 7 × 10–2 S/cm.
-
Wenn
der Logarithmus der Leitfähigkeit
gegen die inverse Temperatur aufgetragen wird, wie in 5 gezeigt,
zeigt sich, dass der Graph bis zur Temperatur von 148°C linear
ist, was anzeigt, dass der Ladungstransport dem Polaron-Sprungmodell
folgt (d.h. die Temperaturabhängigkeit
der Leitfähigkeit
folgt dem Arrhenius-Gesetz). Bei höheren Temperaturen oberhalb
von 148°C
nimmt die Leitfähigkeit
aufgrund des Auftretens von thermischer Dedotierung mit zunehmender
Temperatur ab. Eine höhere
thermische Dedotierungstemperatur als die ringsubstituierter PANIs
zeigt an, dass unser PSSA-g-PANI thermisch stabiler ist (M.Y. Hua,
Y.N. Su, S.A. Chen, Polymer 2000, 41, 813).
-
Das
UV-VIS-Spektrum von PSSA-g-PANI zeigt, dass die Polaron-Bandenübergänge bei
420 nm und 770 nm stattfinden, wie in 6(a) gezeigt,
was anzeigt, dass sich das PSSA-g-PANI im selbstdotierten Zustand
befindet. Nach Dedotierung von PSSA-g-PANI verschwinden die beiden Peaks
bei 420 und 770 nm und ein neuer starker Absorptionspeak aufgrund
eines π-π*-Übergangs von Chinoidringen
in PANI tritt bei 550 nm auf, wie in 6(b) gezeigt.
-
Das
so erhaltene PSSA-g-PANI ist in Wasser und einem polaren Lösungsmittel
wie DMSO selbst nach längerem
Trocknen im Hochvakuum, um restliches Wasser zu entfernen, vollständig löslich. Der
Tyndall-Effekt wird ebenfalls bei erneuter Lösung in Wasser nicht beobachtet.
-
Die
vorliegende Erfindung wird detailliert anhand von Beispielen beschrieben.
Es sollte jedoch berücksichtigt
werden, dass diese Beispiele die vorliegende Erfindung nicht beschränken, sondern
lediglich spezielle Beispiele davon darstellen.
-
[Beispiel 1]
-
Synthese von wasserlöslichem
und selbstdotiertem Polyanilin-Pfropf-Copolymer
(Änderung
des Gerüst-Molekulargewichts).
-
P(SSNa-co-BOC-AMS)
wurde durch Copolymerisation von SSNa und BOC-AMS synthetisiert.
SSNa (5 g), BOC-AMS (0,5 g) und AIBN (0,01 ~ 0,2 g) wurden in 60
ml DMSO gelöst
und bei 80°C
15 h lang unter einer N2-Atmosphäre polymerisiert.
Nach der Polymerisation wurde das Produkt in Aceton präzipitiert,
filtriert, mehrere Male mit Aceton gewaschen und im Vakuumofen bei
60' C 24 h lang
getrocknet. Die erhaltenen Produkte wurden mittels eines MALDI-ROF-Massenspektrums
charakterisiert und wiesen Molekulargewichte von etwa 1000 ~ 1.000.000
auf.
-
[Beispiel 2]
-
Synthese von wasserlöslichem
und selbstdotiertem Polyanilin-Pfropf-Copolymer
(Änderung
der Pfropflänge).
-
P(SSNa-co-BOC-AMS)
wurde durch Copolymerisation von SSNa und BOC-AMS synthetisiert.
SSNa (5 g), BOC-AMS (0,5 g) und AIBN (0, 1 g) wurden in 60 ml DMSO
gelöst
und bei 80°C
15 h lang unter einer N2-Atmosphäre polymerisiert.
Nach der Polymerisation wurde das Produkt in Aceton präzipitiert,
filtriert, mehrere Male mit Aceton gewaschen und im Vakuumofen bei
60°C für 24 h getrocknet.
-
Zur
Pfropf-Copolymerisation von ANI auf P(SSA-co-AMS) wird zuerst ANI
der P(SSA-co-AMS)-Lösung über einen
Zeitraum von 0,5 h unter Rühren
zugegeben, bei einem Molverhältnis
von ANI/P(SSA-co-AMS) von 0,1 zu 100, und dann werden 20 ml Ammoniumpersulfat/wässerige
HCl-Lösung
(1 M) tropfenweise bei 0°C
zugegeben. Das Molverhältnis
von Ammoniumpersulfat/ANI betrug 1,0. Die erhaltenen Pfropf-Copolymere
haben Anilin-Einheiten
von etwa 1400 als mittlere Pfropflänge und konnten in Wasser nicht
solubilisiert werden, wenn die Anilin-Einheiten über 20 waren. Mit zunehmender
Pfropflänge
nahmen die Sulfonsäuregruppen,
die eine Rolle bei der Wasserlöslichkeit
spielten, ab und es wurde unlöslich.
-
[Beispiel 3]
-
Synthese von wasserlöslichem
und selbstdotiertem Polyanilin-Pfropf-Copolymer
(Änderung
der Dichte der Pfropfstellen).
-
P(SSNa-co-BOC-AMS)
wurde durch Copolymerisation von SSNa und BOC-AMS synthetisiert.
SSNa (5 g), BOC-AMS (0,05 ~ 0,2 g) und AIBN (0,1 g) wurden in 60
ml DMSO gelöst
und bei 80°C
für 15
h unter einer N2-Atmosphäre polymerisiert. Nach der
Polymerisation wurde das Produkt in Aceton präzipitiert, filtriert, mehrere
Male mit Aceton gewaschen und im Vakuumofen bei 60°C für 24 h getrocknet.
Die erhaltenen Produkte wurden mittels 1H-NMR-Spektrum
charakterisiert und die BOC-AMS-Gehalte
in der Beschickung sind die gleichen wie die Gehalte in dem Produkt.
-
Beispiel [4]
-
Synthese von wasserlöslichem
und selbstdotiertem Polyanilin-Pfropf-Copolymer
(pH-Änderung).
-
Zur
Pfropf-Copolymerisation von ANI auf P(SSA-co-AMS) wird ANI (0, 2
g) zuerst der Lösung
von P(SSA-co-AMS) (0, 8 g) über
einen Zeitraum von 0,5 h unter Rühren
zugegeben und dann werden 20 ml Ammoniumpersulfat (0,49 g)/wässerige
HCl-Lösung
(0,1 M ~ 2 M) tropfenweise bei 0°C
zugegeben. Nach 6 h Reaktion wurde eine dunkelgrüne Lösung erhalten.
-
[Beispiel 5]
-
Elektrochemische Synthese
von wasserlöslichem
und selbstdotiertem Polyanilin-Pfropf-Copolymer.
-
Eine
Pt-Scheibenelektrode wurde mit der Vorläufer-Dünnschicht, (P(SSNa-co-BOC-AMS),
schleuderbeschichtet. Die elektrochemische Polymerisation von Anilin
auf P(SSNa-co-BOC-AMS)
wurde durchgeführt durch
Anlegung eines gewünschten
Potentials an die Elektrode unter Verwendung von Potentiostat (EG&G 273 A). Bei
dieser Elektrolyse besteht eine Standard-Dreielektrodenzelle aus einer Pt-Arbeitselektrode
vom Scheibentyp (Durchmesser 1 cm), einer Pt-Gegenelektrode vom
Plattentyp und einer mit wässerigem
Natriumchlorid gesättigten
Calomel-Elektrode (SCE), die als Referenzelektrode eingesetzt wurde.
Die Elektrolytlösung
war 1,0 M wässerige
HCl in einer DMF/Wasser-Mischung. Nachdem Anilin der Lösung zugegeben
worden war, wurde N2-Gas 1 h lang hindurchgespült. Der
Potentialbereich für
die elektrochemische Polymerisation und die Scanningrate betragen –0,2 ~ 1,0
V (gegen SCE) bzw. 50 mV/s.
-
[Beispiel 6]
-
Synthese von wasserlöslichem
und selbstdotiertem Polyanilin-Pfropf-Copolymer
(das leichte Syntheseverfahren ohne Dialyseprozedur).
-
Das
mit den obigen Verfahren hergestellte wasserlösliche Polyanilin kann nach
der Synthese nicht aus der Reaktionslösung extrahiert werden. Dies
liegt daran, dass restliches Produkt und Reagenzien, die nicht umgesetzt
in der Lösung
verbleiben, sehr schwierig von Wasser zu trennen sind. Somit wurde
eine Dialyse durchgeführt,
um das hergestellte Polyanilin zu reinigen; sie erfordert jedoch
viel Zeit und der Grad der Reinheit ist zweifelhaft. Das überschüssige Wasser
sollte zur Herstellung der gewünschten
Konzentration der wässerigen
Lösung
von wasserlöslichem
Polyanilin ebenfalls entfernt werden. Wenn das Pfropf-Copolymer
präzipitiert ist
und alle anderen Agenzien nach der Synthese im Lösungsmittel gelöst sind,
können
die Produkte leicht durch Filtration getrennt werden. In diesem
Beispiel wurde Acetonitril/Wasser (8:2) gewählt, um diese Anforderungen
zu erfüllen.
Der Vorläufer
für die
Pfropf-Copolymerisation, P(SSNa-co-BOC-AMS), Monomer und Oxidationsmittel
wurden in diesem Cosolvens vollständig gelöst, jedoch PSSA-g-PANI nicht.
-
P(SSNa-co-BOC-AMS)
(0,8 g), gelöst
in Acetonitril/1 M wässeriger
HCl (8:2), wurde 1 h lang bei 30°C gerührt. Nachdem
die Temperatur auf 0°C
verringert war, wurde zuerst ANI (0,2 g) der P(SSA-co-AMS)-Lösung über einen
Zeitraum von 0,5 h unter Rühren
zugegeben und dann wurden 20 ml Ammoniumpersulfat (0,49 g)/wässerige
HCl-Lösung
(1 M) tropfenweise bei 0°C
zugegeben. Nach 6 h Reaktion wurde eine dunkelgrüne Lösung erhalten und dann filtriert.
PSSA-g-PANI wurde präzipitiert
und blieb auf dem Filterpapier, während alles andere das Filterpapier
passierte. Nach mehrmaligem Waschen mit Aceton wurde PSSA-g-PANI
im Ofen bei 30°C
für 24
h vakuumgetrocknet. Selbst nach Eliminierung des restlichen Wassers
wurde PSSA-g-PANI vollständig in
Wasser gelöst.
-
Die
Synthese von Polyanilin ist in einem organischen Lösungsmittel
unmöglich.
Somit wurde in diesem Beispiel die Synthese von Polyanilin bei dem
richtigen Verhältnis
von organisches Lösungsmittel/Wasser
als Cosolvenzien erreicht. Das richtige Verhältnis (8:2) wurde für die selektive
Präziptation
von Pfropf-Copolymer gewählt.
-
Industrielle
Anwendbarkeit
-
Wie
oben beschrieben, hat das wasserlösliche und selbstdotierte leitende
Polyanilin-Pfropf-Copolymer den Vorteil, dass wasserlösliche Gerüstgruppierungen
(Sulfonsäuregruppen),
welche nicht an der Selbstdotierung teilnehmen, das Polymer in Wasser
oder einem polaren organischen Lösungsmittel
wie Dimethylsulfoxid (DMSO) löslich
machen. Das polymere Dotierungsmittel (Gerüst-Poly(styrolsulfonsäure)) ist
in einem breiten pH-Bereich strukturell so stabil, dass eine Makrophasentrennung
durch Dotierungsmittel-Migration verhindert werden kann. Das hier
erfundene wasserlösliche
und selbstdotierte leitende Polyanilin wird ein Grundmaterial für anspruchsvolle
Anwendungen, wie z.B. Elektroden, EMI-Abschirmung, Ableitung statischer
Elektrizität,
Korrosionsschutz von Metallen, elektrochrome Materialien, Sensoren,
funktionelle Dünnschichten
und Verhinderung von Bewuchs durch Meeresorganismen (Antifouling),
werden.
-
Zusammenfassung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues wasserlösliches und selbstdotiertes
Polyanilin-Pfropf-Copolymer, wobei Anilin auf das Poly(styrolsulfonsäure-co-aminostyrol)
gepfropft wurde, und dessen Herstellung.
-
Das
wasserlösliche
und selbstdotierte leitende Polyanilin-Pfropf-Copolymer der vorliegenden Erfindung
weist den Vorteil auf, dass wasserlösliche Gerüstgruppierungen (Sulfonsäure-Gruppen), welche
an der Selbstdotierung nicht teilnehmen, das Polymer in Wasser oder
einem polaren organischen Lösungsmittel
wie Dimethylsulfoxid (DMSO) löslich
machen. Das polymere Dotierungsmittel (Gerüst-Poly(styrolsulfonsäure)) ist in
einem breiten pH-Bereich strukturell so stabil, dass eine Makrophasentrennung
durch Dotierungsmittel-Migration verhindert werden kann und die
Dotierung/Dedotierung reversibel ist.
-
Das
wasserlösliche
und selbstdotierte leitende Polyanilin-Pfropf-Copolymer der vorliegenden Erfindung
wird für
anspruchsvolle Anwendungen wie Elektroden, EMI-Abschirmung, Ableitung
statischer Elektrizität,
Korrosionsschutz von Metallen, elektrochrome Materialien, Sensoren,
funktionelle Dünnschichten
und Verhinderung von Bewuchs durch Meeresorganismen (Anti-Fouling),
geeignet sein.