DE1544976B2 - Elektronisch leitfähige Polymere - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Gemische aus einem stickstoffhaltigen Polymeren, das ein polymeres Urethan,
ein Polymeres von Vinylpyridin, von Acrylnitril, von Methacrylnitril oder ein Gemisch dieser Copolymeren
oder ein Copolymeres dieser Verbindungen sein kann, mit einem Salz von 7,7,8,8-Tetracyanchinodimethan,
das in diesem Polymeren löslich ist, und 7,7,8,8-Tetracyanchinodimethan in einer solchen Menge, daß dem
Gemisch eine Leitfähigkeit von mehr als 10~10 mho/cm verliehen wird, enthält.
Synthetische Polymere als allgemeine Klasse sind elektrische Isolatoren. Es war diese Eigenschaft, die
die Entwicklung der Kunststoffindustrie auslöste und ihr den starken Antrieb gab. Mit der Entwicklung der
Elektrotechnik ergab sich ein Bedarf an Materialien, die zwar nicht so gute Leiter wie Metalle sind, jedoch
hinsichtlich der Leitfähigkeit solche Eigenschaften aufweisen, daß sie beispielsweise als Koronaabschirmung
verwendet oder als gesonderte Schicht in die Isolierung eingearbeitet werden können, um Koronaentladungen
zu verhindern, die unerwünscht sind, da sie vollständige Zerstörung der elektrischen Isolierung bewirken. Mit
der Entwicklung der Kunststoffindustrie ergab sich außerdem die Verwendung dieser Materialien nicht
nur in der Elektrotechnik, sondern auch für dekorative
Zwecke und für Gebrauchsartikel, z. B. zur Herstellung von Chemiefasern und Folien. Da diese Polymeren
nichtleitend sind, haben Gegenstände, die aus diesen Fasern und Folien hergestellt sind, die unangenehme
Eigenschaft, sich an ihren Oberflächen statisch aufzuladen, so daß Staub aus der Luft sowie andere
Materialien an ihnen haften bleiben. Viele Versuche wurden gemacht, diese Gegenstände mit einer Oberfläche
zu versehen, die die elektrostatische Ladung zerstreut, so daß die Gegenstände nicht mehr zur Aufladung
neigen würden. Leitfähige Oberflächen sind erner erwünscht, um Nichtleiter, die aus diesen Werkftoffen
hergestellt sind, für dekorative Zwecke und für
Gebrauchszwecke zu plattieren, z. B. für dekorative
Muster oder für gedruckte Schaltungen. Ferner haben sich Anwendungen ergeben, bei denen beispielsweise
leitfähige Gewebe, insbesondere in Form von leitfähigen Bändern gebraucht werden, die eine bestimmte
Leitfähigkeit haben, so daß die Strommenge, die in dem Stromkreis fließt, zu dem diese Bänder gehören,
geregelt werden kann.
Viele Versuche wurden gemacht, synthetische PoIymere
zu entwickeln, die elektronisch leitfähig sind. Bei der Entwicklung der synthetischen Ionenaustauschharze
hoffte man, daß diese Produkte Anwendung für leitfähige Polymere finden würden. Es wurde
jedoch festgestellt, daß ein großer Teil der Leitfähigkeit unter dem Einfluß des elektrischen Potentials
ionisch war, wobei die ionischen Gruppen des Polymeren je nach ihrer Ladung entweder zur Anode oder
zur Kathode wanderten. Dies ist eine unerwünschte Eigenschaft, da hierdurch die innere Struktur des PoIymeren
von ionischen Gruppen entblößt wird, wodurch der Widerstand steigt und das Polymere abgebaut
wird.
Bei weiteren Versuchen zur Lösung des Problems wurden metallische oder andere leitfähige Füllstoffe,
z. B. Ruße, dem Polymeren zugemischt, um leitfähige Gemische zu erhalten. Da die Füllstoffmenge die Leitfähigkeit
des Gemisches bestimmt, hängt die Leitfähigkeit dieser Gemische von der höchsten Menge des
leitfähigen Füllstoffs ab, der dem Polymeren zugemischt werden kann, ohne die mechanischen Eigenschaften
des Gemisches zu beeinträchtigen. Diese Gemische sind ferner zwar elektrisch leitend, jedoch
haben sie den Nachteil, daß sie gleichzeitig einen elektrischen Widerstand haben, durch den Wärme im Gemisch
erzeugt wird, wenn dieses stromdurchflossen ist. Durch die Erwärmung dehnen sich diese Gemische
aus, wodurch der Abstand der leitfähigen Teilchen weiter vergrößert, die Leitfähigkeit des Gemisches verringert
und der Widerstand entsprechend erhöht wird, wodurch wiederum mehr Wärme erzeugt wird, bis das
Gemisch durch thermische Zersetzung unbrauchbar wird.
Gemäß der Erfindung können elektronisch leitfähige Polymere, deren Leitfähigkeit mit der Temperatur
zunimmt, unter Verwendung der einzigartigen Verbindung 7,7,8,8-Tetracyanchinodimethan, nachstehend
der Kürze halber als TCNQ bezeichnet, hergestellt werden. Es wurde gefunden, daß stickstoffhaltige
Polymere, z. B. die Polymeren von Acrylnitril, Methacrylnitril, Vinylpyridin und polymere Urethane im
festen Zustand die einzigartige Eigenschaft haben, Salze von TCNQ und TCNQ selbst im freien Zustand
zu lösen, und daß bei Auflösung genügender Mengen dieser Materialien in der Polymerstruktur im festen
Zustand diese festen Polymeren elektronisch leitfähig
sind. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß andere stickstoffhaltige Polymere, z. B. Polyamide,
diese Eigenschaft nicht haben.
Wenn die Menge des TCNQ-Salzes wenigstens 1 % und die Menge des freien TCNQ wenigstens 0,5 Gewichtsprozent
des Gesamtgemisches beträgt, steigt die Leitfähigkeit dieser Polymergemische plötzlich bis auf
mehr als ΙΟ"1 ° mho/cm. Für die meisten Anwendungen
ist es erwünscht, diese Gemische in Form von Folien oder Fasern zu verwenden. Daher müssen die Polymeren,
die diese TCNQ-Salze und TCNQ enthalten, ein so hohes Molekulargewicht haben, daß das Polymere
film- und faserbildende Eigenschaften hat.
Die Polymeren von Vinylpyridin (ζ. Β. 2-, 3- oder 4-Vinylpyridin) Acrylnitril und Methacrylnitril sind
bekannt. Sie können entweder Homopolymere oder Copolymere sein, ·ϊη denen das Vinylpyridin, Acrylnitril
oder Methacrylnitril oder ihre Gemische mit anderen polymerisierbaren Monomeren copolymerisiert
sind. Die Polymeren von Vinylpyridinen können 1 bis 2 niedere Alkylsubstituenten am Pyridinring zusätzlich
zur Vinylgruppe enthalten. Beispiele sind Polymere von Methylpyridin, Vinylpyridin, Dimethylvinylpyridinen,
Äthylvinylpyridinen oder Methyläthyl-vinylpyridin. Da jedoch die Fähigkeit zur Lösung
der TCNQ-Salze und von TCNQ offensichtlich davon abhängt, daß die Polymeren stickstoffhaltige Gruppen
enthalten, werden vorzugsweise Polymere verwendet, in denen, das Vinylpyridin, Acrylnitril oder Methacrylnitril
oder deren Gemische der überwiegende Bestandteil sind, d.h. in denen mehr als 50% des
Polymermoleküls ein Vinylpyridin, Acrylnitril, Methacrylnitril oder deren Gemisch ist. Polymere Urethane
sind ebenfalls allgemein bekannt und werden als allgemeine Klasse durch Umsetzung eines zweiwertigen
) Alkohols mit einem Diisocyanat hergestellt. Im allgemeinen
hat der zweiwertige Alkohol die Form eines Polyäthers oder Polyesters mit endständigen Hydroxylgruppen,
dessen Kette mit dem Diisocyanat verlängert ist, wobei die Isocyanatgruppe mit der Hydroxylgruppe
zu einer Carbamatgruppe reagiert, die gewöhnlich als Urethangruppe bezeichnet wird.
Als TCNQ-Salze eignen sich alle bekannten einfachen Salze von TCNQ, die durch die einfache Salzformel
M"+(TCNQ~)n dargestellt werden können, worin M ein Metallkation oder organisches Kation
sein kann und η die Wertigkeit des Kations ist. Geeignet sind ferner komplexe Salze der Formel
M»+(TCNQ-)„ · TCNQ
die neben dem TCNQ-Ion ein Molekül von neutralem TCNQ enthalten. In dieser Formel haben M und η die
obengenannte Bedeutung. Bei Verwendung der einfachen Salze für die Zwecke der Erfindung muß zusätzliches
freies TCNQ zugegeben werden, um die gewünschte Leitfähigkeit der Polymergemische zu erzielen.
Da die komplexen Salze bereits freies TCNQ enthalten, braucht bei ihrer Verwendung als Zusatz
zu den Polymeren kein zusätzliches TCNQ zugegeben zu werden. M kann eines von zahlreichen Metallionen
sein, z. B. Lithium, Natrium, Kalium, Kupfer, Eisen, Mangan, Barium, Cäsium, Kobalt, Blei, Nickel und
Chrom, oder es kann ein organisches Kation sein, z. B. eines der zahlreichen Amine, Ammoniak oder
Alkylammoniumkationen.
Außer den hier genannten TCNQ-Salzen können auch die polymeren Salze verwendet werden, die
TCNQ mit Polymeren bildet, die quaternäre Stickstoffkationengruppen enthalten. Diese Polymer-TCNQ-Salze
werden durch Umsetzung von löslichen Polymeren, die quaternäre Stickstoffkationengruppen
enthalten, mit löslichen Salzen von TCNQ hergestellt. Am löslichsten und am leichtesten erhältlich ist das
Lithiumsalz von TCNQ. Das polymere Salz von TCNQ scheidet sich aus dem Lösungsmittel ab, das
im allgemeinen Wasser, Methanol, Äthanol oder deren Gemisch ist, wodurch das Polymer-TCNQ-Salz
ausgefällt wird und das Lithiumsalz oder sonstige Salz, das als Nebenprodukt der Reaktion gebildet wird, in
Lösung bleibt.
Das TCNQ-SaIz und das TCNQ können den genannten Polymeren in beliebiger geeigneter Weise
zugemischt werden. Wenn das Polymere löslich ist, wird es vorzugsweise mit dem TCNQ-SaIz und dem
TCNQ in einem gemeinsamen Lösungsmittel unter Bildung einer homogenen Lösung gelöst, oder diese
Materialien werden getrennt gelöst und die Lösungen zu einer homogenen Lösung der drei Komponenten
gemischt. Diese Lösungen können dann zum Gießen
ίο von Folien oder zum Spinnen von Fasern oder als
Überzugsmassen zur Herstellung von Gemischen mit elektronischer Leitfähigkeit verwendet werden. Wenn
das Polymere in irgendeinem Lösungsmittel oder in dem zur Auflösung des TCNQ-Salzes und des TCNQ
verwendeten Lösungsmittel unlöslich ist, können das TCNQ-SaIz und das TCNQ in das Polymere diffundiert
werden, indem das Polymere mit einer Lösung des TCNQ-Salzes und des freien TCNQ so lange in
Berührung gehalten wird, bis das TCNQ-SaIz und das TCNQ in das Polymere diffundiert sind. Wenn ein
Lösungsmittel verwendet wird, das das Polymere nicht löst, es jedoch quillt, wird die Zeit, die zum
Diffundieren des TCNQ-Salzes und des TCNQ in das Polymere erforderlich ist, stark verkürzt.
»5 In beiden Fällen bleiben das TCNQ-SaIz und das
TCNQ nach dem Abdampfen des Lösungsmittels im Polymeren bis zur Löslichkeitsgrenze dieser Materialien
im Polymeren gelöst. Die Leitfähigkeit des erhaltenen Gemisches steigt mit der Konzentration des
TCNQ-Salzes und des TCNQ. Im allgemeinen können Konzentrationen bis zu 15 bis 20 Gewichtsprozent an
TCNQ-SaIz und TCNQ insgesamt erreicht werden,
bevor Kristalle dieser beiden Verbindungen in der Polymermatrix erscheinen. Die Leitfähigkeit der Gemische,
die Kristalle des TCNQ-Salzes oder des TCNQ enthalten, wird jedoch nicht beeinträchtigt,
vielmehr steigt die Leitfähigkeit weiterhin als Funktion der Konzentration. Dagegen ist die gelöste Phase
des TCNQ-Salzes und des TCNQ in der Polymerphase eine Vorbedingung. Wenn nur die unlösliche
Kristallphase anwesend ist, ist die Leitfähigkeit des Polymeren viel geringer. Soweit festgestellt werden
konnte, sind die Polymeren von Acrylnitril, Vinylpyridin, Methacrylnitril und polymere Urethane die
einzigen Polymeren, die in der Lage sind, TCNQ-Salze und TCNQ als gelöste Phase in Abwesenheit
eines gemeinsamen Lösungsmittels, d. h. in der festen Phase, zurückzuhalten. Lösungen der eng verwandten
stickstoffhaltigen Polymeren, z. B. der Polyamide, die gelöste TCNQ-Salze und gelöstes TCNQ enthalten,
können hergestellt werden. Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels kristallisieren jedoch die TCNQ-Salze
und das TCNQ als getrennte Phase in der Polymermatrix aus, wobei keine TCNQ-Salze und kein TCNQ
in der gelösten Phase bleibt. Als Folge hiervon haben die Polymeren eine sehr niedrige Leitfähigkeit.
Das Verfahren zur Diffundierung des TCNQ-Salzes und des TCNQ in das Polymere ist sehr vorteilhaft in
seiner Anwendung, wenn nur eine leitfähige Oberfläche auf dem hergestellten Gegenstand erzeugt'werden
soll, während die Innenstruktur des Polymeren irri ursprünglichen nichtleitenden Zustand bleiben soll.
Diese Methode ist ferner vorteilhaft für die Herstellung von leitfähigen Polymeren aus solchen Polymeren, die
bereits in die gewünschte Form gebracht oder vernetzt und daher in Lösungsmitteln unlöslich gemacht
worden sind. Diese Methode kann auch angewendet werden, um Fasern, die aus dem geschmolzenen Poly-
5 6
meren gesponnen worden sind, ζ. B. Polyacrylnitril- In Polymere, die löslich sind, lassen sich im allge-
fasern oder vernetzte Fasern, z. B. Fasern aus poly- meinen größere Mengen des TCNQ-Salzes und des
meren Urethanen, elektronisch leitend zu machen. TCNQ einarbeiten. Wenn also die Herstellung von
Typische Lösungsmittel, die -zur Auflösung der Gemischen von höchster Leitfähigkeit gewünscht
Polymeren von Acrylnitril verwendet werden können, 5 wird, werden vorzugsweise lösliche Polymere yer-
sind Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dirne- wendet. In die unlöslichen Polymeren lassen sich jedoch
thylsulfoxyd, Butyrolacton oder a-Cyanoacetamid. genügend TCNQ-SaIz und TCNQ diffundieren, um
Copolymere, die einen größeren Anteil Acrylnitril ihnen Leitfähigkeiten von mehr als 1O-10 mho/cm zu
enthalten, sind häufig in Lösungsmitteln, wie Dioxan, verleihen.
Chlorbenzol, Cyclohexanon, Methyläthyl-o-keton, so- io Die in das Polymere einzuarbeitenden Mengen des
wie in den obengenannten Lösungsmitteln löslich. TCNQ-Salzes und des TCNQ hängen von der gePolymere
der Vinylpyridine und von Methacrylnitril wünschten Leitfähigkeit und dem jeweils verwendeten
sind in Lösungsmitteln, wie Cyclohexanon, Nitro- TCNQ-SaIz ab. Im allgemeinen wurde festgestellt, daß
methan, Nitropropan sowie in den Lösungsmitteln zur Erzielung von Leitfähigkeiten von mehr als
für Polymere von Acrylnitril, leicht löslich. Diäthyl- 15 ΙΟ"10 mho/cm das TCNQ-SaIz wenigstens 1 % und
sulfon ist ein besonders gutes Lösungsmittel zur Ver- das TCNQ wenigstens 0,5% des Gesamtgewichts der
wendung mit Polyacrylnitril, wenn das Polymere nur endgültigen festen Polymermischung ausmachen sollte,
angequollen, aber nicht gelöst werden soll. Durch Ver- Wie die Beispiele veranschaulichen, läßt sich die
mischung eines Lösungsmittels mit einem Nichtlöser Menge des TCNQ-Salzes und des TCNQ, die zur Erist
es ferner möglich, ein Lösungsmittelgemisch zu er- 20 zielung einer bestimmten Leitfähigkeit des Polymeren
halten, durch das die gemäß der Erfindung verwende- erforderlich ist, leicht bestimmen, indem unterschiedten
Polymeren, die im Lösungsmittel löslich sind, ge- liehe Mengen dieser beiden Komponenten zugegeben
quollen, aber nicht gelöst werden. . werden und die Leitfähigkeit gemessen wird. Eine
Polymere Urethane, die die verschiedensten Eigen- graphische Darstellung dieser Werte als Wachstums-
schaften aufweisen und von thermoplastischen, lös- 25 kurve ermöglicht die Bestimmung der Leitfähigkeit
liehen Polymeren bis zu Polymeren reichen, die in von Polymeren, die diese beiden Materialien in anderen
unterschiedlichem Grade vernetzt sind, können je Konzentrationen enthalten.
nach den zur Herstellung der polymeren Urethane Der Zusatz eines TCNQ-Salzes, in dem das TCNQ
verwendeten Bestandteile erhalten werden. nur als TCNQ-Anionen vorliegt, ist nicht genügend.
Wenn nur eine Dihydroxyverbindung und Diiso- 30 Entweder muß ein komplexes Salz, das neutrales
cyanat verwendet werden, sind die Polymeren thermo- TCNQ, d. h. TCNQ in der freien oder nichtionischen
plastisch und in den verschiedensten Lösungsmitteln Form enthält, neben dem in das Salz eingebauten
leicht löslich. Vernetzte, unlösliche Produkte werden TCNQ-Anion oder ein TCNQ plus ein einfaches
erhalten, wenn entweder eine Polyhydroxyverbindung, TCNQ-SaIz, d. h. ein Salz das TCNQ nur in Form von
die mehr als zwei Hydroxylgruppen enthält, an Stelle 35 TCNQ-Anionen enthält, verwendet werden. Die An-
wenigstens eines Teils der Dihydroxyverbindung oder Wesenheit sowohl von TCNQ als auch von TCNQ-
ein Polyisocyanat, das mehr als zwei Isocyanatgruppen Anionen ist für die Herstellung der erfindungsgemäßen
enthält, an Stelle eines Teils oder der Gesamtmenge leitfähigen Polymeren wesentlich,
der Diisocyanatverbindung verwendet wird. Viele Wenn in den Ansprüchen von der Zugabe eines
polymere Urethane, die als Handelsprodukte leicht er- 40 Salzes von 7,7,8,8-Tetracyanchinodimethan, das im
hältlich sind, werden hergestellt unter Verwendung Polymeren löslich ist, und von 7,7,8,8-Tetracyan-
einer Dihydroxyverbindung, die entweder ein Poly- chinodimethan gesprochen wird, so fällt hierunter der
ester oder ein Polyäther mit Molekulargewichten im Zusatz eines komplexen Salzes, das sowohl TCNQ-
allgemeinen Bereich von 500 bis 5000 ist, der dann mit Anionen und neutrales TCNQ enthält, mit oder ohne
einem Diisocyanat zu einem hochmolekularen poly- 45 weitere Zugabe von TCNQ sowie der Zusatz von
meren Urethan umgesetzt wird, das gegebenenfalls TCNQ und eines Salzes, das TCNQ nur als TCNQ-
durch Einarbeitung entweder einer geringen Menge Anionen enthält.
einer Trihydroxyverbindung, wie Glycerin, Trime- In den folgenden Beispielen beziehen sich die
thylolpropan und Sorbit, oder einer geringen Menge Mengenangaben auf das Gewicht, falls nicht anders
eines Polyisocyanats mit mehr als zwei Isocyanat- 50 angegeben,
gruppen vernetzt werden kann. Durch Weiterreaktion
gruppen vernetzt werden kann. Durch Weiterreaktion
werden die Polyurethane in vernetzte Produkte umge- Beispiel 1
wandelt. Die thermoplastischen polymeren Urethane
wandelt. Die thermoplastischen polymeren Urethane
sind in gewöhnlichen Lösungsmitteln, wie Toluol, Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendung
Benzol oder Äthylacetat, leicht löslich. Die vernetzten 55 eines einfachen TCNQ-Salzes, das nur ein Metallpolymeren
Urethane sind in allen diesen Lösungs- kation und ein TCNQ-Anion enthält, in Verbindung
mitteln nicht löslich, jedoch können sie in Lösungs- mit zusätzlichem TCNQ. Eine Vorratslösung, die 100 g
mitteln, wie Dimethylformamid oder Dimethylcyan- Polyacrylnitril je Liter Dimethylformamid enthielt,
amid, gequollen werden. ' wurde hergestellt. Zu Teilen dieser Vorratslösung
Die Löslichkeit der TCNQ-Salze hängt von dem 60 wurden das Lithiumsalz von TCNQ und TCNQ in
jeweiligen TCNQ-SaIz ab. Jedoch sind Lösungsmittel, solchen Mengen gegeben, daß 5% des Lithiumsalzes
wie Dimethylformamid oder Dimethylcyanamid, leicht von TCNQ und 0, 1, 2, 4 und 5 Gewichtsprozent des
erhältlich, die sowohl das TCNQ-SaIz als auch das TCNQ, bezogen auf das Gesamtgewicht des trockenen
TCNQ lösen. Diese Lösungsmittel sind ebenfalls ent- Polymeren, des Lithiumsalzes von TCNQ und TCNQ,
. weder gute Lösungsmittsl zur Auflösung der Poly- 65 erhalten wurden. Aus diesen Lösungen wurden Folien
meren oder zum Anquellen der unlöslichen Polymeren gegossen. Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels
zwecks Einführung des TCNQ-Salzes und des TCNQ wurde die Leitfähigkeit gemessen. Die Ergebnisse sind
in das Polymere. nachstehend in Tabelle I aufgeführt.
7 | TCNQ % |
15 | Leitfähigkeit bei 270C mho/cm |
44 | 976 | III | 8 | |
Tabelle I | Tabelle | Komplexes Chinolinsalz von TCNQ % |
||||||
Li-TCNQ °/o |
O O 1 2 4 5 |
<io-10 <io-10 4,0 · 10-5 3,3 · 10-5 3,6 · 10-6 5,0 · 10-6 |
5 | 1 2 5 10 15 20 |
Leitfähigkeit bei 27°C mho/cm |
|||
<io-10 2,0 · ΙΟ"3 2,0 · 10-3 8,7 · ΙΟ"2 2,0 2,7 |
||||||||
O 5 5 5 5 5 |
10 |
Ähnliche Ergebnisse werden erhalten, wenn Methacrylnitril an Stelle von Acrylnitril verwendet wird.
Um zu veranschaulichen, wie die Leitfähigkeit dieser Gemische mit der Temperatur steigt, wurde die Leitfähigkeit
der Folie, die . 5 % des Lithiumsalzes von TCNQ und 5% TCNQ enthielt, im Bereich von
Raumtemperatur bis 1900C gemessen. Die in TabelleII
aufgeführten Werte sind typisch für diese Ergebnisse.
Temperatur
0C
0C
Leitfähigkeit
mho/cm
mho/cm
27 | 5,0 · 10-5 |
60 | 9,1 · 10-5 |
100 | 1,8 · 10-* |
125 | 2,7 · 10-4 |
150 | 3,6 ■ 10-* |
190 | 4,2 · 10-* |
Beispiel 2 |
Die Betrachtung der Röntgenbeugungsbilder dieser Folien ergab, daß die Folie, die 20 % des komplexen
Chinolinsalzes enthielt, Mikrokristalle enthielt, ein Zeichen, daß ein Teil des Salzes sich als Kristallphase
abgeschieden hatte.
An Stelle des komplexen Chinolinsalzes von TCNQ kann das einfache Chinolin-TCNQ-Salz plus TCNQ
verwendet werden. Die den in Tabelle III genannten Konzentrationen des Komplexsalzes entsprechenden
Konzentrationen des einfachen Chinolin-TCNQ-Salzes
und des TCNQ sind in Tabelle IV angegeben.
Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendung eines komplexen TCNQ-Salzes, in dem das Salz so,
wie es gebildet wird, freies TCNQ als Teil des kornplexen Salzes enthält. Es ist daher nicht erforderlich,
zur Herstellung der leitfähigen Gemische zusätzliches TCNQ über die TCNQ-Menge hinaus zuzugeben, die
als Teil des komplexen Salzes vorhanden ist. Das kornplexe TCNQ-SaIz von Chinolin wurde hergestellt, indem
1,6 g TCNQ in 25 ml Acetonitril gelöst wurden und eine Lösung von 0,4 g Chinolin und 0,4 g p-Phenylendimalononitril,
der dihydro-reduzierten Form von TCNQ, in 30 ml Acetonitril zugesetzt wurde. Nach 2stündigem Rühren bei Raumtemperatur hatte
sich das komplexe Chinolinsalz von TCNQ abgeschieden. Bei diesem Salz ist ein Chinolinkation mit
einem TCNQ-Anion und einem TCNQ-Molekül assoziiert. Das Salz wurde von der Lösung abfiltriert
und mit Acetonitril und dann mit trockenem Äther gewaschen und anschließend getrocknet. Die Ausbeute
betrug 87% der Theorie.
Dieses Chinolin-TCNQ-Salz wurde der in Beispiel 1 beschriebenen Vorratslösung von Polyacrylnitril in
solchen Mengen zugesetzt, daß Konzentrationen von 1, 2. 5, 10, 15 und 20 Gewichtsprozent, bezogen auf
den Feststoffgehalt der Lösungen, erhalten wurden. Aus diesen Lösungen wurden Folien gegossen, deren
Leitfähigkeit gemessen wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle III aufgeführt.
Tabelle IV | Entsprechend | TCNQ |
j0 Komplexes | dem einfachen | |
Chinolinsalz | Chinolinsalz | |
von TCNQ | von TCNQ | Vo |
Vo | 0,38 | |
0/ /o |
0,62 | 0,76 |
35 1 | 1,24 | 1,90 |
2 | 3,10 | 3,80 |
5 | 6,20 | 5,70 |
10 | 9,30 | 7,60 |
15 | 12,40 | |
4° 20 | ||
Leitfähige Fasern können ebenso wie Folien aus den vorstehend beschriebenen Lösungen wie folgt hergestellt
werden: Eine Lösung von 0,19 g Polyacrylnitril und 0,04 g des komplexen Chinolinsalzes von TCNQ
in 2,5 ml Dimethylformamid wurde durch eine Spinndüse in ein Bad gesponnen, das 90% Benzol und 10%
Dimethylformamid enthielt. Beim Eintritt des feinen Stroms der Lösung in dieses Bad koagulierte das PoIymere
als Faser. Nach dem Trocknen war die Faser elektronisch leitfähig. Ihre Leitfähigkeit war im wesentliehen
die gleiche wie die der Folie, die die gleiche Menge des komplexen Chinolinsalzes von TCNQ enthielt.
B e i s ρ i e 1 3
Spandex-Fasern von zwei handelsüblichen polymeren
Urethanen von 40 cm Länge und 0,27 mm Durchmesser bei einem Gewicht von 31,2 mg wurden
in eine Lösung von 0,0135 g des komplexen Chinolinsalzes von TCNQ in 5 ml Dimethylformamid gelegt.
Die Spandex-Fasern bestehen aus einem langkettigen synthetischen Polymeren, das wenigstens 85% eines
segmentierten Polyurethans enthält. Die Fasern waren unlöslich, quollen jedoch. Nach 10 Minuten in dieser
Lösung bei 230C wurden die Fasern aus der Lösung genommen. Das Lösungsmittel ließ man abdunsten.
509 582/412
9 ίο
Durch Wiegen der getrockneten Fasern wurde eine wendeten quaternisierten Polymeren von Vinylpyridin
Gewichtszunahme um 5% festgestellt. Sie hatten eine können andere Polymer-TCNQ-Salze, z. B. das TCNQ-
Leitfähigkeit von 10~7 mho/cm im ungereckten Zu- Salz von quaternisierten Polymeren von Äthylenimin,
stand. Wenn diese Fasern verstreckt wurden, nahm quaternisierte Polyphenylenäther, quaternisierte PoIy-
ihre Leitfähigkeit proportional zum Grad derVReckung 5 mere von Vinylimidazolen usw. verwendet werden,
Die gemäß Beispiel 2 und 3 hergestellten Fasern ü e ι s ρ ι e l :>
können allein oder in Mischung mit anderen Arten von Eine ungefähr 10%i§e Lösung eines löslichen, ther-
Fasern zu elektronisch leitenden Geweben und Bän- moplastischen polymeren Urethans, dessen Polyester-
dern gewebt werden. io kette mit einem Diisocyanat verlängert war, und das
. komplexe Chinolinsalz von TCNQ im Verhältnis von
Beispiel4 g^g ^63 ersteren zu ^5 g jes letzteren wurde unter
Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendung Verwendung von Dimethylformamid als Lösungseines
Polymer-TCNQ-Salzes. Polyvinylpyridin wurde mittel hergestellt. Eine aus dieser Lösung gegossene
quaternisiert, indem eine Lösung von 10 g Polyvinyl- 15 Folie hatte nach dem Verdunsten des Lösungsmittels
pyridin in 400 ml Methanol mit 10 g Dimethylsulfat eine Leitfähigkeit von 1 · 10~2 mho/cm.
2 Tage bei 60 0C umgesetzt wurde, wobei ein teilweise . .
methyliertes Polymeres erhalten wurde. Die Lösung Beispiele»
wurde auf die Hälfte ihres ursprünglichen Volumens Der in Beispiel 5 beschriebene Versuch wurde wieeingeengt und dann mit Wasser auf 11 verdünnt. Dann 20 derholt, jedoch unter Verwendung von Polyvinylwurden 60 ml Dimethylsulfat innerhalb von 3 Stunden pyridin an Stelle des polymeren Urethans. Die Folie unter kräftigem Rühren bei Raumtemperatur züge- hatte eine Leitfähigkeit von 1,2 · 10~4 mho/cm.
setzt. Der pH-Wert wurde durch periodische Zugabe
2 Tage bei 60 0C umgesetzt wurde, wobei ein teilweise . .
methyliertes Polymeres erhalten wurde. Die Lösung Beispiele»
wurde auf die Hälfte ihres ursprünglichen Volumens Der in Beispiel 5 beschriebene Versuch wurde wieeingeengt und dann mit Wasser auf 11 verdünnt. Dann 20 derholt, jedoch unter Verwendung von Polyvinylwurden 60 ml Dimethylsulfat innerhalb von 3 Stunden pyridin an Stelle des polymeren Urethans. Die Folie unter kräftigem Rühren bei Raumtemperatur züge- hatte eine Leitfähigkeit von 1,2 · 10~4 mho/cm.
setzt. Der pH-Wert wurde durch periodische Zugabe
von Alkali oberhalb von 8 gehalten. Nach dieser Zeit Beispiel 7
hatte sich das Polymere vollständig gelöst. Nach Zu- 25
hatte sich das Polymere vollständig gelöst. Nach Zu- 25
gäbe von weiteren 10 ml Dimethylsulfat ließ man die Der in Beispiel 5 beschriebene Versuch wurde wie-Reaktion
über Nacht weiterhin vonstatten gehen. Das derholt mit der Ausnahme, daß als Polymeres ein
Reaktionsgemisch wurde gegen Wasser dialysiert, um Gemisch von Polyacrylnitril in einem solchen Mengen-Salze
zu entfernen, und dann lyophilisiert (der Gefrier- verhältnis verwendet wurde, daß die gegossene Folie
trocknung unterworfen, d. h., die Lösung wurde einge- 3° 46,3 % Polyacrylnitril, 15,1% Polyvinylpyridin und
froren und das Lösungsmittel unter hohem Vakuum 38,6 % des komplexen Chinolinsalzes von TCNQ entabgedampft,
während die Lösung im gefrorenen Zu- hielt. Diese Folie hatte eine Leitfähigkeit von 1,2 ·
stand gehalten wurde). Die Analysenergebnisse zeigten, H)-1 mho/cm bei 27° C. An Stelle des Polymergemidaß
alle Stickstoffatome in den Pyridinringen des Poly- sches kann ein Copolymeres von Acrylnitril und Polymeren
quaternisiert waren. Eine Lösung von 1 g des 35 vinylpyridin verwendet werden,
vollständig quaternisierten Polymeren in 15 ml Dirne- Wenn ein elektrischer Strom so lange durch die leitthylformamid wurde mit einer Lösung von 1,2 g des fähigen Gemische gemäß der Erfindung geleitet wird, Lithiumsalzes von TCNQ in 15 ml Dimethylformamid daß vollständige Elektrolyse des TCNQ-Salzes stattgegemischt. Das Gemisch wurde bis zur Bildung einer funden haben würde, wenn die Leitfähigkeit ionisch homogenen Lösung gerührt, worauf 50 ml destilliertes 40 wäre, ist festzustellen, daß keine Verringerung der Wasser, das mit Stickstoff gesättigt war, zur Lösung Leitfähigkeit stattfindet, ein Zeichen, daß die Leitgegeben wurden, während über dem Reaktionsgemisch fähigkeit elektronisch ist.
vollständig quaternisierten Polymeren in 15 ml Dirne- Wenn ein elektrischer Strom so lange durch die leitthylformamid wurde mit einer Lösung von 1,2 g des fähigen Gemische gemäß der Erfindung geleitet wird, Lithiumsalzes von TCNQ in 15 ml Dimethylformamid daß vollständige Elektrolyse des TCNQ-Salzes stattgegemischt. Das Gemisch wurde bis zur Bildung einer funden haben würde, wenn die Leitfähigkeit ionisch homogenen Lösung gerührt, worauf 50 ml destilliertes 40 wäre, ist festzustellen, daß keine Verringerung der Wasser, das mit Stickstoff gesättigt war, zur Lösung Leitfähigkeit stattfindet, ein Zeichen, daß die Leitgegeben wurden, während über dem Reaktionsgemisch fähigkeit elektronisch ist.
eine Stickstoff atmosphäre gehalten wurde. Es bildete Die erfindungsgemäßen leitfähigen Polymeren haben
sich sofort eine Fällung des Polymer-TCNQ-Salzes. die verschiedensten Anwendungen. Beispielsweise kön-Diese
Fällung wurde abfiltriert, gut mit Wasser, Aiko- 45 nen die elastomeren Gemische als Fühlelemente zur
hol und dann mit Äther gewaschen und unter vermin- Bestimmung des Drucks und der Spannung, denen
dertem Druck getrocknet, wobei 1,1 g des TCNQ- Elastomere ausgesetzt sind, verwendet werden. Die
Salzes des quaternisierten Polymeren erhalten wurden. Lösungen dieser Gemische können zum Auftragenvon
In Dimethylformamid wurde eine Lösung hergestellt, leitfähigen Überzügen auf Unterlagen verwendet werdie
Polyacrylnitril, das Polymer-TCNQ-Salz und 50 den, die elektrische Isolatoren sind. Die leitfähigen
TCNQ in solchen Mengen enthielt, daß eine aus dieser Folien und die aus den leitfähigen Fasern gewebten
Lösung gegossene Folie 70% Polyacrylnitril,.25,5% Bänder können als Koronaabschirmungen, als Leiter
des Polymer-TCNQ-Salzes und 4,5% TCNQ enthielt. von Stromkreisen, als Schichtträger, auf die Metalle
Die Folie war stark und geschmeidig und hatte eine durch Elektrolyse aufgebracht werden, für die Her-Leitfähigkeit
von 9 · 10~7 mho/cm, gemessen bei 27° C. 55 stellung von Stromkreisen in Elektrogeräten verwendet
An Stelle des in den vorstehenden Beispielen ver- werden.
Claims (2)
1. Elektronisch leitfähige Polymere, insbesondere in Faser- oder Folienform, bestehend aus einer
Lösung von wenigstens 1 Gewichtsprozent eines Salzes von 7,7,8,8-Tetracyanchinodimethan und
wenigstens 0,5 Gewichtsprozent 7,7,8,8-Tetracyanchinodimethan in Polyurethanen oder Polymeren
des Acrylnitril, Methacrylnitrils oder Vinylpyridine.
2. Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Polymeren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Lösung eines Salzes von 7,7,8,8-Tetracyanchinodimethan und freien 7,7,
8,8-Tetracyanchinodimethans in einem Lösungsmittel, in dem das Polymere unlöslich ist, auf das
geformte, insbesondere faserförmige Polymere aufgetragen wird und daß das Lösungsmittel anschließend
entfernt wird.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US39176564A | 1964-08-24 | 1964-08-24 | |
US39176364 | 1964-08-24 | ||
DEG0044408 | 1965-08-12 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1544976A1 DE1544976A1 (de) | 1969-07-24 |
DE1544976B2 true DE1544976B2 (de) | 1976-01-08 |
DE1544976C3 DE1544976C3 (de) | 1976-09-02 |
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ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR1445213A (fr) | 1966-07-08 |
US3424698A (en) | 1969-01-28 |
NL149318B (nl) | 1976-04-15 |
US3481840A (en) | 1969-12-02 |
DE1544976A1 (de) | 1969-07-24 |
BE668658A (de) | 1965-12-16 |
NL6511043A (de) | 1966-02-25 |
ES316614A1 (es) | 1966-07-01 |
SE318112B (de) | 1969-12-01 |
JPS4416499B1 (de) | 1969-07-21 |
GB1067260A (en) | 1967-05-03 |
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Legal Events
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---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: SCHUELER, H., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT., PAT.-ANW., 6000 FRANKFURT |