JPH0555533B2 - - Google Patents

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JPH0555533B2
JPH0555533B2 JP58212281A JP21228183A JPH0555533B2 JP H0555533 B2 JPH0555533 B2 JP H0555533B2 JP 58212281 A JP58212281 A JP 58212281A JP 21228183 A JP21228183 A JP 21228183A JP H0555533 B2 JPH0555533 B2 JP H0555533B2
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JP
Japan
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aniline
polymer
potential
conductivity
acid
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Application number
JP58212281A
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Japanese (ja)
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JPS60197729A (en
Inventor
Shohei Tamura
Sadamitsu Sasaki
Takeshi Sasaki
Takashi Ichinose
Hiroshi Ezoe
Mitsuo Sakakawa
Hiroshi Myatake
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Nitto Denko Corp
Original Assignee
Nitto Denko Corp
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Publication date
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Priority to FR8417105A priority patent/FR2554822B1/en
Priority to DE3441011A priority patent/DE3441011C2/en
Priority to GB08428398A priority patent/GB2151242B/en
Publication of JPS60197729A publication Critical patent/JPS60197729A/en
Publication of JPH0555533B2 publication Critical patent/JPH0555533B2/ja
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  • Polymers With Sulfur, Phosphorus Or Metals In The Main Chain (AREA)
  • Macromolecular Compounds Obtained By Forming Nitrogen-Containing Linkages In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は導電性有機重合体の製造方法に関す
る。 殆どの有機物質は電気的に絶縁性であるが、し
かし、有機半導体として知られる導電性を有する
有機重合体の一群が近年、注目を集めている。一
般にそれ自体が導電性である有機物質は3種類に
分類される。第1はグラフアイトである。グラフ
アイトは厳密には有機物質とはみなされていない
が、有機共役系の極限構造を有するとみることも
できる。このグラフアイトはそれ自体で既にかな
り高い導電性を有するが、これに種々の化合物を
インターカレートすることにより、一層高い導電
性を有せしめることができ、遂には超電導体とな
る。しかし、グラフアイトは二次元性が強く、成
形加工が困難であるので、その応用面において障
害となつている。 第2は電荷移動錯体であつて、例えば、テトラ
チアフルバレンとテトラシアノキノジメタンをそ
れぞれ電子供与体及び電子受容体として得られる
結晶性物質は、室温で400〜500S/cmという非常
に大きい電導性を有するが、このような電荷移動
錯体は重合体でないために、実用的な応用を図る
にはグラフアイトと同様に成形加工性に難点があ
る。 第3はポリアセチレンによつて代表されるよう
に、ドーピングによつて高導電性を有するに至る
π電子共役系有機重合体である。ドーピング前の
ポリアセチレンの電導度は、トランス型が
10-5S/cm、シス型が10-9S/cmであり、半導体乃
至絶縁体に近い性質を有している。しかし、この
ようなポリアセチレンに五フツ化ヒ素、ヨウ素、
三酸化イオウ、塩化第二鉄等のような電子受容性
化合物或いはアルカリ金属のような電子供与性化
合物をドーピングすることにより、それぞれp型
半導体及びn型半導体を形成させることができ、
更には103S/cmもの導体レベルの高い導電性を与
えることもできる。上記ポリアセチレンは理論的
には興味深い導電性有機重合体であるが、反面、
ポリアセチレンは極めて酸化を受けやすく、空気
中で容易に酸化劣化して性質が大幅に変化する。
ドーピングされた状態では一層酸化に対して敏感
であり、空気中の僅かな湿気によつても電導度が
急激に減少する。この傾向はn型半導体に特に著
しい。 また、ポリ(p−フエニレン)やポリ(p−フ
エニレンサルフアイド)もドーピング前はその電
導度がそれぞれ10-9S/cm及び10-10S/cmである
が、例えば前記した五フツ化ヒ素をドーピングす
ることにより、それぞれ電導度は500S/cm及び
1S/cmである導電性有機重合体とすることがで
きる。これらのドーピングされた有機重合体の電
気的性質も程度の差こそあれ、やはり不安定であ
る。 このようにドーピングされた導電性有機重合体
の電気的性質が一般に環境に対して非常に不安定
であることは、この種の導電性有機重合体に共通
する現象であつて、これらの実用的な応用の障害
となつている。 以上のように、従来より種々の有機導電性物質
が知られているが、その実用的な応用を展開する
観点からは成形加工性にすぐれる重合体形態が好
ましい。 一方、酸化染料としてのアニリンの酸化重合体
に関する研究も、アニリンブラツクに関連して古
くより行なわれている。特に、アニリンブラツク
生成の中間体として、式()で表わされるアニ
リンの8量体がエメラルデイン(emeraldine)
として確認されており(A.G.Green et al.、J.
Chem.Soc.、97、2388(1910);101、1117
(1912))、これは80%酢酸、冷ピリジン及びN,
N−ジメチルホルムアミドに可溶性である。ま
た、このエメラルデインはアンモニア性媒体中で
酸化されて、式()で表わされるニグラニリン
(nigraniline)を生成し、これもエメラルデイン
と類似した溶解特性を有することが知られてい
る。 更に、近年になつて、R.Buvetらによつてこの
エメラルデインの硫酸塩が高い導電性を有するこ
とが見い出されている(J.Polymer Sci.、C、
16、2931;2943(1967);22、1187(1969))。 また、既にアニリンの電解酸化によりエメラル
デイン類似の有機物質を得ることができることも
知られている(D.M.Mohilner et al.、J.Amer.
Chem.Soc.、84、3618(1962))。即ち、これによ
れば、アニリンの硫酸水溶液を白金電極を用い、
水の電気分解を避けるために、標準カロメル電極
(以下、SCEという。)に対して+0.8Vの酸化電
位にて電解酸化重合し、80%酢酸、ピリジン及び
N,N−ジメチルホルムアミドに可溶性である物
質が得られる。 そのほか、Diazら(J.Electroanal.Chem.、
111、(1980))、小山ら(高分子学会予稿集、30
(7)、1524(1981))もアニリンの電解重含を試みて
いるが、いずれも高分子被覆化学修飾電極を狙つ
たものであり、電解はSCEに対して1V以下の電
位で行なつている。 本発明者らは、安定で高導電性を有する有機材
料、特に、導電性有機重合体を得るために、アニ
リンの電解酸化重合に関する研究を鋭意重ねた結
果、水溶液中において、初期電解電位をSCEに対
して+1.2V以上として、定電流電解にてアニリ
ンを電解酸化重合するか、又はSCEに対して+
2V以上の定電位電解にてアニリンを酸化重合す
ることによつて、前記エメラルデインよりも高分
子量であつて、且つ、既にその酸化重合段階でド
ーピングされているために、新たなドーピング操
作を要せずして安定で且つ高導電性を有する重合
体を得ることができることを見出して本発明に至
つたものである。 即ち、本発明によれば、先ず第1に、アニリン
とアニリンに対して当量以上のプロトン酸を含有
するアニリン水溶液を初期電解電位をSCEに対し
て+1.2V以上として、電流密度が0.01mA/cm2
至1A/cm2の範囲である定電流電解にて酸化重合
することを特徴とする上記酸によつてドーピング
されており、その電導度が10-6S/cm以上である
導電性有機重合体の製造方法が提供される。 更に、本発明によれば、第2に、アニリンとア
ニリンに対して当量以上のプロトン酸を含有する
アニリン水溶液をSCEに対して+2V以上の定電
位電解にて、電流密度を0.01mA/cm2乃至1A/
cm2の範囲として酸化重合することを特徴とする上
記酸によつてドーピングされており、その電導度
が10-6S/cm以上である導電性有機重合体の製造
方法が提供される。 本発明において用いるプロトン酸は、酸化電位
が本発明における酸化電位よりも高いプロトン酸
であることが好ましく、従つて、具体的には、塩
酸、臭化水素酸、硫酸、硝酸、過塩素酸、テトラ
フルオロホウ酸(HBF4)、ヘキサフルオロリン
酸(HPF6)等が好ましく用いられる。 本発明に従つて10-6S/cm以上の高電導度を有
する導電性有機重合体を得るためには、上記のプ
ロトン酸はアニリンの当量以上、通常、1〜5倍
の範囲で用いると共に、アニリン水溶液を定電流
電解にて酸化重合する方法によるときは、初期電
解電位をSCEに対して+1.2V以上として、電流
密度を0.01mA/cm2乃至1A/cm2の範囲とするこ
とが必要である。 また、定電位電解にて酸化重合するときは、ア
ニリン水溶液をSCEに対して+2V以上の定電位
電解にて、且つ、電流密度を0.01mA/cm2乃至
1A/cm2の範囲として酸化重合することが必要で
ある。 よく知られているように、定電流電解は、電流
を一定として電解する方法をいい、定電位電解
は、電極電位を一定として電解する方法をいい、
定電流電解の場合、電位は時間の経過と共に、初
期電解電位から増大する。 アニリン水溶液の電解酸化重合において、定電
流電解の場合に、電解電位をSCEに対して+
1.2V以上としないとき、また、定電位電解の場
合に、電解電位をSCEに対して+2V以上としな
いとき、また、いずれの方法においても、電流密
度が上記範囲外にあるときは、得られる重合体が
低分子量であつて、且つ、導電性も低い。 また、アニリン水溶液におけるアニリン濃度は
1重量%以上であることが望ましい。アニリン濃
度が1重量%よりも小さいときも、得られる重合
体は低分子量であつて、導電性も低い。但し、ア
ニリン濃度の上限は特に制限されないが、通常は
50重量%までが適当である。 本発明の方法においては、溶剤としては、水が
用いられる。水は、その分解電位が1.23Vであ
り、場合によつては、本発明の方法における電解
電位が水の分解電位よりも高いが、水の分解より
もアニリンの酸化が優先して起こるために、本発
明によれば、このように、溶剤として水を用いな
がら、高い電解電位を採用することによつて、高
分子量で高導電性のアニリン酸化重合体を得るこ
とができる。 アニリンの酸化電位は、一定速度で電位を走査
し、各電位における電流値をプロツトした所謂サ
イクリツク・ボルタモグラムにより知ることがで
きるが、第4図に示すように、SCEに対する酸化
電位は約1V近傍、約2V及び約3Vに認められる。
これらの酸化電位は化学酸化剤における酸化力に
相当し、各酸化電位ではその酸化電位での重合体
が優先的に生成し、各酸化電位の中間ではその各
酸化電位での重合体が競争的に生成する。 先に説明したように、Mohilnerらは水の電気
分解を避けるために、SCEに対して+0.8Vの酸
化電位でアニリンの電解酸化を行なつているが、
本発明の方法によれば、+1.2V以上の電解電位
(定電流電解によるときは、初期電解電位をSCE
に対して+1.2V以上の電解電位)、好ましくは2
〜10Vの電解電位にて電解酸化を行なうことによ
り、エメラルデインよりも遥かに高分子量で高導
電性のアリニン重合体を得ることができるのであ
る。 本発明の方法においては、また、電解酸化にお
ける電流密度も重要である。電流密度が0.01m
A/cm2よりも小さいときは、得られる重合体が濃
硫酸に溶解することから、低分子量の重合体であ
るとみとめられ、また、かかる重合体はその導電
性も小さい。 本発明においては、アニリン水溶液は上記した
プロトン酸以外の支持電解質を含有していてもよ
い。具体例としては例えば過塩素酸リチウム、過
塩素酸ナトリウム等の過塩素酸金属塩や、過塩素
酸テトラブチルアンモニウム等の有機塩を挙げる
ことができる。また、上記以外にも例えば硝酸
塩、硫酸塩、塩酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、
ヘキサフルオロリン酸塩等のような塩類も支持電
解質として使用することもできる。 本発明の方法によつて得られる導電性有機重合
体は、乾燥した粉末状態で通常、緑色乃至黒緑色
を呈し、一般に導電性が高いほど、鮮やかな緑色
を呈している。しかし、加圧成形した成形物は、
通常、光沢のある青色を示す。また、本発明の方
法によつて得られる重合体は、既にその電解酸化
重合の段階で用いたプロトン酸によつてドーピン
グされており、その電導度は、通常、10-6S/cm
以上であり、殆どの場合、10-3〜10-1S/cmの範
囲である。 本発明の方法によつて得られる導電性有機重合
体には、その電導度が上記範囲にある限りは、濃
硫酸に溶解性のものも含まれるが、特に電導度が
10-3S/cm以上の高導電性を有する重合体は、水
及び殆どの有機溶剤に不溶性であり、特に、濃硫
酸及びN,N−ジメチルホルムアミドにも実質的
に不溶性である。このような重合体は、前記した
ように、エメラルデインが80%酢酸、冷ピリジン
及びN,N−ジメチルホルムアミドに可溶性であ
るのと著しい対照をなし、高分子量重合体である
ことが示される。更に、濃硫酸に不溶性である重
合体は、示差熱分析結果からも高分子量重合体で
あることが示される。 本発明の方法によつて得られる重合体の構造は
未だ確定されていないが、赤外線吸収スペクトル
はエメラルデインのそれに類似する一方、高分子
量であると共に高導電性を有するので、アニリン
が頭尾結合で連続して重合体鎖を形成する次式の
ような実質的に線状のπ電子共役系重合体である
とみられる。 本発明の方法によつて得られる重合体は、高導
電性を有するが、アンモニアで補償することによ
つて導電性が大幅に減少し、再度塩酸でドーピン
グすることによりほぼ当初の高導電性を回復する
ことから、既にその酸化重合の段階でプロトン酸
によりドーピングされていることが確認される。
また、重合体をアンモニアで補償した後、再度塩
酸でドーピングした重合体の赤外線吸収スペクト
ルは、アンモニア補償前の重合体のそれと実質的
に一致することからも、本発明の方法によつて得
られる重合体がプロトン酸によりドーピングされ
ていることが確認される。更に、かかる重合体が
アンモニアで補償される事実及び熱起電力の符号
から、この重合体はp型である。 以上のように、本発明に従つて、アニリンの酸
化重合によつて得られる導電性有機重合体は、そ
の重合段階で既にプロトン酸によつてドーピング
されているために、新たなドーピング処理を要せ
ずして高導電性を有し、しかも、長期間にわたつ
て空気中に放置しても、その導電性は何ら変化せ
ず、従来より知られているドーピングした導電性
有機重合体に比較して、特異的に高い安定性を有
している。 以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本
発明はこれら実施例により何ら限定されるもので
はない。 実施例 1(実験番号1) (1) 重合体の製造 アニリン濃度が10重量%であり、塩酸をアニ
リンに対して当量含有する水溶液中に白金から
なる陽極及び陰極を挿入し、SCEに対する初期
電解電位+1.8V、定電流密度5mA/cm2にて
8時間通電して電解酸化重合した。尚、電解重
合をこのように定電流密度で行なう場合、電解
電位が漸次増大することはよく知られていると
ころであり、従つて、電解電位は上記のように
初期電位で示されるのが普通である。 上記の反応において陽極に生成したアニリン
重合体を剥離し、粉砕した後、蒸留水中で撹拌
洗滌し、濾別し、次いで、濾別した重合体をア
セトンにより洗滌した。濾別した重合体を五酸
化リン上、室温で10時間真空乾燥し、本発明に
よる導電性性有機重合体を緑色粉末として得
た。 (2) 物性の評価 上で得た重合体は濃硫酸のほか、N−メチル
−2−ピロリドンにも不溶性であつた。 次に、上で得た重合体の赤外線吸収スペクト
ルを第1図に示す。比較のために、エメラルデ
イン及び市販ダイヤモンド・ブラツクの赤外線
吸収スペクトルをそれぞれ第2図及び第3図に
示す。尚、エメラルデインはD.M.Mohilnerら
の方法によつて調製した(D.M.Mohilner et
al.、J.Am.Chem.Soc.、84,3618(1962)。 尚、エメラルデイン及びダイヤモンド・ブラ
ツクの30℃における濃度0.5g/dlの濃硫酸溶
液の対数粘度はそれぞれ0.02及び0.005であつ
て、これらが低分子量であることが理解され
る。また、第4図にアニリンの電解酸化におけ
るサイクリツク・ボルタモグラムを示す。 更に、本発明による上記重合体及びエメラル
デインについての空気中における熱重量分析の
結果を第5図に示す。昇温速度は10℃/分であ
る。 次に、上で得た重合体粉末約120mgを瑪瑙製
乳鉢で粉砕した後、赤外分光光度計用錠剤成形
器にて圧力6000Kg/cm2で直径13mmのデイスクに
加圧成形した。幅約1mmの銅箔4本を銀ペース
ト又はグラフアイトペーストでデイスクの四隅
に接着し、空気中でフアン・デル・ポウ法に従
つて測定した結果、電導度は4.1S/cmであつ
た。また、10-2Torrの真空中で測定しても、
ほぼ同じ電導度を示した。このデイスクを4か
月間空気中に放置したが、電導度は実質的に変
化しなかつた。 また、本発明による上記重合体(電導度
6.6S/cm)をアンモニア補償したとき(電導度
3.3×10-9S/cm)の赤外線吸収スペクトルを第
6図に示し、これを5N塩酸で再びドーピング
した(電導度0.15S/cm)後の赤外線吸収スペ
クトルを第7図に示す。この再ドーピング後の
スペクトルは第1図に示す当初のそれと実質的
に同じであると認められ、更に、電導度もアン
モニア補償前と概ね同じである。従つて、本発
明による重合体は、その酸化重合の段階で用い
たプロトン酸によつて既にドーピングされてい
ることが示される。 実施例 2(実験番号2〜7) 実施例1において、プロトン酸として、塩酸に
代えて表に示す酸をアニリンに対して当量用いた
以外は実施例1と同様にして、アニリンを電解酸
化した。これらの重合体の電導度を表に示す。ま
た、いずれの重合体も濃硫酸及びN−メチル−2
−ピロリドンのいずれにも不溶性であつた。 実施例 3(実験番号8及び9) アニリン溶液におけるアニリン濃度を変えると
共に、これに伴つて塩酸をアニリンに対して当量
となるように多く用いた以外は、実施例1と同様
にして本発明による導電性有機重合体を得た。重
合体の電導度を表に示す。これらの重合体も濃硫
酸及びN−メチル−2−ピロリドンに不溶性であ
つた。 実施例 4(実験番号10) アニリン溶液におけるアニリン濃度を6重量%
とし、プロトン酸として硫酸の1モル/の濃度
の水溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして
導電性有機重合体を得た。重合体の電導度を表に
示す。この重合体も濃度酸及びN−メチル−2−
ピロリドンに不溶性であつた。 比較例 1(実験番号11及び12) 比較のために、アニリン溶液におけるアニリン
濃度を0.1重量%とし、酸として塩酸又は硫酸を
それぞれ1モル/の濃度で含有する水溶液を用
いた以外は実施例1同様にして電解酸化した。得
られた重合体の電導度を表に示す。また、これら
の重合体は濃硫酸に溶解し、N−メチル−2−ピ
ロリドンには一部溶解した。 実施例 5(実験番号13〜15) 実施例1実験番号1の組成のアニリン水溶液に
ついて、初期電解電位を表に示す値に設定して、
電解酸化を行なつた。得られた重合体は濃硫酸及
びN−メチル−2−ピロリドンに不溶性であつ
た。また、重合体の電導度を表に示す。 比較例 2(実験番号16) 実施例3と同様に、実施例1の組成のアニリン
水溶液について、初期電解電位をSCEに対して+
1Vとして電解酸化を行なつた。結果を表に示す。
また、得られた重合体は濃硫酸及びN−メチル−
2−ピロリドンのいずれにも可溶性であつた。 実施例 6(実験番号17) アニリン濃度が10重量%であり、塩酸をアニリ
ンに対して当量含有し、更に付加的に支持電解質
として過塩素酸テトラブチルアンモニウムを0.5
重量%含有するアニリン水溶液をSCEに対する初
期電解電位+1.7V、定電流密度11.1mA/cm2にて
30時間通電して電解酸化重合した。陽極に生成し
たアニリン重合体を剥離し、実施例1と同様に処
理して導電性重合体を得た。この重合体は電導度
が4.4S/cmであり、また、濃硫酸及びN−メチル
−2−ピロリドンのいずれにも不溶性であつた。 実施例 7(実験番号18〜21) アニリン濃度が25重量%であり、塩酸をアニリ
ンに対して当量含有するアニリン水溶液を表に示
す定電流密度で通電してアニリンの電解酸化を行
なつた。得られた重合体の電導度を表に示す。ま
た、いずれの重合体も濃硫酸及びN−メチル−2
−ピロリドンのいずれにも不溶性であつた。 【表】 【表】
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing a conductive organic polymer. Most organic materials are electrically insulating, however, a group of organic polymers with electrical conductivity known as organic semiconductors have received attention in recent years. Organic materials that are themselves electrically conductive are generally classified into three types. The first is graphite. Although graphite is not strictly considered an organic substance, it can be considered to have the ultimate structure of an organic conjugated system. This graphite already has a fairly high conductivity by itself, but by intercalating it with various compounds, it can be made to have even higher conductivity, eventually becoming a superconductor. However, graphite has strong two-dimensionality and is difficult to mold, which poses an obstacle in its application. The second type is a charge transfer complex, and for example, a crystalline material obtained using tetrathiafulvalene and tetracyanoquinodimethane as an electron donor and an electron acceptor, respectively, has a very high conductivity of 400 to 500 S/cm at room temperature. However, since such charge transfer complexes are not polymers, they have the same difficulty in moldability as graphite for practical application. The third type is a π-electron conjugated organic polymer that becomes highly conductive through doping, as typified by polyacetylene. The conductivity of polyacetylene before doping is that the transformer type
10 -5 S/cm, and 10 -9 S/cm for the cis type, and has properties close to semiconductors or insulators. However, such polyacetylene contains arsenic pentafluoride, iodine,
By doping with an electron-accepting compound such as sulfur trioxide, ferric chloride, or an electron-donating compound such as an alkali metal, a p-type semiconductor and an n-type semiconductor can be formed, respectively.
Furthermore, it is possible to provide high conductivity at a conductor level of 10 3 S/cm. The above polyacetylene is an interesting conductive organic polymer in theory, but on the other hand,
Polyacetylene is extremely susceptible to oxidation and is easily oxidized and deteriorated in the air, causing its properties to change significantly.
In the doped state, it is more sensitive to oxidation, and its conductivity decreases rapidly even with the slightest amount of moisture in the air. This tendency is particularly remarkable for n-type semiconductors. Furthermore, poly(p-phenylene) and poly(p-phenylene sulfide) have conductivities of 10 -9 S/cm and 10 -10 S/cm, respectively, before doping, but By doping with arsenic, the conductivity is 500S/cm and
It can be a conductive organic polymer with a conductivity of 1 S/cm. The electrical properties of these doped organic polymers are also unstable to varying degrees. The fact that the electrical properties of such doped conductive organic polymers are generally very unstable to the environment is a common phenomenon among these types of conductive organic polymers, and it is difficult to use them for practical purposes. This has become an obstacle to practical applications. As described above, various organic conductive substances have been known so far, but from the viewpoint of developing practical applications, polymer forms with excellent moldability are preferred. On the other hand, research on oxidized polymers of aniline as oxidized dyes has been conducted for a long time in connection with aniline black. In particular, as an intermediate for the production of aniline black, the aniline octamer represented by the formula () is emeraldine.
(AGGreen et al., J.
Chem.Soc., 97 , 2388 (1910); 101 , 1117
(1912)), which consists of 80% acetic acid, cold pyridine and N,
Soluble in N-dimethylformamide. It is also known that this emeraldine is oxidized in an ammoniacal medium to produce nigraniline represented by the formula (), which also has similar solubility properties to emeraldine. Furthermore, in recent years, R. Buvet et al. discovered that this sulfate of emeraldine has high conductivity (J. Polymer Sci., C.
16, 2931; 2943 (1967); 22, 1187 (1969)). It is also already known that an organic substance similar to emeraldine can be obtained by electrolytic oxidation of aniline (DMMohilner et al., J.Amer.
Chem.Soc., 84 , 3618 (1962)). That is, according to this, a sulfuric acid aqueous solution of aniline is heated using a platinum electrode,
In order to avoid electrolysis of water, electrolytic oxidation polymerization was performed at an oxidation potential of +0.8 V with respect to a standard calomel electrode (hereinafter referred to as SCE), and the polymer was soluble in 80% acetic acid, pyridine, and N,N-dimethylformamide. A certain substance is obtained. In addition, Diaz et al. (J.Electroanal.Chem.
111, (1980)), Koyama et al. (Proceedings of the Society of Polymer Science, 30 ,
(7), 1524 (1981)) have also attempted to electrolytically impregnate aniline, but both aimed at polymer-coated chemically modified electrodes, and electrolysis was performed at a potential of 1 V or less relative to SCE. There is. In order to obtain stable and highly conductive organic materials, especially conductive organic polymers, the present inventors have conducted intensive research on the electrolytic oxidation polymerization of aniline. Electrolytic oxidation polymerization of aniline is carried out using constant current electrolysis at +1.2V or more for SCE, or +1.2V for SCE.
By oxidatively polymerizing aniline using constant potential electrolysis at 2V or more, it is possible to obtain emeraldine, which has a higher molecular weight than emeraldine and has already been doped during the oxidative polymerization stage, so a new doping operation is required. The present invention was achieved by discovering that it is possible to obtain a stable and highly conductive polymer without the above. That is, according to the present invention, first, an aniline aqueous solution containing aniline and a protonic acid in an amount equivalent to or more than the aniline is heated at an initial electrolytic potential of +1.2 V or more with respect to SCE, and a current density of 0.01 mA/ A conductive organic material which is doped with the above acid and whose conductivity is 10 -6 S/cm or more, which undergoes oxidative polymerization by constant current electrolysis in the range of cm 2 to 1 A/cm 2 . A method of making a polymer is provided. Furthermore, according to the present invention, secondly, an aniline aqueous solution containing aniline and a protonic acid in an amount equivalent to or more than the aniline is electrolyzed at a constant potential of +2 V or more with respect to SCE at a current density of 0.01 mA/cm 2 ~1A/
Provided is a method for producing a conductive organic polymer which is doped with the above acid and whose conductivity is 10 -6 S/cm or more, which is characterized by oxidative polymerization in the range of cm 2 . The protonic acid used in the present invention is preferably a protonic acid whose oxidation potential is higher than the oxidation potential in the present invention, and specifically, hydrochloric acid, hydrobromic acid, sulfuric acid, nitric acid, perchloric acid, Tetrafluoroboric acid (HBF 4 ), hexafluorophosphoric acid (HPF 6 ), and the like are preferably used. In order to obtain a conductive organic polymer having a high electrical conductivity of 10 -6 S/cm or more according to the present invention, the above protonic acid is used in an amount equivalent to or more than that of aniline, usually in a range of 1 to 5 times, and When using a method of oxidatively polymerizing an aniline aqueous solution by constant current electrolysis, the initial electrolytic potential can be set to +1.2 V or more with respect to SCE, and the current density can be set in the range of 0.01 mA/cm 2 to 1 A/cm 2 . is necessary. In addition, when performing oxidative polymerization by constant potential electrolysis, the aniline aqueous solution is subjected to constant potential electrolysis at +2V or more with respect to SCE, and the current density is 0.01 mA/cm 2 or more.
It is necessary to carry out oxidative polymerization in the range of 1 A/cm 2 . As is well known, constant current electrolysis refers to a method of electrolysis with a constant current, and constant potential electrolysis refers to a method of electrolysis with a constant electrode potential.
In the case of galvanostatic electrolysis, the potential increases over time from the initial electrolysis potential. In electrolytic oxidation polymerization of aniline aqueous solution, in the case of constant current electrolysis, the electrolytic potential is ++ with respect to SCE.
When the electrolytic potential is not set at 1.2 V or higher, or when the electrolytic potential is not set at +2 V or higher relative to SCE in the case of constant potential electrolysis, or when the current density is outside the above range in any method, the The polymer has a low molecular weight and low conductivity. Further, it is desirable that the aniline concentration in the aniline aqueous solution is 1% by weight or more. Even when the aniline concentration is less than 1% by weight, the resulting polymer has a low molecular weight and low conductivity. However, the upper limit of aniline concentration is not particularly limited, but usually
Up to 50% by weight is suitable. In the method of the present invention, water is used as the solvent. The decomposition potential of water is 1.23V, and in some cases, the electrolytic potential in the method of the present invention is higher than the decomposition potential of water, but this is because the oxidation of aniline occurs preferentially than the decomposition of water. According to the present invention, a high molecular weight and highly conductive aniline oxidized polymer can be obtained by employing a high electrolytic potential while using water as a solvent. The oxidation potential of aniline can be determined by a so-called cyclic voltammogram in which the potential is scanned at a constant speed and the current value at each potential is plotted.As shown in Figure 4, the oxidation potential with respect to SCE is around 1V, Approx. 2V and 3V.
These oxidation potentials correspond to the oxidizing power of chemical oxidants; at each oxidation potential, polymers at that oxidation potential are preferentially produced, and in the middle of each oxidation potential, polymers at each oxidation potential are competitively produced. to be generated. As explained earlier, Mohilner et al. performed electrolytic oxidation of aniline at an oxidation potential of +0.8 V relative to SCE in order to avoid electrolysis of water.
According to the method of the present invention, an electrolytic potential of +1.2 V or more (when using constant current electrolysis, the initial electrolytic potential is SCE
electrolytic potential of +1.2 V or more), preferably 2
By performing electrolytic oxidation at an electrolytic potential of ~10 V, it is possible to obtain an alinine polymer with a much higher molecular weight and higher conductivity than emeraldine. In the method of the present invention, the current density in electrolytic oxidation is also important. Current density is 0.01m
When it is smaller than A/cm 2 , the obtained polymer is dissolved in concentrated sulfuric acid, so it is considered to be a low molecular weight polymer, and the conductivity of such a polymer is also low. In the present invention, the aniline aqueous solution may contain supporting electrolytes other than the above-mentioned protonic acid. Specific examples include perchlorate metal salts such as lithium perchlorate and sodium perchlorate, and organic salts such as tetrabutylammonium perchlorate. In addition to the above, for example, nitrates, sulfates, hydrochlorides, tetrafluoroborates,
Salts such as hexafluorophosphate and the like can also be used as supporting electrolytes. The conductive organic polymer obtained by the method of the present invention usually exhibits a green to dark green color in a dry powder state, and generally, the higher the conductivity, the brighter the green color. However, the molded product made by pressure molding is
Usually exhibits a shiny blue color. Furthermore, the polymer obtained by the method of the present invention has already been doped with the protonic acid used in the electrolytic oxidative polymerization stage, and its electrical conductivity is usually 10 -6 S/cm.
In most cases, it is in the range of 10 -3 to 10 -1 S/cm. The conductive organic polymer obtained by the method of the present invention includes those that are soluble in concentrated sulfuric acid as long as the conductivity is within the above range.
Polymers with high electrical conductivity of 10 -3 S/cm or higher are insoluble in water and most organic solvents, and in particular are substantially insoluble in concentrated sulfuric acid and N,N-dimethylformamide. Such a polymer is in marked contrast to emeraldine, which is soluble in 80% acetic acid, cold pyridine, and N,N-dimethylformamide, as described above, indicating that it is a high molecular weight polymer. Furthermore, the polymer insoluble in concentrated sulfuric acid is shown to be a high molecular weight polymer also from the results of differential thermal analysis. Although the structure of the polymer obtained by the method of the present invention has not yet been determined, its infrared absorption spectrum is similar to that of emeraldine, and since it has a high molecular weight and high conductivity, aniline is present in the head-to-tail bond. It appears to be a substantially linear π-electron conjugated polymer as shown in the following formula, which continuously forms a polymer chain. The polymer obtained by the method of the present invention has high electrical conductivity, but the electrical conductivity is significantly reduced by compensation with ammonia, and by doping again with hydrochloric acid, almost the original high electrical conductivity is lost. This recovery confirms that the protonic acid has already been doped during the oxidative polymerization stage.
Furthermore, the infrared absorption spectrum of a polymer obtained by doping the polymer again with hydrochloric acid after compensating it with ammonia is substantially the same as that of the polymer before compensation with ammonia. It is confirmed that the polymer is doped with protic acid. Furthermore, due to the fact that such a polymer is compensated with ammonia and the sign of the thermoelectromotive force, this polymer is p-type. As described above, the conductive organic polymer obtained by oxidative polymerization of aniline according to the present invention is already doped with protonic acid during the polymerization stage, and thus requires a new doping treatment. It has high conductivity without changing its conductivity, and its conductivity does not change at all even when left in the air for a long period of time, compared to conventionally known doped conductive organic polymers. It has a uniquely high stability. The present invention will be explained below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples in any way. Example 1 (Experiment No. 1) (1) Production of polymer An anode and a cathode made of platinum were inserted into an aqueous solution with an aniline concentration of 10% by weight and an equivalent amount of hydrochloric acid to aniline, and initial electrolysis for SCE was performed. Electrolytic oxidation polymerization was carried out by applying current for 8 hours at a potential of +1.8 V and a constant current density of 5 mA/cm 2 . It is well known that when electrolytic polymerization is carried out at a constant current density, the electrolytic potential gradually increases. Therefore, the electrolytic potential is usually expressed as the initial potential as shown above. be. The aniline polymer produced on the anode in the above reaction was peeled off and pulverized, washed with stirring in distilled water, filtered, and then the filtered polymer was washed with acetone. The filtered polymer was vacuum dried over phosphorus pentoxide at room temperature for 10 hours to obtain a conductive organic polymer according to the present invention as a green powder. (2) Evaluation of physical properties The polymer obtained above was insoluble not only in concentrated sulfuric acid but also in N-methyl-2-pyrrolidone. Next, FIG. 1 shows the infrared absorption spectrum of the polymer obtained above. For comparison, the infrared absorption spectra of emeraldine and commercially available diamond black are shown in FIGS. 2 and 3, respectively. In addition, emeraldine was prepared by the method of DMMohilner et al.
al., J.Am.Chem.Soc., 84 , 3618 (1962). It should be noted that the logarithmic viscosities of emeraldine and diamond black in concentrated sulfuric acid solutions with a concentration of 0.5 g/dl at 30° C. are 0.02 and 0.005, respectively, and it is understood that these have low molecular weights. Furthermore, FIG. 4 shows a cyclic voltammogram in electrolytic oxidation of aniline. Furthermore, the results of thermogravimetric analysis in air of the above polymer according to the present invention and emeraldine are shown in FIG. The temperature increase rate is 10°C/min. Next, about 120 mg of the polymer powder obtained above was crushed in an agate mortar, and then pressure-molded into a disk with a diameter of 13 mm at a pressure of 6000 Kg/cm 2 using a tablet molding machine for an infrared spectrophotometer. Four pieces of copper foil with a width of about 1 mm were adhered to the four corners of the disk using silver paste or graphite paste, and the conductivity was measured in air according to the Van der Pauw method, and the conductivity was 4.1 S/cm. Also, even when measured in a vacuum of 10 -2 Torr,
They showed almost the same conductivity. The disk was left in air for 4 months with virtually no change in conductivity. In addition, the above polymer according to the present invention (conductivity
6.6S/cm) with ammonia compensation (conductivity
3.3×10 -9 S/cm) is shown in FIG. 6, and FIG. 7 shows the infrared absorption spectrum after doping again with 5N hydrochloric acid (conductivity 0.15 S/cm). The spectrum after this redoping is found to be substantially the same as the original shown in FIG. 1, and furthermore, the conductivity is also approximately the same as before ammonia compensation. It is therefore shown that the polymer according to the invention is already doped by the protic acid used in its oxidative polymerization step. Example 2 (Experiment numbers 2 to 7) Aniline was electrolytically oxidized in the same manner as in Example 1, except that the acid shown in the table was used in an equivalent amount to aniline instead of hydrochloric acid as the protonic acid. . The electrical conductivity of these polymers is shown in the table. In addition, both polymers were prepared using concentrated sulfuric acid and N-methyl-2
- It was insoluble in both pyrrolidone. Example 3 (Experiment Nos. 8 and 9) Experiments according to the present invention were carried out in the same manner as in Example 1, except that the aniline concentration in the aniline solution was changed and, accordingly, hydrochloric acid was used in an equivalent amount to aniline. A conductive organic polymer was obtained. The electrical conductivity of the polymer is shown in the table. These polymers were also insoluble in concentrated sulfuric acid and N-methyl-2-pyrrolidone. Example 4 (Experiment No. 10) The aniline concentration in the aniline solution was 6% by weight.
A conductive organic polymer was obtained in the same manner as in Example 1, except that an aqueous solution of sulfuric acid at a concentration of 1 mol/molar was used as the protonic acid. The electrical conductivity of the polymer is shown in the table. This polymer also contains concentrated acids and N-methyl-2-
It was insoluble in pyrrolidone. Comparative Example 1 (Experiment Numbers 11 and 12) For comparison, Example 1 except that the aniline concentration in the aniline solution was 0.1% by weight, and an aqueous solution containing hydrochloric acid or sulfuric acid at a concentration of 1 mol/each as the acid was used. Electrolytic oxidation was carried out in the same manner. The electrical conductivity of the obtained polymer is shown in the table. Further, these polymers were dissolved in concentrated sulfuric acid and partially dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone. Example 5 (Experiment No. 13 to 15) Regarding the aniline aqueous solution having the composition of Example 1 Experiment No. 1, the initial electrolytic potential was set to the value shown in the table,
Electrolytic oxidation was performed. The resulting polymer was insoluble in concentrated sulfuric acid and N-methyl-2-pyrrolidone. Furthermore, the electrical conductivity of the polymer is shown in the table. Comparative Example 2 (Experiment No. 16) Similarly to Example 3, for the aniline aqueous solution having the composition of Example 1, the initial electrolytic potential was set to + with respect to SCE.
Electrolytic oxidation was performed at 1V. The results are shown in the table.
In addition, the obtained polymer was mixed with concentrated sulfuric acid and N-methyl-
It was soluble in both 2-pyrrolidone. Example 6 (Experiment No. 17) The aniline concentration was 10% by weight, hydrochloric acid was contained in an equivalent amount to aniline, and 0.5% of tetrabutylammonium perchlorate was additionally used as a supporting electrolyte.
aniline aqueous solution containing % by weight at an initial electrolytic potential of +1.7 V with respect to SCE and a constant current density of 11.1 mA/cm 2
Electrolytic oxidation polymerization was carried out by applying electricity for 30 hours. The aniline polymer formed on the anode was peeled off and treated in the same manner as in Example 1 to obtain a conductive polymer. This polymer had an electrical conductivity of 4.4 S/cm and was insoluble in both concentrated sulfuric acid and N-methyl-2-pyrrolidone. Example 7 (Experiment Nos. 18 to 21) An aqueous aniline solution having an aniline concentration of 25% by weight and containing an equivalent amount of hydrochloric acid to aniline was electrolytically oxidized by passing current at the constant current density shown in the table. The electrical conductivity of the obtained polymer is shown in the table. In addition, both polymers were prepared using concentrated sulfuric acid and N-methyl-2
- It was insoluble in both pyrrolidone. [Table] [Table]

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による導電性有機重合体の赤外
線吸収スペクトル、第2図及び第3図はそれぞれ
エメラルデイン及びアニリン・ブラツクの赤外線
吸収スペクトル、第4図はアニリンの電解酸化に
おけるサイクリツク・ボルタモグラム、第5図は
本発明による重合体及びエメラルデインの加熱に
よる重量残存率を示すグラフ、第6図は本発明に
よる重合体をアンモニア補償して得られる重合体
の赤外線吸収スペクトル、第7図は第6図の重合
体を塩酸で再ドーピングして得られる重合体の赤
外線吸収スペクトルである。
FIG. 1 is an infrared absorption spectrum of a conductive organic polymer according to the present invention, FIGS. 2 and 3 are infrared absorption spectra of emeraldine and aniline black, respectively, and FIG. 4 is a cyclic voltammogram of electrolytic oxidation of aniline. FIG. 5 is a graph showing the weight residual rate of the polymer according to the present invention and emeraldine upon heating, FIG. 6 is an infrared absorption spectrum of a polymer obtained by ammonia compensation of the polymer according to the present invention, and FIG. This is an infrared absorption spectrum of a polymer obtained by redoping the polymer shown in Figure 6 with hydrochloric acid.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 アニリンとアニリンに対して当量以上のプロ
トン酸を含有するアニリン水溶液を初期電解電位
を標準カロメル電極に対して+1.2V以上として、
電流密度が0.01mA/cm2乃至1A/cm2の範囲であ
る定電流電解にて酸化重合することを特徴とする
上記酸によつてドーピングされており、その電導
度が10-6S/cm以上である導電性有機重合体の製
造方法。 2 アニリンとアニリンに対して当量以上のプロ
トン酸を含有するアニリン水溶液を標準カロメル
電極に対して+2V以上の定電位電解にて、電流
密度を0.01mA/cm2乃至1A/cm2の範囲として酸
化重合することを特徴とする上記酸によつてドー
ピングされており、その電導度が10-6S/cm以上
である導電性有機重合体の製造方法。
[Claims] 1. An aniline aqueous solution containing aniline and a protonic acid in an amount equivalent to or more than the aniline, with an initial electrolytic potential of +1.2 V or more with respect to a standard calomel electrode,
It is doped with the above acid characterized by oxidative polymerization by constant current electrolysis with a current density in the range of 0.01 mA/cm 2 to 1 A/cm 2 , and its conductivity is 10 -6 S/cm The above method for producing a conductive organic polymer. 2 Oxidize aniline and an aqueous aniline solution containing protonic acid in an amount equivalent to or more than aniline using constant potential electrolysis at +2 V or more with respect to a standard calomel electrode at a current density in the range of 0.01 mA/cm 2 to 1 A/cm 2 A method for producing a conductive organic polymer which is doped with the above acid and has an electrical conductivity of 10 -6 S/cm or more.
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