Transcript 實驗教學簡報-導電塑膠-聚苯胺

99年資優暨偏遠地區學生化學營
~導電塑膠聚苯胺~
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按組別就坐
書包置於書包櫃
領取器材
熟悉實驗室環境
穿實驗衣
戴框式眼鏡
實驗室禁止飲食
2015/4/9，台大化學系
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實驗目的與技能
目的：
 學習以化學氧化法及電化學聚合法合成聚苯胺
導電塑膠
 探討聚苯胺之導電特性
技能：




直流電源供應器
三用電表
減壓過濾
電子天平
實驗原理
 能帶理論（band theory）
電子導體能夠傳遞電流的主因，在於物質中的自由電
子之遷徙，使之具有導電性質。
傳導帶
傳導帶
傳導帶
價帶
(a) 導體
能隙
0 eV
Eg
價帶
能隙
1~3 eV
價帶
(b) 半導體
圖1 導體、半導體、絕緣體能帶理論
Eg 能隙
> 9 eV
價帶
(c) 絕緣體
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實驗原理
 導電塑膠的導電原理
主鏈具有一連串共軛結構（單鍵、雙鍵相互交錯、重覆排
列的結構）
圖3 平行排列的共軛雙鍵 p 軌域
導電度也會受到電子是否能從一個鏈跳到另一個鏈而有所影響
聚合物鏈若能整齊地排列，會提升塑膠物質導電能力
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實驗原理
 聚苯胺作為導電塑膠
H
N
兩種單元：
H
N
單體：苯胺
N
x
A: 苯-苯 還原形式
N
yn
NH 2
B: 苯-醌 氧化形式
表 1 不同形式聚苯胺及其性質
名稱
氧化程度
Leucoemeraldine
(LE)
Emeraldine base
(EB)
Pernigraniline
(PNB)
y=0
(皆為還原形式)
x > 0, y > 0
(兼具氧化、還原形式)
x=0
(皆為氧化形式)
顏色
白色
綠/藍色
紫色
性質
無導電性
(能隙 3-4 eV)
無導電性
(能隙 3-4 eV)
無導電性
(能隙 1.5-2.5 eV)
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實驗原理
 聚苯胺的酸摻雜
由簡單的酸摻雜，使原本無法導電的高分子，變成導體。
..
N
H
..
H
N
..
N
N
..
Emeraldine base (EB)
鹼式聚苯胺，藍色
HCl
NH3
n
..
N
H
H
N
..
Cl-
H
N
Cl-
N
H
n
Emeraldine salt (ES)
鹽式聚苯胺，綠色
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實驗設計
 化學氧化聚合法：苯胺鹽酸鹽+過氧硫酸鉀
 電化學聚合法
– 電解酸性苯胺鹽水溶液
– 苯胺於陽極（+極）因失電子而氧化，進一步聚合
– 不溶的聚苯胺產物覆蓋於陽極導電玻璃
電氧化聚合
n
NH2
H2SO4(aq)
HSO4N
H
n
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技能-減壓過濾
 水泵水箱裝水(下進上出)
 插電開啟，測抽氣
 緩衝瓶、抽濾瓶以鐵夾固定
 布氏漏斗套橡膠套環與抽濾瓶接合緊密
 濾紙鋪平，以少許蒸餾水潤濕
 關閉二方活栓，減壓抽氣吸緊濾紙
 溶液倒入，過濾迅即完成
 開啟二方活栓
 收集產物
 關閉幫浦電源
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技能-直流電源供應器
•歸零
•開啟電源
•交互調整電流及電壓旋鈕
•讀電壓數值，3 V
電壓粗調控鈕
電壓微調控鈕
電流調控鈕
－
＋
高/低電流切換鍵
電源開關
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步驟1 : 化學氧化法製備聚苯胺
 合成綠色鹽式聚苯胺（emeraldine，salt）
30 mL 燒杯
5 mL 苯胺鹽酸鹽溶液
5 mL 過硫酸銨溶液
攪拌混合均勻
靜置進行聚合
放置1～2片載玻片
觀察並記錄顏色變化
注意：載玻片易折斷
小心割傷
1或2小時後，取出
觀察苯胺聚合及塗
布於載玻片之程度
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步驟 2 : 電化學法合成聚苯胺
培養皿裝95%酒精
導電玻璃以酒精浸洗
去離子水沖洗乾淨
紙巾擦乾
導電玻璃連接正極（紅端） 取約10 mL 苯胺硫酸溶液
置入導電玻璃與銅線
銅線連接負極（黑端）
注意：勿反向連接
保持二電極勿碰觸
• 開啟電源
• 交互調整電流及電壓旋鈕
• 3 V電壓
• 電聚合3分鐘
觀察記錄導電玻璃上聚合反應之顏色變化
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步驟2 : 電化學法合成聚苯胺
取一段膠帶
貼在導電玻璃之聚苯胺
上並加以按壓
取出導電玻璃
於pH 2.5 鹽酸溶液中略浸洗
去離子水沖洗
再以吹風機吹乾
取下膠帶，進行後續之導電試驗
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步驟3 : 電致變色試驗
30 mL 燒杯裝約10 mL 之20% NaCl
導電玻璃與負極（黑端）連接
銅線與正極（紅端）連接
3 V 電壓供電
觀察並記錄變化
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步驟4 : 聚苯胺之導電性測試
黑色接線：『COM』
紅色接線：Ω 插孔
於排氣櫃中
打開濃鹽酸或濃氨水的瓶蓋
將上述膠帶靠近瓶口上方
以三用電表
量測穩定電阻
注意 : 每次測量電阻
應固定兩電夾間之距離。
觀察聚苯胺之電阻與顏色變化
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步驟4 : 聚苯胺之導電性測試
裁剪2 cm × 1 cm 之濾紙
以三用電表
以玻璃棒沾取步驟3 之聚苯胺溶液
測試塗布聚苯胺濾紙之電阻
塗布於濾紙上
吹乾濾紙
於排氣櫃中
打開濃鹽酸或濃氨水的瓶蓋
將上述膠帶靠近瓶口上方。
觀察聚苯胺之電阻與顏色變化
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層狀聚苯胺/聚苯乙烯磺酸鈉膜（選作）
PANi
HCl (洗PANi)
載玻片浸於95%酒精清洗
再以去離子水沖洗乾淨。
SPS
HCl (洗SPS)
載玻片浸於PANi 3分鐘
快速於HCl清洗
試製作2、4、6、8 層PANi/SPS 雙層膜
比較顏色、導電性及達到平衡所需時間
註：
聚苯胺溶液（PANi）
聚苯乙烯磺酸鈉溶液（SPS）
載玻片浸於SPS 3分鐘
一層雙層
(重複)
快速於HCl清洗
吹乾，測電阻
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步驟 5 :收集化學氧化法聚合產物聚苯胺
• 取10 mL之pH 2.5 鹽酸溶液
• 加入化學法合成之聚苯胺液
• 以玻棒攪拌混合均勻以清洗
• 抽氣過濾法收集聚苯胺
• 再以約5 mL之pH 2.5鹽酸
• 將燒杯中殘餘產物沖洗至
抽氣過濾漏斗中
• 反復操作2～3 次
• 5 mL之95%酒精沖洗抽氣過濾漏
斗中之產物
• 繼續抽氣10 分鐘使產物乾燥
• 稱量記錄產物重量
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實驗注意事項










仔細觀察，詳細記錄，是科學研究發現的開端
實驗安全第一
穿實驗衣，全程戴框式眼鏡，戴乳膠手套操作實驗
在排氣櫃中，使用濃鹽酸及濃氨水
注意：載玻片易折斷小心割傷
實驗廢液，倒入指定回收桶
用過之導電玻璃及載玻片，置於回收盒中
實驗結束，清洗清點器材並歸位
擦拭實驗桌，椅凳放入實驗桌下
任何問題，與隊輔、助教、老師討論
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