[发明专利]一种取向棒状结构的聚苯胺薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种取向棒状结构的聚苯胺薄膜及其制备方法，制备方法为：将苯胺与质子酸配置成电解液后，采用电化学聚合法沉积制得取向棒状结构的聚苯胺薄膜；质子酸为对甲苯磺酸、萘磺酸、水杨酸或十二烷基苯磺酸；制得的取向棒状结构的聚苯胺薄膜主要由多孔交联聚苯胺及分布在其表面的棒状聚苯胺组成，二者分别由伸展的聚苯胺分子链交联和堆砌而成；伸展的聚苯胺分子链中连接醌环的氮原子与质子酸的阳离子结合形成‑NH⁺＝，质子酸的阴离子以离子键形式依附在‑NH⁺＝上；所有棒状聚苯胺沿同一方向进行取向，且沿取向方向非等间距排列，棒状聚苯胺上分布有孔洞。本发明的制备方法简单，制得的取向棒状结构的聚苯胺薄膜的电致变色性能优异。

技术领域

本发明属于功能高分子材料技术领域，涉及一种取向棒状结构的聚苯胺薄膜及其制备方法。

背景技术

电致变色材料在外加电场作用下可发生可逆的光学变化，在智能窗、电子显示、军事伪装和智能传感等领域的重要性日益凸显。最常见的电致变色材料是三氧化钨、普鲁士蓝等无机变色材料，但其存在变色响应时间长、氧化电位高、循环稳定性差以及质脆韧低等问题，而有机导电聚合物电致变色材料则恰好弥补了上述缺陷。其中，聚苯胺兼具制备简便、化学性质稳定、掺杂机制独特和电化学性质可逆等优点，是最有望获得实际应用的导电聚合物电致变色材料。为进一步提高其电致变色性能，研究者常通过改进制备工艺、控制聚合条件构建特殊的微结构，以增加离子传输通道、降低离子传输距离。

专利CN103469272A公开了一种三氧化钨/聚苯胺核壳纳米线阵列变色薄膜及其制备方法，最终制得的电致变色薄膜的电致变色对比度较高，响应速度较快，但其制备方法需将聚苯胺与无机材料复合，制备过程涉及水热法与电化学聚合法，较为繁琐。

因此，研究一种制备过程简单且电致变色性能优异的聚苯胺薄膜具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中聚苯胺电致变色薄膜制备过程复杂、电致变色性能有待进一步提高的问题，提供一种取向棒状结构的聚苯胺薄膜及其制备方法。本发明将苯胺与质子酸按照一定比例配置成电解液，在室温下以电化学聚合法沉积，得到具有取向棒状结构的聚苯胺薄膜，该方法制备过程简单，无需任何模板；制得的聚苯胺薄膜具有优异的电致变色性能(即电致变色对比度较高、响应速度较快)。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

一种取向棒状结构的聚苯胺薄膜，主要由多孔交联聚苯胺以及分布在多孔交联聚苯胺表面的棒状聚苯胺组成；

多孔交联聚苯胺和棒状聚苯胺分别由伸展的聚苯胺分子链交联和堆砌而成；

伸展的聚苯胺分子链中连接醌环的氮原子与质子酸的阳离子结合形成-NH⁺＝，质子酸的阴离子以离子键形式依附在-NH⁺＝上，并悬挂在伸展的聚苯胺分子链上；质子酸为对甲苯磺酸、萘磺酸、水杨酸或十二烷基苯磺酸；

所有的棒状聚苯胺沿同一方向进行取向，且沿取向方向非等间距排列，棒状聚苯胺上分布有孔洞。

本发明的取向棒状结构的聚苯胺薄膜电致变色性能优异的主要原因如下：

(1)含棒状聚苯胺，一维的棒状结构使得薄膜的比表面积增加，薄膜/电解液界面处，薄膜、电解液离子的利用率更高，在电致变色测试时，较少的电荷消耗即可实现更大的电致变色对比度(即电致变色透过率调制范围，为薄膜在不同电压下的透过率的差值)，着色效率高；

(2)所有的棒状聚苯胺沿同一方向进行取向，比起无序的排列方式，这种规整取向的有序结构有利于电子在链内与链间的传导，从而提高了载流子数目，使得薄膜的电致变色对比度有所提升，且棒状聚苯胺沿取向方向非等间距排列，棒与棒的间隙使得电解液中的离子进出阻碍较少，提供了较短的离子通路，在电致变色测试时，短的离子通路使得薄膜着色、褪色时间大大缩短，即快速响应；