導電塑膠聚苯胺的製備和測試 張芫睿、佘瑞琳* 國立臺灣大學化學系*shirlin@ntu.edu.tw   n  前言 導電塑膠是一種新穎材料，有別於生活中一般作為絕緣體的塑膠，導電塑膠是一種能夠導電的高分子，它本身同時具有導體與塑膠此兩種南轅北轍的理化性質1。導電塑膠因材質輕和加工性佳而應用日廣，目前已發展出輕巧且適應性大的塑膠電池。導電塑膠又具有電致變色（electrochromism）特性，可在外加電場的作用下進行可逆的顏色與透明性變化。因此經過適當處理後可以製作成汽車的車窗玻璃，透過按壓一個按鈕，車窗由透明變成不透明，就能抵擋強烈照射的太陽光2。 本研究讓修習普通化學實驗的學生利用苯胺為單體，以化學氧化聚合和電化學氧化聚合二種方法合成導電塑膠聚苯胺。藉由量測聚苯胺的導電性和觀察聚苯胺之電致變色，瞭解這一新穎材料的製備方法與特性3-6。 n  原理與概念 目前已知作為導電塑膠的數種高分子如圖一所示。若分析這些高分子的結構，可歸納其主鏈（backbone）都具有共軛系統（conjugated system），此類高分子也稱為共軛高分子（conjugated polymer）。 圖一：常見的導電塑膠高分子結構 在化學中，共軛系統是連接的p軌域系統，在一分子中具有離域電子（delocalized electrons），這通常降低此分子的總能量並增加其穩定性。共軛系統通常表示為具有交替的單鍵和多鍵（雙鍵和三鍵）、孤對電子、自由基或碳正離子（carbenium ions）可以是系統的一部分，其可以是環狀、非環狀、線性或混合的。7此共軛系統是高分子能導電的第一要件。由於具共軛系統的高分子主鏈上有一連串原子的p軌域排列，而得以相互重疊，如圖二所示。連接的p軌域越多，使p軌域重疊的範圍增大，如此一來，當有自由電子在這條高分子主鏈上，在高分子的兩端施加電壓時，自由電子就能在這些區域順著電動勢（electromotive force）移動2。 圖二：共軛系統中各原子連接的p軌域 本實驗利用苯胺為單體，以過硫酸銨為氧化劑進行化學氧化聚合（見圖三）合成聚苯胺。另以電解法，將苯胺單體經電化學氧化聚合在導電玻璃上。藉由量測製備所得聚苯胺的電阻和串聯LED燈測試發光，驗證其導電性。本實驗同時觀察測試聚苯胺的電致變色之特性。   圖三：化學氧化聚合法製備聚苯胺 n  藥品、器材與材料 一、藥品 每組用量：0.4M苯胺鹽酸（C6H5NH2·HCl）溶液5mL、0.5 M過硫酸銨（(NH4)2S2O8）溶液5mL、0.5 M苯胺硫酸（C6H5NH2·1/2H2SO4）溶液7mL、95%酒精（C2H5OH）10mL、20%食鹽（NaCl）水溶液7mL、pH 2.5鹽酸水溶液20mL。 二、器材與材料 每組用量：直流電源供應器與鱷魚夾連接線1組、三用電表與鱷魚夾連接線1組、雙頭鱷魚夾連接線（10cm）1條、5mm透明帽LED燈1個、長條濾紙（2cm × 4 cm）1片、導電玻璃（2cm × 2 cm）1片、載玻片1片、導電用銅線2條、長尾夾2個、鑷子1支、50mL燒杯3個、30mL燒杯3個、計時器1個、直尺1支、膠帶10cm、吹風機1台。 三、藥品配製 l   0.4 M苯胺鹽酸溶液：秤取2.59 g（0.020 mol）苯胺鹽酸鹽（C6H5NH2·HCl，莫耳質量：129.59 g/mol），配製成50 mL水溶液。（注意：苯胺為毒性化合物，具刺激性，應戴乳膠手套操作）。 l   0.5 M過硫酸銨溶液：秤取5.70 g（0.025 mol）過硫酸銨（(NH4)2S2O8，莫耳質量：228.18 g/mol），配製成50 mL水溶液。 l   0.5 M苯胺硫酸溶液：秤取3.55 […]