聚苯胺导电水凝胶制备概述

聚苯胺导电水凝胶制备概述

王倡春,邱月月,潘紫馨

南京工程学院，材料科学与工程学院，江苏南京，210000

摘要：聚苯胺因具有独特的电学性能与可控的电导率，而被广泛地用于制备聚苯胺导电水凝胶。本文根据聚苯胺导电水凝胶基质的不同，将其分为合成高分子类导电水凝胶与天然高分子类导电水凝胶并综述了聚苯胺导电水凝胶的制备路径。

关键词：导电水凝胶; 聚苯胺;合成高分子；天然高分子；

基金项目：南京工程学院校级大学生创业创新项目（TB202202005）

水凝胶（Hydrogel）是一种遇水溶胀而不溶解的，具有三维交联网络结构[1]的交联聚合物。水凝胶中的亲水基团赋予其溶胀与储水能力；而其中的疏水基团，遇水溶胀，使其维持一定的形状[2]。导电水凝胶因其广泛的应用前景，而备受关注。大多数水凝胶本身不具备导电性，但加入导电聚合物或离子后，即为导电水凝胶[3, 4]。聚苯胺（PANI）是一种典型的本征型导电聚合物[5]，具有独特的电学性能、高环境稳定性、电导率可控、易于制备以及价格便宜等特点，而被广泛应用于各个领域。聚苯胺导电水凝胶属于电子导电水凝胶[6]，由聚合物网络和大量的自由电子组成，其中自由电子的定向移动提供了导电性[7]。

聚苯胺导电水凝胶的分类

聚苯胺导电水凝胶由聚苯胺作为导电介质与绝缘性聚合物基体组成。聚苯胺导电水凝胶的基体有很多种[8,9,10]。根据不同基体，聚苯胺导电水凝胶可分为合成高分子类导电水凝胶和天然高分子类导电水凝胶[11]。

1合成高分子类聚苯胺导电水凝胶

1.1聚丙烯酸/聚苯胺导电水凝胶

聚丙烯酸/聚苯胺导电水凝胶（PAA/PANI），在可拉伸超级电容器、柔性传感器等领域具有巨大的应用潜力。厉等，采用先制备聚丙烯酸，再加入适量的苯胺单体，混合均匀后，加入引发剂引发聚合，制备聚PAA/PANI导电水凝胶[12]。PAA /PANI导电水凝胶可以采用原位聚合的方法制备[13]。首先，将经自由聚合的PAA水凝胶打碎；将一定质量的PAA浸泡在苯胺单体溶液中，利用丙烯酸的羧基与苯胺的氨基间的分子间作用力，苯胺单体逐渐被吸附并渗入PAA网络中；苯胺单体经化学聚合后，得到具有互穿网络结构的PAA /PANI导电水凝胶。

Wang等设计了一种双重协同网络结构[14]，分为“软-硬”两种网络结构。软性的PAA网络由双亲性嵌段共聚物交联而成，刚性网络由经植酸掺杂与离子交联的PANI构成。两个网络间的各种作用（如，物理纠缠、分子间氢键、离子之间偶极作用等），大大提高了复合水凝胶的拉伸应变。该复合水凝胶的最大拉伸应变达1160%，同时具有较高的电导率。

1.2聚丙烯酰胺/聚苯胺导电水凝胶

聚丙烯酰胺/聚苯胺（PAM/PANI）导电水凝胶以PAM为基体，将苯胺盐溶液分散在丙酰烯胺单体中，自由基引发后，两者同时发生聚合反应，形成导电水凝胶。该方法适合规模化制备，但聚苯胺高分子链物理分散或缠绕在聚丙烯酰胺网络中，电导率不高[15]。

该类型复合水凝胶还可采用界面聚合法和原位接枝法制备。采用界面聚合法制备复合水凝胶时，可先经自由基聚合制备聚丙烯酰胺水凝胶。聚丙烯酰胺水凝胶吸附引发剂和掺杂酸后，在加入苯胺单体，在聚丙烯酰胺的三维网络中形成聚苯胺，形成导电水凝胶[16]。

Lu等提出在丙烯酰胺单体中加入适量的N-（4-氨苯基）丙烯酰胺单体，两者经-射线辐照交联后，形成共聚物水凝胶。共聚物水凝胶经盐酸苯胺溶液溶胀后，利用N-（4-氨苯基）丙烯酰胺组分原位接枝聚合聚苯胺，形成复合导电水凝胶[17]。研究结果表明：接枝后PANI在凝胶孔壁上形成了连续的块状结构，提高了凝胶的导电率，平均接近10S/m。

1.3聚乙烯醇/聚苯胺导电水凝胶

聚乙烯醇可经“冻-融”的方法形成物理交联型水凝胶[18, 19]。聚乙烯醇/聚苯胺（PVA/PANI）互传网络水凝胶[20]，具有多层次孔状结构和良好的柔性及强度。先将适量的聚乙烯醇（PVA）溶液与植酸溶液和苯胺混合，加入过硫酸铵溶液后，制成PANI水凝胶，经过冷冻解冻后形成交联型PVA/PANI导电水凝胶。其所形成的PVA水凝胶网络能够为PANI提供支撑和保护，有效保护PANI的电化学性能。

Lai等[21]通过在CNT表面原位聚合PANI,并在聚苯胺中引入动态硼酸酯键，聚乙烯醇/聚苯胺导电水凝胶不仅可以导电，还具备自愈合性能。

2天然高分子类聚苯胺导电水凝胶

2.1明胶/聚苯胺导电水凝胶

明胶具有高相容性和可降解性，但其力学性能较差，需要通过交联改性等方式才能发挥其作用[22, 23]。明胶/聚苯胺共聚物[24]可采用直接掺杂法，将明胶与苯胺在一定条件下，以过硫酸铵为催化剂发生聚合反应，樟脑磺酸（CSA）掺杂的聚苯胺羧基与明胶的氨基发生耦合，形成水凝胶。此外，以明胶接枝PANI后，经天然生物交联剂原位聚合形成了可降解的导电水凝胶[25]，研究表明其电导率最高达4.54×10

-4S/cm，进一步提高拉伸性能和电化学性能。

2.2纤维素/聚苯胺导电水凝胶

纤维素是最丰富的天然高分子聚合物，其良好的电学性能为设计导电水凝胶提供了众多的选择[26]。采用低温原位交联的方式在纤维素溶液中制备了一种新型的纤维素/聚苯胺导电水凝胶电解质[27]。研究发现当电流密度为1A/g时，对称的超级电容器的比为98.8F/g，而且经过5000 次的充放电循环后电容的保留率仍然达到93.9%。

3.总结

本文主要介绍了以聚苯胺为导电组分，不同交联高分子为基体的导电水凝胶。根据不同的基体，本文分别总结了合成高分子类以及天然高分子类聚苯胺导电水凝胶的制备方法。

致谢：本文受南京工程学院大学生创业创新项目资助（TB202202005）。

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作者简介：王倡春，男（1979 .4——），汉族，江苏泰州人，博士，副教授，研究方向：功能高分子材料

      邱月月   女（2002.9--），汉族，江苏泰州人，学生

      潘紫馨    女（2002.4-），汉族，贵州贵阳人，学生