功能导电新材料的制备及应用探讨

郑建华，黄自成，张椿英

（安徽信息工程学院，安徽 芜湖 241000）

功能导电新材料的制备及应用探讨

郑建华，黄自成，张椿英

（安徽信息工程学院，安徽 芜湖 241000）

生物技术是现代科学技术的代表，在应用生物技术的过程中，需要把生物材料固定到传感器的表面.传统的固定方式会影响生物技术的效能，使传感器无法感应到生物材料的化学构成.为了应对上述问题，需要制备功能导电新材料.本文将具体探讨功能导电新材料的制备及应用，希望能为相关领域的研究提供一些参考.

功能导电；新材料制备；分析应用

引言：进入新世纪以来，我国的社会主义市场经济持续繁荣，生物技术取得了一系列显著成就.在测定生物分子的过程中，需要将材料固定在传感器上，进行试剂滴凃.在生物材料上滴凃试剂后，试剂会和生物材料发生化学反应，使生物材料的活性下降.为了保证生物分子的物理性能，必须使用新的固定材料，取代传统试剂.在此背景下，研究功能导电新材料的制备和分析应用势在必行.

1 导电聚合物概述

1.1 内涵

所谓的导电聚合物，就是具有导电性质的聚合物.导电聚合物中有大量的高分子，根据分子组合结构的不同，又可以将导电聚合物分为复合导电聚合物和结构导电聚合物.复合导电聚合物以高分子材料作为基础，在高分子材料中注入导电材料以后，高分子材料具有导电性能，形成复合材料.从这个角度来看，复合导电聚合物是两类材料的集合[1].导电材料包括石墨、炭黑等等，这些材料都具有较好的导电性能，可以增强复合材料的物理特性.结构导电聚合物以导电颗粒作为基础，集成了大量导电材料粉末，这些导电材料粉末组合成不同的共聚结构，形成了新的聚合物.复合导电聚合物和结构导电聚合物的构成方式不同，导电性能也呈现出较大的差异.此外，复合导电聚合物的构成较为简单，结构导电聚合物的构成相对复杂.复合导电聚合物的性价比更高，其应用范围更加广泛.

1.2 导电理论

复合导电聚合物的导电理论相对丰富，就目前来看，复合导电聚合物导电理论分为以下两种：第一种是导电通道理论.导电通道是指聚合物组合在一起，形成了一个导电通道，可以实现电流的双向传送.第二种是微观量子理论.微观量子是指复合聚合物在导电过程中会产生大量的微观量子，而这些微观量子是承载电流的主体.导电通道理论立足于复合导电聚合物的电流生成，而微观量子理论立足于复合导电聚合物的电流组织.

1.3 制备方法

导电聚合物的制备方法分为以下两种：第一种是化学制备方法，第二种是电化学制备方法.上述两种方法都可以使材料具备导电的形成，下文将进行分别阐述.

首先是导电聚合物的化学制备方法.化学制备方法依托各种化学试剂和化学材料，当材料和化学试剂发生反应，就会使材料具备导电特性.化学制备方法又被细分为两种：第一种是直接聚合方法，第二种是间接聚合方法.直接聚合方法是指不通过其他反应试剂，直接把材料和导电材料融合在一起.间接聚合方法是指将导电材料、原材料和反应试剂融合在一起，再通过异构化反应进行分离.将两种聚合方法进行对比，可以发现直接聚合法的溶解度较低，导电聚合物的性能并不稳定.间接聚合法的溶解度相对较高，导电聚合物的强度相对较高.化学试剂容易受到外部环境的影响，因此化学制备方法存在不稳定性.当外界温度过高、或者是试剂受到污染，化学制备方法的实效性将无法发挥.

其次是导电聚合物的电化学制备方法.电化学制备方法是在电流作用下制备导电聚合物.在应用这种制备方法时，需要应用内含电解质的化学溶剂，并把原材料放入化学溶剂中.在电解质作用下，原材料的表面会生成一层薄膜，而薄膜就具有导电性质.电化学制备方法可以细分为以下几种：第一种是电流制备方法、第二种是电位制备方法、第三种是脉冲制备方法.与化学制备方法相比，电化学制备方法的操作流程更加便捷.同时，电化学设备具有良好的化学性能，其生成的导电聚合物纯度较高，可逆性优良.值得注意的是，电化学制备方法相对昂贵，难以进行大规模导电聚合物生产.

1.4 发展方向

我国的经济社会不断发展，科学技术水平不断提升，导电聚合物的制作流程更加便捷.就目前来看，我国的导电聚合物兼具良好的物理性能和化学性能.就物理性能来看，导电聚合物的弹性限度较大、自重相对较轻、可变性较强、抵抗能力也比较强、就化学性能来看，导电聚合物的电导率范围宽泛，分子转换容易、和其他材料的溶解度高.由于导电聚合物具有突出的功能价值，其在社会各个领域中的应用越来越广泛.

与其他材料相比，导电聚合物的导电率更高，因此导电聚合物被应用在电子工程等行业，收获了良好的应用效果.导电聚合物的分子结构式并不固定，在应用导电聚合物时可以改变分子结构，使导电聚合物达到理想形态.导电聚合物不仅能用来屏蔽电磁干扰、传输电流，还能合成电池、吸收电信号.近几年来，我国的科学技术突飞猛进，使导电聚合物的整体性能更加良好.学者们将导电聚合物和其他技术融合在一起，实现了元素的跨界组合和不同材料的共聚.

在生物技术领域，导电聚合物发挥着重要作用.将导电聚合物应用在传感器中，可以迅速接收传递传感信号，促进电荷之间的传递.导电聚合物不仅能使传感器的导电性能更加突出，还可以加快信号传递的速度，形成纳米薄膜.由于导电聚合物的实用价值较高，其与生物技术的融合日益紧密，带动了导电聚合物的快速发展.

2 功能导电新材料的制备与合成

2.1 化学实验

为了制备功能导电新材料，需要进行化学实验.实验研究包括以下几点：第一，是对功能导电新材料的制备环境进行优化，控制实验温度.同时对导电单体和导电聚合物的性质进行分析，探讨功能导电新材料的表面特征.第二，对功能导电新材料的活性进行评价，分析反应器数据[2].催化乙酸和其他试剂在发生模型反应时需要介入离子液体，此时需要对离子液体的剂量进行控制，并对反应物进行不定时观察.第三，对生物传感器进行强化.导电聚合物对生物传感器具有重要作用，因此可以将导电聚合物应用在传感器中，形成稳固的导电薄膜.

在实验之前，应该做好实验准备，备齐试剂和设备.化学试剂包括碳酸氢钠、氢氧化钠、甲苯磺酸、氨基苯甲酸、乙醇等等.化学设备包括计量天平、数据分析仪器、光度计、干燥机器等等.

2.2 材料制备

在进行功能导电新材料制备时，实验流程如下所示：首先要合成噻吩二酮，其化学反应如图1所示.在烧杯中注入250毫升的滴液，并在滴液中注入导电材料，进行充分搅拌.在搅拌完成之后，需要注入4.8毫升的噻吩和2.75毫升的丁二酰氯.当材料充分混合后，可以把试液注入到烧瓶之中.经过一段时间，可以发现试液的颜色发生转变，从之前的无色转换为亮红，最后变为深红.化学反应停止，可以将溶液注入到冰水中进行冷却.冷却后的容易分为两层，两层溶液呈不同颜色：上层溶液的颜色为黄色，而下层溶液的颜色为绿色.在观察分层后，可以注入浓盐酸去除水分，并重复进行脱水步骤.当溶液彻底干燥，需要对其中的有机体进行真空处理，此时溶液已经转换为晶状固体.固体真空干燥后，可以进行抽滤工作，直到获得白色晶状体.

图1 噻吩二酮合成化学反应

其次要合成苯烷基氰基二酮，其化学反应如图2所示.这一实验步骤和上述实验具有相似之处.在烧杯中注入250毫升的滴液，然后在滴液中注入氨基苯腈、噻吩等化学试剂，并向其中注入氮气[3].在化学试剂发生反应之后，应该对液体进行加热，指导液体颜色转为墨绿.化学反应结束之后，需要对液体进行干燥真空处理.待液体干燥后，可以得到苯烷基氰基二酮固体.

图2 苯烷基氰基二酮的化学反应

再次要合成噻吩苯基烷基酸，其化学反应如图3所示.在烧杯中注入250毫升的滴液，并将氢氧化钾、乙醇等化学试液注入烧杯，可以发现试液发生化学作用.对混合液体进行加热，液体发生颜色变化.在化学反应结束之后，需要对液体进行降温处理，并应用盐酸溶液进行酸碱度调和.等到液体降温完毕，可以将其注入到离子水中，此时液体已经得到固化.对固体进行干燥真空处理，最终可以得到噻吩苯基烷基酸结晶体.

图3 噻吩苯基烷基酸的化学反应

2.3 合成条件

在功能导电新材料的制备过程中，合成条件非常重要，只有对合成条件进行不断优化，才能提高材料制备的效率.功能导电新材料制备容易受到外部条件的影响，因此需要对温度条件、时间条件、化学试剂条件等进行优化和调整.

首先是催化剂条件.为了让不同试液快速发生化学反应，需要应用催化剂.催化剂不仅能加快试液反应速度，还能突出电解质的导电性能.在传统功能导电新材料的制备中，经常应用三氯化铝作为催化剂.和其他的催化剂相比，三氯化铝的分子结构更稳定，而且物美价廉，可以压缩实验成本.在对丁二酰氯和噻吩进行混合时，发现三氯化铝的催化度并不高，这是因为催化剂的用量有失偏颇.如果三氯化铝剂量超标，就会增加噻吩攻击能力，阻碍功能导电新材料的制备工作[4].如果三氯化铝过少，就会减慢试剂的化学作用，降低材料的活性.因此在实验过程中，应该把三氯化铝的实际用量和理论用量控制在1:1.2左右.此外，催化剂的种类也会对实验结果产生重要影响.除了三氯化铝之外，还需要采用有机质子酸进行催化.甲酸和乙酸的催化时间比较长，甲苯磺酸的催化时间比较短.因此为了提高催化效率，需要扩大甲苯磺酸的使用范围.

其次是温度条件.实验温度会对实验结果造成重大影响.很多实验环节需要进行高温加热，还有一些实验环境需要进行真空冷却.在噻吩酰基发生作用的过程中，可以发现实验温度不同，化学试液的反应结果也不尽相同.当温度大于10摄氏度，溶液中开始生成固定，当温度持续升高，固体会阻碍化学试液继续发生反应.当温度在0摄氏度到5摄氏度之间，基本不会生成其他固体.因此需要严格将实验室温度控制在0到5摄氏度之内.

再次是时间条件.不同试液发生反应的时间长短，也会对实验结果造成影响.在向烧杯中的滴液注入其他化学溶液之后，试液会发生化学反应.一般来说，在初期反应的1到4小时之内，试液反应都比较明显.但是如果延长化学试液的反应时间，或者是过快滴入试液，就会加大散热难度.从这个角度来看，必须把实验的时间控制在5小时左右.

最后是观测设备.从某个角度来看，观测设备的质量直接关系着实验观察结果，因此需要对实验设备进行优化.以计量天平为例，在配制试液的过程中，需要严格控制试液的剂量.以光度计为例，在试液发生反应的过程中，需要分析溶液的颜色和光度[5].以干燥器为例，在对试液进行固化处理时，需要实现对干燥器进行清洗.

2.4 实验结论

在进行化学实验之后，可以得到以下的实验结论：第一，在合成功能导电新材料的过程中，需要进行三组实验，得到不同的晶体结构.晶体结构不同，导电功能基因也呈现出较大的差异性.第二，在进行功能导电新材料配备时，需要优化实验条件，如催化剂条件、温度条件、时间条件等等.第三，在化学实验过程中，需要使用红外线设备、传感器设备等进行表征分析.第四，氧化膜具有较强的导电作用，说明制备的功能导电新材料具有良好导电性能.

结论：综上所述，我国的经济社会不断发展，生物技术水平不断提升，在应用生物技术的过程中，需要把生物材料固定到传感器的表面.在生物材料上滴凃试剂后，试剂会和生物材料发生化学反映，使生物材料的活性下降.为了保证生物分子的物理性能，必须使用新的固定材料，提高功能导电新材料的制备效率.

〔1〕周杰,吴云华.CdS量子点/过氧化氢酶纳米杂化功能材料的制备及分析应用[J].中南民族大学学报(自然科学版),2013（01）:5-8.

〔2〕王根林,段磊,张亦旸,张杰,王志峰,刘俊亮,张明.可溶性导电聚苯胺制备功能弹性体材料及其应用方向探讨[A].国家自然基金委员会、扬州大学、北京市新型高分子材料制备加工成型重点实验室、中国化工学会橡胶专业委员会.第十二届中国橡胶基础研讨会会议摘要集[C].国家自然基金委员会、扬州大学、北京市新型高分子材料制备加工成型重点实验室、中国化工学会橡胶专业委员会,2016:1.

〔3〕卫军营.功能化磁性纳米材料制备及其在蛋白质质谱分析中的应用方法研究[D].中国人民解放军军事医学科学院,2012.

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〔5〕张治红,豆君,李进博,牛晓霞,闫福丰,王力臻,马志.导电聚吡咯共聚物薄膜的功能基团种类对蛋白质吸附的影响 [J].化学学报,2010（13）:1313-1318.

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