Электроактивность композиционных систем на основе гидрогелей полиакриловой кислоты и полипиррола | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 11 июля, печатный экземпляр отправим 15 июля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №22 (312) май 2020 г.

Дата публикации: 01.06.2020

Статья просмотрена: 5 раз

Библиографическое описание:

Сорокина, С. Ю. Электроактивность композиционных систем на основе гидрогелей полиакриловой кислоты и полипиррола / С. Ю. Сорокина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 22 (312). — С. 13-17. — URL: https://moluch.ru/archive/312/70966/ (дата обращения: 03.07.2020).



В статье рассматривается получение композитов на основе гидрогелей полиакриловой кислоты (ПАК) и электропроводящего полимера — полипиррола (ППир) — 2-стадийным методом окислительной полимеризации. Определены значения электропроводности композитов и вклад электронной проводимости в общую проводимость.

Ключевые слова: полиакриловая кислота, гидрогели, полипиррол, электропроводность.

Электропроводящие полимеры (полиацетилен, полианилин, полипиррол, полифенилен и др.) обладают уникальными физико-химическими свойствами и до сих пор активно исследуются для использования в различных сферах промышленности и медицины и других областях жизни человека.

Первые исследования электропроводящих полимеров можно датировать 1977-ым годом. Shirakawa и Dr. Chwan K. Chiang [1] одновременно с учеными из США обнаружили быстрое возрастание проводимости полиацетилена при окислении йодом или бромом. Однако еще в 1960-ых годах годы делались попытки допирования полиацетилена газами, представляющими собой акцепторы электронов, что приводило к увеличению электропроводимости полиацетилена. Однако многие газы, являясь сильными окислителями, впоследствии вступали в реакцию с полимером, что вызывало повышение удельного сопротивления. В то же время доноры электронов уменьшали электропроводность. Таким образом, исследователи пришли к выводу, что электропроводность зависит от степени окисления образцов.

Одним из наиболее известных и перспективных электропроводящих полимеров можно выделить полипиррол, что связано с его стабильностью, простотой получения и низкой стоимостью синтеза. Подобные полимеры находят достаточно широкое применение в качестве различных электронных устройств, а также в последнее время активно изучаются для использования в качестве искусственных мышц [2,3].

Однако данные полимеры обладают рядом отрицательных свойств, а именно низкие прочность, жесткость и эластичность. Одним из методов решения данной проблемы является синтез композиционных систем, состоящих из матрицы, обеспечивающей высокие механические характеристики, и самого электропроводящего полимера. Однако при подобных методах синтеза наблюдается снижение электропроводности полимеров и механических свойств матрицы. Таким образом, до сих пор остается актуальной проблема синтеза композиционных систем на основе электропроводящих и матричных полимеров с удовлетворительными значениями проводимости и механических свойств.

Гидрогели ПАК использовали в качестве матрицы композиционной системы. Удобство их применения заключается в сетчатой, трехмерной, сшитой структуре ПАК. Гидрогели синтезировали методом радикальной полимеризации акриловой кислоты (АК) (SIGMAALDRICH, 99 %) разной концентрации (15, 20, 25 мас. %) со сшивателем — N, N’-метиленбисакриламидом (МБАА) (SIGMAALDRICH, 98 %) из водных растворов АК для получения гидрогелей с различной степенью сшивки. Мольное соотношение АК/МБАА составляло 300/1. Для инициирования реакции использовали систему — пероксидисульфат аммония (ПСА) (SIGMA-ALDRICH, 98 %) и N,N,N’,N’-тетраметилэтилендиамин (ТЕМЕД) (SIGMA-ALDRICH, 99 %) [4].

Синтез композитов ПАК/ППир проводили двухстадийным методом окислительной полимеризации мономера — пиррола — в водно-метальном растворе. Схема синтеза композитов представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема синтеза гидрогеля композитов ПАК/ППир

На первой стадии высушенный образец гидрогеля ПАК помещали в водно-метанольный раствор, где соотношение вода/метанол составляло 1/1. Затем набухший образец помещали в аналогичный раствор с концентрацией пиррола 0.3 М на сутки. В процессе набухания в растворе мономера образец приобретал желтый цвет, что свидетельствовало о сорбции пиррола поверхностью гидрогеля.

На второй стадии набухший в водно-метанольном растворе пиррола образец помещали в 0.01 М водный раствор окислителя — ПСА — на 1 сутки.

Полимеризация начиналась уже в течение первых минут нахождения образца в растворе ПСА, что сопровождалось окрашиванием образцов в черный цвет. Структура композита представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Структура композитов ПАК/ППир

Структура полипиррола состоит из последовательно соединенных пиррольных звеньев. Структура представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Структура ППир

Электропроводящие свойства полипиррола возможны благодаря его структуре, где возникает сопряженность π-связей, за счет π-структуры бензола и р-орбитали атома азота, где расположена неподеленная электронная пара. Полипиррол в неокисленном состоянии является диэлектриком. Электропроводность возникает при его окислении, сопровождающимся, аналогично полианилину, образованием поляронов (катион-радикалов) и резонансных им биполяронов [5]. Структурная формула проводящего полипиррола представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Структура окисленного ППир

Электропроводность композитов ПАК/ППир исследовали методом хроноамперметрии. Данный метод дает зависимость силы тока, протекающего через композит ПАК/ППир, от времени в форме хроноамперметрических кривых. Хроноамперметрическая кривая для композитов ПАК/ППир представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Хроноамперметрическая кривая композитов ПАК/ППир

Полученная кривая показывает наличие смешанной проводимости в композитах ПАК/ППир (АК 15, 20, 25 мас. %). Ионную проводимость обеспечивают карбоксильные группы ПАК и ионы NaCl, в растворе которого набухали образцы для измерения. Электронная проводимость объясняется наличием полипиррола.

Значения электропроводности ППир и их вклада в общую проводимость композиционных систем, рассчитанные по хроноамперметрическим кривым, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Электропроводность (), вклад электронной () проводимости вобщую электропроводность композиционных систем ПАК/ППир.

Образец

ППир мас.%

, См/см

(),%

ПАК/ППир(АК 15 мас. %)

18

2,1 ·

38

ПАК/ППир (АК 20 мас. %)

15

1,7 ·

32

ПАК/ППир (АК 25 мас. %)

11

1,1·

24

Электронная проводимость ППир и ее вклад в общую проводимость характеризуется более высокими значениями по сравнению с композитами ПАК/ПАНИ, что скорее всего связано с более глубоким проникновением пиррола в объем геля и более равномерным распределением проводящего компонента по образцу [4].

В данной работе были синтезированы композиты на основе матрицы — гидрогелей ПАК (АК 15, 20, 25 мас. %) и электропроводящего полимера — полипиррола. Методом хроноамперометрии исследованы электропроводящие свойства и установлено, что композиты ПАК/ППир характеризуются смешанным типом проводимости, включающей электронную и ионную составляющие.

Литература:

  1. Chiang, C. K. Electrical conductivity in doped polyacetylene / C. K. Chiang, C. R. Fincher, Jr., Y. W. Park, A. J. Heeger, H. Shirakawa, E. J. Louis, S. C. Gau, Alan G. MacDiarmid // Phys. Rev. Lett. — 1977. — V. 39, — P. 1098.
  2. Li, J. Electrochemical properties of graphene nanosheets/polyaniline nanofibers composites as electrode for supercapacitors / J. Li, H. Xie, Y. Li, J. Liu, Z. Li // Journal of Power Sources. — 2011. — V. 196. — P. 10775–10781.
  3. Shahinpoor, M. Artificial Muscles: applications advanced polymeric nanocomposites [Текст] // M. Shahinpoor, K. J. Kim, M. Mojarrad — London.: Taylor & Francis Group, 323–328 р.
  4. Сорокина, С. Ю. Набухание и механические свойства гидрогелей на основе полиакриловой кислоты / С. Ю. Сорокина. — Текст: непосредственный, электронный // Молодой ученый. — 2020. — № 10 (300). — С. 1–5. — URL: https://moluch.ru/archive/300/67967/ (дата обращения: 08.04.2020).
  5. Смирнов М. А. Электроактивные композиты на основе полипиррола, полианилина и пористых пленок полиэтилена: дис.... канд. хим. наук: 02.00.06 / М. А. Смирнов; ИВС РАН. — СПб.,2007. — 140 с.
Основные термины (генерируются автоматически): ПАК, SIGMAALDRICH, SIGMA-ALDRICH, общая проводимость, электронная проводимость, полимер, композит, электропроводящий полимер, полиакриловая кислота, полипиррол.


Похожие статьи

Электропроводность ( ), вклад электронной ( ) проводимости...

Определены значения электропроводности композитов и вклад электронной проводимости в общую проводимость.

Электропроводящие полимеры (полиацетилен, полианилин, полипиррол, полифенилен и др.) известны уже несколько десятков лет, и до настоящего...

Набухание и механические свойства гидрогелей на основе...

Гидрогели полиакриловой кислоты (ПАК) получали методом радикальной сополимеризации мономеров акриловой кислоты (АК) (SIGMAALDRICH, 99 %) со сшивателем — N, N’-метиленбисакриламидом (МБАА) (SIGMAALDRICH, 98 %) в водных растворах АК.

Исследование электрических свойств композитного углеродного...

Композитный полимерный материал (КМ) представляет собой неметаллическую матрицу с внедренным в нее наполнителем (упрочнителем).

Исследования электропроводящих свойств практически не представлены. В работе приводятся исследования электропроводности...

Влияние липосомальной формы липоевой кислоты на...

Показано, что «пустые» фосфатидилхолиновые липосомы и в значительной степени липосомы содержащие α-липоевую кислоту, препятствуют повышению гранулярности тромбоцитов, вызванной арахидоновой кислотой. Используя метод проточной цитофлюометрии обнаружено...

Твердые полимерные электролиты для топливных элементов

Углеродный носитель должен иметь высокую электронную проводимость. Кроме того, его пористая структура должна позволять реагентам и

Галлямов М. О., Хохлов А. Р. Топливные элементы с полимерной мембраной: Материалы к курсу по основам топливных элементов.

Исследование радикальной сополимеризации гетероциклических...

Изучена кинетики радикальной сополимеризации гетероциклических эфиров метакриловых кислот со стиролом при малых конверсиях. Определено константы сополимеризации, а также вероятность чередование мономерных звеньев.

Электронно-микроскопические исследования сополимеров

Электронно-микроскопические исследования сополимеров. Синтез многофункциональных полимеров на основе...

Ранее сотрудниками кафедры химии полимеров Национального Университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека были синтезированы пористые...

Особенности фазового разделения в водных растворах...

В данной работе исследовано влияние ПАК на термочувствительное поведение СПЛ ГЭА-БА в водных растворах. Экспериментальная часть. ГЭА производства фирмы «Aldrich Chemical Co» (США) с

Известно, что на взаимодействие неионного протоноакцепторного полимера с...

Проблемы лазерной прочности прозрачных полимеров и методы...

За всё время изучения полимеров и их композитов в лазерной технике было изучено огромное их количество.

В работе [6] авторы ввели в образец этанол и эфиры о-фталевой кислоты добились увеличения лазерной стойкости.

Похожие статьи

Электропроводность ( ), вклад электронной ( ) проводимости...

Определены значения электропроводности композитов и вклад электронной проводимости в общую проводимость.

Электропроводящие полимеры (полиацетилен, полианилин, полипиррол, полифенилен и др.) известны уже несколько десятков лет, и до настоящего...

Набухание и механические свойства гидрогелей на основе...

Гидрогели полиакриловой кислоты (ПАК) получали методом радикальной сополимеризации мономеров акриловой кислоты (АК) (SIGMAALDRICH, 99 %) со сшивателем — N, N’-метиленбисакриламидом (МБАА) (SIGMAALDRICH, 98 %) в водных растворах АК.

Исследование электрических свойств композитного углеродного...

Композитный полимерный материал (КМ) представляет собой неметаллическую матрицу с внедренным в нее наполнителем (упрочнителем).

Исследования электропроводящих свойств практически не представлены. В работе приводятся исследования электропроводности...

Влияние липосомальной формы липоевой кислоты на...

Показано, что «пустые» фосфатидилхолиновые липосомы и в значительной степени липосомы содержащие α-липоевую кислоту, препятствуют повышению гранулярности тромбоцитов, вызванной арахидоновой кислотой. Используя метод проточной цитофлюометрии обнаружено...

Твердые полимерные электролиты для топливных элементов

Углеродный носитель должен иметь высокую электронную проводимость. Кроме того, его пористая структура должна позволять реагентам и

Галлямов М. О., Хохлов А. Р. Топливные элементы с полимерной мембраной: Материалы к курсу по основам топливных элементов.

Исследование радикальной сополимеризации гетероциклических...

Изучена кинетики радикальной сополимеризации гетероциклических эфиров метакриловых кислот со стиролом при малых конверсиях. Определено константы сополимеризации, а также вероятность чередование мономерных звеньев.

Электронно-микроскопические исследования сополимеров

Электронно-микроскопические исследования сополимеров. Синтез многофункциональных полимеров на основе...

Ранее сотрудниками кафедры химии полимеров Национального Университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека были синтезированы пористые...

Особенности фазового разделения в водных растворах...

В данной работе исследовано влияние ПАК на термочувствительное поведение СПЛ ГЭА-БА в водных растворах. Экспериментальная часть. ГЭА производства фирмы «Aldrich Chemical Co» (США) с

Известно, что на взаимодействие неионного протоноакцепторного полимера с...

Проблемы лазерной прочности прозрачных полимеров и методы...

За всё время изучения полимеров и их композитов в лазерной технике было изучено огромное их количество.

В работе [6] авторы ввели в образец этанол и эфиры о-фталевой кислоты добились увеличения лазерной стойкости.

Задать вопрос