鄭建華，黃自成，張椿英

（安徽信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

功能導(dǎo)電新材料的制備及應(yīng)用探討

鄭建華，黃自成，張椿英

（安徽信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

生物技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的代表，在應(yīng)用生物技術(shù)的過程中，需要把生物材料固定到傳感器的表面.傳統(tǒng)的固定方式會影響生物技術(shù)的效能，使傳感器無法感應(yīng)到生物材料的化學(xué)構(gòu)成.為了應(yīng)對上述問題，需要制備功能導(dǎo)電新材料.本文將具體探討功能導(dǎo)電新材料的制備及應(yīng)用，希望能為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一些參考.

功能導(dǎo)電；新材料制備；分析應(yīng)用

引言：進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國的社會主義市場經(jīng)濟(jì)持續(xù)繁榮，生物技術(shù)取得了一系列顯著成就.在測定生物分子的過程中，需要將材料固定在傳感器上，進(jìn)行試劑滴凃.在生物材料上滴凃試劑后，試劑會和生物材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使生物材料的活性下降.為了保證生物分子的物理性能，必須使用新的固定材料，取代傳統(tǒng)試劑.在此背景下，研究功能導(dǎo)電新材料的制備和分析應(yīng)用勢在必行.

1 導(dǎo)電聚合物概述

1.1 內(nèi)涵

所謂的導(dǎo)電聚合物，就是具有導(dǎo)電性質(zhì)的聚合物.導(dǎo)電聚合物中有大量的高分子，根據(jù)分子組合結(jié)構(gòu)的不同，又可以將導(dǎo)電聚合物分為復(fù)合導(dǎo)電聚合物和結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物.復(fù)合導(dǎo)電聚合物以高分子材料作為基礎(chǔ)，在高分子材料中注入導(dǎo)電材料以后，高分子材料具有導(dǎo)電性能，形成復(fù)合材料.從這個角度來看，復(fù)合導(dǎo)電聚合物是兩類材料的集合[1].導(dǎo)電材料包括石墨、炭黑等等，這些材料都具有較好的導(dǎo)電性能，可以增強(qiáng)復(fù)合材料的物理特性.結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物以導(dǎo)電顆粒作為基礎(chǔ)，集成了大量導(dǎo)電材料粉末，這些導(dǎo)電材料粉末組合成不同的共聚結(jié)構(gòu)，形成了新的聚合物.復(fù)合導(dǎo)電聚合物和結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物的構(gòu)成方式不同，導(dǎo)電性能也呈現(xiàn)出較大的差異.此外，復(fù)合導(dǎo)電聚合物的構(gòu)成較為簡單，結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物的構(gòu)成相對復(fù)雜.復(fù)合導(dǎo)電聚合物的性價比更高，其應(yīng)用范圍更加廣泛.

1.2 導(dǎo)電理論

復(fù)合導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電理論相對豐富，就目前來看，復(fù)合導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電理論分為以下兩種：第一種是導(dǎo)電通道理論.導(dǎo)電通道是指聚合物組合在一起，形成了一個導(dǎo)電通道，可以實(shí)現(xiàn)電流的雙向傳送.第二種是微觀量子理論.微觀量子是指復(fù)合聚合物在導(dǎo)電過程中會產(chǎn)生大量的微觀量子，而這些微觀量子是承載電流的主體.導(dǎo)電通道理論立足于復(fù)合導(dǎo)電聚合物的電流生成，而微觀量子理論立足于復(fù)合導(dǎo)電聚合物的電流組織.

1.3 制備方法

導(dǎo)電聚合物的制備方法分為以下兩種：第一種是化學(xué)制備方法，第二種是電化學(xué)制備方法.上述兩種方法都可以使材料具備導(dǎo)電的形成，下文將進(jìn)行分別闡述.

首先是導(dǎo)電聚合物的化學(xué)制備方法.化學(xué)制備方法依托各種化學(xué)試劑和化學(xué)材料，當(dāng)材料和化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)，就會使材料具備導(dǎo)電特性.化學(xué)制備方法又被細(xì)分為兩種：第一種是直接聚合方法，第二種是間接聚合方法.直接聚合方法是指不通過其他反應(yīng)試劑，直接把材料和導(dǎo)電材料融合在一起.間接聚合方法是指將導(dǎo)電材料、原材料和反應(yīng)試劑融合在一起，再通過異構(gòu)化反應(yīng)進(jìn)行分離.將兩種聚合方法進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)直接聚合法的溶解度較低，導(dǎo)電聚合物的性能并不穩(wěn)定.間接聚合法的溶解度相對較高，導(dǎo)電聚合物的強(qiáng)度相對較高.化學(xué)試劑容易受到外部環(huán)境的影響，因此化學(xué)制備方法存在不穩(wěn)定性.當(dāng)外界溫度過高、或者是試劑受到污染，化學(xué)制備方法的實(shí)效性將無法發(fā)揮.

其次是導(dǎo)電聚合物的電化學(xué)制備方法.電化學(xué)制備方法是在電流作用下制備導(dǎo)電聚合物.在應(yīng)用這種制備方法時，需要應(yīng)用內(nèi)含電解質(zhì)的化學(xué)溶劑，并把原材料放入化學(xué)溶劑中.在電解質(zhì)作用下，原材料的表面會生成一層薄膜，而薄膜就具有導(dǎo)電性質(zhì).電化學(xué)制備方法可以細(xì)分為以下幾種：第一種是電流制備方法、第二種是電位制備方法、第三種是脈沖制備方法.與化學(xué)制備方法相比，電化學(xué)制備方法的操作流程更加便捷.同時，電化學(xué)設(shè)備具有良好的化學(xué)性能，其生成的導(dǎo)電聚合物純度較高，可逆性優(yōu)良.值得注意的是，電化學(xué)制備方法相對昂貴，難以進(jìn)行大規(guī)模導(dǎo)電聚合物生產(chǎn).

1.4 發(fā)展方向

我國的經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，導(dǎo)電聚合物的制作流程更加便捷.就目前來看，我國的導(dǎo)電聚合物兼具良好的物理性能和化學(xué)性能.就物理性能來看，導(dǎo)電聚合物的彈性限度較大、自重相對較輕、可變性較強(qiáng)、抵抗能力也比較強(qiáng)、就化學(xué)性能來看，導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率范圍寬泛，分子轉(zhuǎn)換容易、和其他材料的溶解度高.由于導(dǎo)電聚合物具有突出的功能價值，其在社會各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛.

與其他材料相比，導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電率更高，因此導(dǎo)電聚合物被應(yīng)用在電子工程等行業(yè)，收獲了良好的應(yīng)用效果.導(dǎo)電聚合物的分子結(jié)構(gòu)式并不固定，在應(yīng)用導(dǎo)電聚合物時可以改變分子結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)電聚合物達(dá)到理想形態(tài).導(dǎo)電聚合物不僅能用來屏蔽電磁干擾、傳輸電流，還能合成電池、吸收電信號.近幾年來，我國的科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，使導(dǎo)電聚合物的整體性能更加良好.學(xué)者們將導(dǎo)電聚合物和其他技術(shù)融合在一起，實(shí)現(xiàn)了元素的跨界組合和不同材料的共聚.

在生物技術(shù)領(lǐng)域，導(dǎo)電聚合物發(fā)揮著重要作用.將導(dǎo)電聚合物應(yīng)用在傳感器中，可以迅速接收傳遞傳感信號，促進(jìn)電荷之間的傳遞.導(dǎo)電聚合物不僅能使傳感器的導(dǎo)電性能更加突出，還可以加快信號傳遞的速度，形成納米薄膜.由于導(dǎo)電聚合物的實(shí)用價值較高，其與生物技術(shù)的融合日益緊密，帶動了導(dǎo)電聚合物的快速發(fā)展.

2 功能導(dǎo)電新材料的制備與合成

2.1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)

為了制備功能導(dǎo)電新材料，需要進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)研究包括以下幾點(diǎn)：第一，是對功能導(dǎo)電新材料的制備環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，控制實(shí)驗(yàn)溫度.同時對導(dǎo)電單體和導(dǎo)電聚合物的性質(zhì)進(jìn)行分析，探討功能導(dǎo)電新材料的表面特征.第二，對功能導(dǎo)電新材料的活性進(jìn)行評價，分析反應(yīng)器數(shù)據(jù)[2].催化乙酸和其他試劑在發(fā)生模型反應(yīng)時需要介入離子液體，此時需要對離子液體的劑量進(jìn)行控制，并對反應(yīng)物進(jìn)行不定時觀察.第三，對生物傳感器進(jìn)行強(qiáng)化.導(dǎo)電聚合物對生物傳感器具有重要作用，因此可以將導(dǎo)電聚合物應(yīng)用在傳感器中，形成穩(wěn)固的導(dǎo)電薄膜.

在實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)該做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，備齊試劑和設(shè)備.化學(xué)試劑包括碳酸氫鈉、氫氧化鈉、甲苯磺酸、氨基苯甲酸、乙醇等等.化學(xué)設(shè)備包括計量天平、數(shù)據(jù)分析儀器、光度計、干燥機(jī)器等等.

2.2 材料制備

在進(jìn)行功能導(dǎo)電新材料制備時，實(shí)驗(yàn)流程如下所示：首先要合成噻吩二酮，其化學(xué)反應(yīng)如圖1所示.在燒杯中注入250毫升的滴液，并在滴液中注入導(dǎo)電材料，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?在攪拌完成之后，需要注入4.8毫升的噻吩和2.75毫升的丁二酰氯.當(dāng)材料充分混合后，可以把試液注入到燒瓶之中.經(jīng)過一段時間，可以發(fā)現(xiàn)試液的顏色發(fā)生轉(zhuǎn)變，從之前的無色轉(zhuǎn)換為亮紅，最后變?yōu)樯罴t.化學(xué)反應(yīng)停止，可以將溶液注入到冰水中進(jìn)行冷卻.冷卻后的容易分為兩層，兩層溶液呈不同顏色：上層溶液的顏色為黃色，而下層溶液的顏色為綠色.在觀察分層后，可以注入濃鹽酸去除水分，并重復(fù)進(jìn)行脫水步驟.當(dāng)溶液徹底干燥，需要對其中的有機(jī)體進(jìn)行真空處理，此時溶液已經(jīng)轉(zhuǎn)換為晶狀固體.固體真空干燥后，可以進(jìn)行抽濾工作，直到獲得白色晶狀體.

圖1 噻吩二酮合成化學(xué)反應(yīng)

其次要合成苯烷基氰基二酮，其化學(xué)反應(yīng)如圖2所示.這一實(shí)驗(yàn)步驟和上述實(shí)驗(yàn)具有相似之處.在燒杯中注入250毫升的滴液，然后在滴液中注入氨基苯腈、噻吩等化學(xué)試劑，并向其中注入氮?dú)鈁3].在化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)之后，應(yīng)該對液體進(jìn)行加熱，指導(dǎo)液體顏色轉(zhuǎn)為墨綠.化學(xué)反應(yīng)結(jié)束之后，需要對液體進(jìn)行干燥真空處理.待液體干燥后，可以得到苯烷基氰基二酮固體.

圖2 苯烷基氰基二酮的化學(xué)反應(yīng)

再次要合成噻吩苯基烷基酸，其化學(xué)反應(yīng)如圖3所示.在燒杯中注入250毫升的滴液，并將氫氧化鉀、乙醇等化學(xué)試液注入燒杯，可以發(fā)現(xiàn)試液發(fā)生化學(xué)作用.對混合液體進(jìn)行加熱，液體發(fā)生顏色變化.在化學(xué)反應(yīng)結(jié)束之后，需要對液體進(jìn)行降溫處理，并應(yīng)用鹽酸溶液進(jìn)行酸堿度調(diào)和.等到液體降溫完畢，可以將其注入到離子水中，此時液體已經(jīng)得到固化.對固體進(jìn)行干燥真空處理，最終可以得到噻吩苯基烷基酸結(jié)晶體.

圖3 噻吩苯基烷基酸的化學(xué)反應(yīng)

2.3 合成條件

在功能導(dǎo)電新材料的制備過程中，合成條件非常重要，只有對合成條件進(jìn)行不斷優(yōu)化，才能提高材料制備的效率.功能導(dǎo)電新材料制備容易受到外部條件的影響，因此需要對溫度條件、時間條件、化學(xué)試劑條件等進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整.

首先是催化劑條件.為了讓不同試液快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，需要應(yīng)用催化劑.催化劑不僅能加快試液反應(yīng)速度，還能突出電解質(zhì)的導(dǎo)電性能.在傳統(tǒng)功能導(dǎo)電新材料的制備中，經(jīng)常應(yīng)用三氯化鋁作為催化劑.和其他的催化劑相比，三氯化鋁的分子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，而且物美價廉，可以壓縮實(shí)驗(yàn)成本.在對丁二酰氯和噻吩進(jìn)行混合時，發(fā)現(xiàn)三氯化鋁的催化度并不高，這是因?yàn)榇呋瘎┑挠昧坑惺H.如果三氯化鋁劑量超標(biāo)，就會增加噻吩攻擊能力，阻礙功能導(dǎo)電新材料的制備工作[4].如果三氯化鋁過少，就會減慢試劑的化學(xué)作用，降低材料的活性.因此在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)該把三氯化鋁的實(shí)際用量和理論用量控制在1:1.2左右.此外，催化劑的種類也會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響.除了三氯化鋁之外，還需要采用有機(jī)質(zhì)子酸進(jìn)行催化.甲酸和乙酸的催化時間比較長，甲苯磺酸的催化時間比較短.因此為了提高催化效率，需要擴(kuò)大甲苯磺酸的使用范圍.

其次是溫度條件.實(shí)驗(yàn)溫度會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成重大影響.很多實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)需要進(jìn)行高溫加熱，還有一些實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要進(jìn)行真空冷卻.在噻吩酰基發(fā)生作用的過程中，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)溫度不同，化學(xué)試液的反應(yīng)結(jié)果也不盡相同.當(dāng)溫度大于10攝氏度，溶液中開始生成固定，當(dāng)溫度持續(xù)升高，固體會阻礙化學(xué)試液繼續(xù)發(fā)生反應(yīng).當(dāng)溫度在0攝氏度到5攝氏度之間，基本不會生成其他固體.因此需要嚴(yán)格將實(shí)驗(yàn)室溫度控制在0到5攝氏度之內(nèi).

再次是時間條件.不同試液發(fā)生反應(yīng)的時間長短，也會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響.在向燒杯中的滴液注入其他化學(xué)溶液之后，試液會發(fā)生化學(xué)反應(yīng).一般來說，在初期反應(yīng)的1到4小時之內(nèi)，試液反應(yīng)都比較明顯.但是如果延長化學(xué)試液的反應(yīng)時間，或者是過快滴入試液，就會加大散熱難度.從這個角度來看，必須把實(shí)驗(yàn)的時間控制在5小時左右.

最后是觀測設(shè)備.從某個角度來看，觀測設(shè)備的質(zhì)量直接關(guān)系著實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，因此需要對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化.以計量天平為例，在配制試液的過程中，需要嚴(yán)格控制試液的劑量.以光度計為例，在試液發(fā)生反應(yīng)的過程中，需要分析溶液的顏色和光度[5].以干燥器為例，在對試液進(jìn)行固化處理時，需要實(shí)現(xiàn)對干燥器進(jìn)行清洗.

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)之后，可以得到以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：第一，在合成功能導(dǎo)電新材料的過程中，需要進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，得到不同的晶體結(jié)構(gòu).晶體結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)電功能基因也呈現(xiàn)出較大的差異性.第二，在進(jìn)行功能導(dǎo)電新材料配備時，需要優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，如催化劑條件、溫度條件、時間條件等等.第三，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，需要使用紅外線設(shè)備、傳感器設(shè)備等進(jìn)行表征分析.第四，氧化膜具有較強(qiáng)的導(dǎo)電作用，說明制備的功能導(dǎo)電新材料具有良好導(dǎo)電性能.

結(jié)論：綜上所述，我國的經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展，生物技術(shù)水平不斷提升，在應(yīng)用生物技術(shù)的過程中，需要把生物材料固定到傳感器的表面.在生物材料上滴凃試劑后，試劑會和生物材料發(fā)生化學(xué)反映，使生物材料的活性下降.為了保證生物分子的物理性能，必須使用新的固定材料，提高功能導(dǎo)電新材料的制備效率.

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2017-10-06