Polyanilin

Das Polyanilin, abgekürzt PAni, ist ein Polymer, und zwar ein leitfähiges Polymer, welches kommerziell uneingeschränkt hergestellt und erworben werden kann. Es findet v.a. Anwendung in der Endbeschichtung von Leiterplatten^[3] und im Korrosionsschutz^[4]. Polyanilin wird auch als „intrinsisch leitfähiges Polymer“ (ICP), also selbstleitend, bezeichnet, weil es in seiner Salzform ohne weitere Zusätze leitend ist. Polyanilin wird unter Handelsnamen wie ORMECON gehandelt. Diese Produkte weisen sogar metallische Eigenschaften auf, weshalb PAni auch als "Organisches Metall" bezeichnet wird. Die Verarbeitung (und Anwendung) von PAni geschieht ausschließlich durch Dispersion.

Klassifizierung

Polyanilin ist ein Radikal-Kation-Salz eines konjugierten Polymers mit oxidativ gekuppelten Anilineinheiten und einer Säure. Zudem unterscheiden sich Farbe und Eigenschaften des Polyanilins je nach Oxidationszustand, dabei sind im Wesentlichen drei wichtige zu unterscheiden:

• Leicht gelblicher bzw farbloser Oxidationsstatus: reduzierte Form des stabilen „grünen Polymers“, wird an Luft schnell wieder oxidiert; nicht-leitend.
• Grüner Oxidationsstatus: Die stabilste Form des Polymers. Diese Oxidationsform ist die eigentlich gehandelte und verwendete Oxidationsstufe des Polyanilin; leitend bzw. sogar organisches Metall.
• Blauer Oxidationsstatus: ebenfalls stabile Form des Polymers, neutrale nicht-leitende Form (kann aus der "grünen" Form des PAni durch Neutralisation mit Basen gewonnen werden.

Reaktionsmechanismus/Herstellung

Das Polyanilin wird durch den Reaktionsmechanismus der radikalischen Polymerisation hergestellt, es wird also neben Lösungsmitteln und Lösungsvermittlern, wie Natriumdodecylsulfat, ein Radikalbildner verwendet (z. B. Dibenzoylperoxid), welche die delokalisierte Elektronenstruktur des Anilins paraständig „angreifen“ und das Radikal letztendlich von der Aminogruppe aus einen Angriff auf ein anderes Anilin startet,welches ebenfalls paraständig eine π-Bindung vom Stickstoff der Aminogruppe zu einem Kohlenstoffatom eines anderen Anilins bildet. Das Radikal wandert dann weiter zu der Aminogruppe des eben angegriffenen Anilins und der Prozess wiederholt sich. Die dadurch entstehende Kettenlänge des Polymers ist abhängig von der Höhe der Temperatur und der Startkonzentration des Radikalbildners, die bei der ca. 24 Stunden andauerenden Polymerisation verwendet wird. Am Ende des Polymerisates wird das Radikal abgesättigt.

Allgemein gilt:

• Je höher die Temperatur (ca. 220 °C) und die Konzentration der Startersubstanz (Radikalbildner) ist, desto kürzer wird die durchschnittliche Kettenlänge des Polymers.
• Je niedriger die Temperatur (20–100 °C) und die Konzentration der Startersubstanz ist, desto länger wird die durchschnittliche Kettenlänge des Polymers.

Abhängigkeit von Morphologie, Struktur und Leitfähigkeit

Trotz nahezu 30 Jahre währender Forschung ist es noch nicht gelungen aufzuklären, welche Struktur des Polyanilins (und ganz allgemein: welche Strukturprinzipien bei leitfähigen Polymeren überhaupt) vorteilhaft bzw. entscheidend für hohe Leitfähigkeit sind. Generell wird angenommen, dass hohe Kristallinität und lineare Anordnung von Ketten (Fibrillen) hohe Leitfähigkeit ermöglicht, zumindest aber für die technisch / kommerziell relevanten leitfähigen Polymere wie PEDOT und Polyanilin konnte dies nicht bestätigt werden, sie sind weitgehend amorph und zeigen für Leitfähigkeitsunterschiede von einem Faktor 1000 und mehr keine Unterschiede in der Kristallinität.

Eine kürzliche erschienene Arbeit von B. Wessling^[5] schlägt eine neuartige Interpretation der experimentellen Daten vor. Hiernach besteht PAni vorwiegend aus relativ kurzen Kettensegmenten, die helical sind; durch fortgeschrittene Dispersionstechniken werden diese Helixelemente zu längeren und miteinander in Korrelation stehenden Helices angeordnet.

Literatur

• Handbook of Conducting Polymers, 2nd ed.;. Marcel Dekker, Inc.: New York, NY, USA, 1998.
• Li-Ming Huanga, Cheng-Hou Chena and Ten-Chin Wen: Development and characterization of flexible electrochromic devices based on polyaniline and poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonic acid). National Cheng Kung University Taiwan, 2006, doi:10.1016/j.electacta.2006.03.031.
• Wessling, Bernhard: New insight into Organic Metal Polyaniline Morphology and Structure. http://www.mdpi.com/2073-4360/2/4/786/
• J. Stejskal, R .G .Gilbert: Polyaniline. Preparation of a conducting polymer (IUPAC technical report). In: Pure and Applied Chemistry. 74, Nr. 5, 2002, S. 857–868, doi:10.1351/pac200274050857.

Weblinks

• Alexander Kraft, Matthias Rottmann: Intelligente Fenster und automatisch abblendbare Spiegel: Die Elektrochromie macht's möglich. Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh), 29. März 2006, abgerufen am 14. April 2010.

Einzelnachweise