《Polymer Degradation and Stability》：Heat and Temperature Dependent Stability Studies of Chemically Synthesized Polyaniline and Evalutation of its Thermal Degradation Behaviour
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本研究通过化学氧化聚合成功制备聚苯胺（PAni），采用FT-IR证实其含特征胺和亚胺基团，并分析苯环与醌式结构比例。通过不同升温速率的热重分析（TGA）结合Coats-Redfern动力学模型，计算了活化能、焓变等热力学参数，揭示了温度与升温速率对降解行为的影响。扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDX）表征了材料表面形貌及元素组成，证实含C、N、Cl元素。
V.N. Kowshalya|J. Dominic|S. Chitra Devi|Muzaffar Iqbal|Raghavendra G Amachawadi|Shiva Prasad Kollur
印度泰米尔纳德邦埃罗德市佩伦杜赖市Kongu工程学院化学系环境研究中心，邮编638 060
摘要
通过使用过硫酸铵作为氧化剂，成功合成了聚苯胺。通过FT-IR光谱法分析了合成聚合物的化学结构，证实了其中存在特征性的胺基（-NH-）和亚胺基（–N=）官能团，并确定了苯环结构和醌环结构单元的比例。通过在10至50°C/min的加热速率下进行热重分析，评估了该材料的热稳定性和降解行为。利用Coats-Redfern动力学模型对热分解数据进行了解释，计算出了关键的热力学参数，包括活化能、焓变（ΔH）、熵变（ΔS）和吉布斯自由能（ΔG）。此外，使用扫描电子显微镜研究了聚合物的表面形态，而能量分散X射线分析则确认了聚合物基体的元素组成，发现其中含有碳、氮和氯元素。热重分析表明，该材料在三个不同的温度区域发生降解。同时，通过动力学和热力学研究展示了温度和加热速率对降解过程的影响。
引言
聚苯胺（PAni）因其简单的合成方法、环境兼容性和优异的电学性能而被认为是最重要的导电聚合物之一[1]。与其他导电聚合物（如聚吡咯和聚噻吩）相比，PAni可以在温和条件下使用廉价试剂合成，这使其在实验室规模和工业应用中都具有吸引力。其化学稳定性、较高的导电性和可逆的氧化还原行为进一步提升了其在导电聚合物体系中的重要性。由于这些有利特性，聚苯胺已被广泛应用于多种领域[2]。它常被用作电子元件中的导电材料，并因其对环境变化的敏感性而在化学和生物传感器中展现出巨大潜力[3]。PAni还应用于电磁干扰屏蔽[4]和光学设备中，得益于其独特的电学和光学特性[5]。在储能领域[6]，由于其高赝电容，PAni被广泛研究作为超级电容器的电极材料[7]。此外，它还在防腐涂层[8]和去除受污染水中的重金属离子[9]方面表现出有效性，体现了其多功能性。
聚苯胺的另一个重要优点是其相对较高的热稳定性，这使得它能够在高温下保持结构完整性和功能性能，这对于涉及热应力的应用至关重要。PAni的热行为受其合成方法、分子结构和掺杂条件的强烈影响[9]。
已经报道了许多制备聚苯胺的合成技术，包括溶液聚合、复分解聚合、自组装、声化学和模板辅助方法、酶促聚合、光诱导聚合、等离子体聚合、界面聚合和种子聚合[10]。其中，化学氧化聚合因其简单性、高产率和能够生成具有明确形态的聚合物而成为最实用和广泛应用的方法。在这一方法中使用了多种氧化剂，其中过硫酸铵特别有效，因为它具有强氧化性并且能够促进聚合物的均匀生长[11]。从结构上看，聚苯胺由交替的醌环（Q）和苯环（B）单元组成，这两种单元的比例对聚合物的电导率和其他物理性质起着关键作用。Q/B比例的变化会显著改变聚合物的电荷传输机制、光学行为和稳定性[12]。此外，聚合过程中使用的掺杂类型和程度也会显著影响PAni的导电性、热稳定性和表面形态。化学聚合中使用的酸性介质还会影响质子化程度，从而直接影响聚合物的导电性能[13]。
一些以环境为导向的研究强调了物理化学方法在水和废水处理中的重要性，这些方法通过混凝、过滤、吸附和氧化等过程去除各种污染物[14]。这些处理技术虽然改善了水质，但也产生了大量的污泥作为副产品[15]。这些污泥主要含有无机物质、化学残留物以及从水中去除的污染物[16]。与主要含有有机物和微生物生物质的生物污泥不同，污泥的成分有所不同。不当处理污泥可能导致土壤污染和水污染等环境问题[17]。然而，污泥中也含有可再利用的有用营养物质和矿物质[18]。回收这些资源有助于减少废物并支持可持续管理实践[19]。零废物排放的概念旨在最小化废物产生同时最大化资源回收[20]。重新利用处理过的污泥有助于环境保护和资源保护[21]。因此，改进污泥管理和先进处理技术对于确保安全和有效的再利用至关重要[22]。
本研究的新颖之处在于建立了聚苯胺的热性质与其醌环与苯环比例（Q/B）之间的直接关联。虽然之前的研究分别探讨了PAni的热行为和结构方面，但迄今为止尚未有系统地将热降解特性与Q/B比例联系起来的分析。因此，这项工作为了解结构变化如何影响聚苯胺的热稳定性提供了新的见解，为改进其性能以适应高级功能应用提供了有价值的指导。
材料与方法
苯胺、过硫酸铵和盐酸均从印度的Sigma-Aldrich公司购买。所有试剂均直接用于合成过程，无需额外纯化，所有实验程序均使用Milli-Q级水。
聚苯胺的合成
以苯胺为单体，过硫酸铵作为氧化剂，两者的摩尔比为1:1.125[23]。将苯胺溶液放入圆底烧瓶中，然后逐渐加入氧化剂溶液
不同温度下聚苯胺的FT-IR分析
在100、350和500°C下记录的聚苯胺（PAni）的FT-IR光谱显示，随着温度的升高，峰位和强度发生了明显变化，表明聚合物结构发生了热改性，如图1所示，光谱值列于表1中。3444至3424 cm?1范围内的宽吸收带归因于胺基的N–H伸缩振动，轻微的位移表明加热过程中氢键减弱[25]。
结论
通过使用过硫酸铵作为氧化剂，成功合成了聚苯胺（PAni），并系统地评估了其关键性质。FT-IR分析证实了胺基和亚胺基官能团的形成，并指出了聚合物主链中苯环部分和醌环部分随温度的变化，这反映在醌环/苯环（Q/B）比例的变化上。扫描电子显微镜的结果显示
CRediT作者贡献声明
V.N. Kowshalya：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究、数据分析、概念构建。
J. Dominic：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、数据分析、数据管理。
S. Chitra Devi：数据分析、数据分析。
Muzaffar Iqbal：数据可视化、验证、软件应用、数据分析。
Raghavendra G Amachawadi：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、软件应用。
Shiva Prasad Kollur：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化。
利益冲突声明
作者声明与本工作无关的利益冲突。
致谢
作者感谢Amrita Vishwa Vidyapeetham学院（迈索尔校区）提供的仪器和基础设施支持。同时，作者感谢沙特阿拉伯利雅得国王沙特大学的正在进行的研究资助计划（ORF-2026-734）的支持。
