[发明专利]分步控温法合成一维聚苯胺纳米结构

说明书

本发明涉及一种通过分步控温的途径制备高纯度一维聚苯胺纳米结构的化学方法。在合成一维聚苯胺纳米结构的方法中，自组装法最有可能被应用于大规模的工业生产，但是该方法的技术不稳定，极大地阻障了这种材料的开发和应用。本发明的技术方案是在二元或三元强酸为主的溶液中加入其他种类的酸构成混合酸体系，在该混合酸体系中，分别控制苯胺(或苯胺衍生物)单体与酸发生的酸碱反应的温度和苯胺(或苯胺衍生物)聚合反应的温度，通过化学氧化聚合的方式得到一维的聚苯胺纳米结构。一维导电聚苯胺纳米纤维或纳米管在传感器、吸波材料、电子器件、能源存储、涂料、催化和环境保护等领域的应用前景十分广阔。

技术领域

本发明涉及一种合成高纯度一维聚苯胺纳米结构的化学方法。

背景技术

由于具有电导率变化范围宽、比表面积大、结构多样化、环境稳定性好、成本低、容易合成等特点，导电聚苯胺一维纳米纤维或纳米管在传感器、吸波材料、电子器件、能源存储、涂料、催化和环境保护等领域有潜在的用途，引起了人们的广泛兴趣。一维聚苯胺纳米结构的制备方法有模板法、静电纺丝法、界面聚合法、化学自组装法、现场吸附聚合法、电化学法等。在这些方法中，化学自组装法不需要特殊的设备，聚合反应时也不需要有机溶剂，工艺简单，对环境友好，而且可以大批量的合成，所以更有可能在工业生产中得到应用。但是化学自组装法存在可重复性比较差，以及产品的微观形貌不均匀性的问题，所以需要发展能获得纳米结构含量高的稳定可靠的制备工艺。化学自组装法主要通过采用不同种类的酸控制聚合前胶束的微观状态来合成一维的聚苯胺纳米结构。文献中已经报道的酸有盐酸、硫酸、磷酸、氢氟酸、高氯酸、对甲基苯磺酸、樟脑磺酸、聚丙烯酸、甲酸、草酸、氨基乙酸、乙二胺四乙酸、三氟乙酸、柠檬酸、萘磺酸等。其中，以磷酸或硫酸为掺杂剂时，产物的导电性高，产物的纤维形貌十分规则和完整，纤维在整个样品中的含量也比较高，纤维有较强的刚性，纤维无缠绕且长径比大。但是，文献中没有详细探讨化学自组装法的制备工艺，对该过程的机理缺乏深入的研究，结果的可重复性等问题极大地阻障了后续的研究和开发。常温下，硫酸或磷酸与苯胺单体很快发生酸碱中和反应，并形成白色沉淀。实验结果表明，在该白色沉淀快速形成的条件下，获得的聚苯胺很大一部分不是纤维形貌，即该白色沉淀不利于苯胺聚合前“纤维模板”的形成。为了获得高纯度的聚苯胺纳米纤维并探索其稳定可控的制备工艺，白色沉淀的干扰问题必须克服。降低白色沉淀的形成速度有利于控制产物的微观形貌，所以考虑用其他种类的酸部分代替磷酸或硫酸，形成含量更少的磷酸或硫酸/苯胺盐的中间过程来制备一维聚苯胺纳米结构。

此外，该白色沉淀的形成与中和反应时的温度有关，体系中酸的种类和含量一定的时候，析出白色沉淀的温度是一定的，在这个温度以上时没有沉淀，所以避免白色沉淀干扰的另一个有效措施是控制酸和苯胺单体反应的温度，即酸碱中和反应的温度应大于白色沉淀的析出温度。本发明综合考虑以上两个影响白色沉淀的关键因素，选择适当的溶剂和复合酸，摸索出了合成高纯度一维聚苯胺纳米结构的分步控温法。与其他技术相比，该方法具有工艺稳定、重现性好、产率高、产品纯度高、工艺过程无毒、步骤少、没有特殊设备、导电性可调节、尺寸可控和微观结构可控等优点。

发明内容