CN101215418A - 聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备方法,工艺步骤如下:向去离子水中加入凹凸棒土原料制成浆料;在不断搅拌的条件下,向浆料中加入苯胺,再加入无机酸,氧化剂溶液进行氧化聚合,制得无机酸掺杂的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料;再对无机酸掺杂的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料进行脱杂,然后抽滤,并用去离子水洗至滤液呈无色中性,得到本征态聚苯胺/凹凸棒土纳米复合材料;重新分散在水中形成浆体,然后在浆中加入有机酸进行再掺杂;再进行抽滤,并用去离子水洗去游离的有机酸,置于40~80℃下干燥,最后经粉碎得到墨绿色粉体。本发明降低了制造成本,而且制备出的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料性能更加优异。
Description
技术领域
本发明涉及导电复合材料领域的制备领域,具体地说,涉及一种聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备方法。
背景技术
聚苯胺(PANI)具有结构多样化、掺杂态和未掺杂的环境稳定性好、易于合成、物理性能优异、单体廉价易得等优点,特别是它具有独特的质子酸掺杂机制和优良的导电性能,被认为是最有实际应用前景的导电聚合物之一。但是,聚苯胺综合力学性能差、溶解性和可熔性极差及流变性能不良的缺点使其难于采用传统成型加工的方法,这就严重妨碍了其在各个领域的大规模推广应用。因此,如何改进聚苯胺的加工性能是促进聚苯胺实用化的关键。为此人们进行了不懈的努力,发现聚苯胺与无机材料的复合改性技术可以克服其加工性差的缺点,并获得具有多种功能性的复合材料,这些功能材料可广泛应用于电导、磁导、电显示、静电屏蔽、微波吸收、金属防腐及光催化等领域。
聚苯胺/无机纳米导电复合材料的制备方法有电化学合成法、原位聚合法、乳液聚合法和共混法等。其中,化学氧化原位聚合法因工业运用方便而得到广泛采用。例如:中国专利ZL 200510023159.6提出在硅藻土表面经一步原位氧化聚合苯胺制备无机酸掺杂的纤维状聚苯胺/硅藻土纳米导电复合材料,但无机酸掺杂的纳米导电复合材料的热稳定性欠佳,其导电性能会随时间延长而逐渐变差。中国专利ZL 200510095422.2提出在钛酸钾等晶须上包覆经原位聚合的聚苯胺制备导电晶须,其无机酸掺杂的导电晶须同样存在导电性能逐渐下降的缺点,而有机酸掺杂的导电晶须存在掺杂量偏大的问题。中国专利ZL 200510057168.7提出在无机氧化物导电粉上包覆经原位聚合的聚苯胺制备导电高分子复合材料,但加入的苯胺量和掺杂酸量均太大,成本昂贵。为了使聚苯胺/无机纳米导电复合材料的耐热性能有较大提高,掺杂酸(特别是昂贵的有机酸)用量大大减少,同时具有优异的导电性能,本发明采用“掺杂-脱杂-再掺杂”工艺制备了有机酸掺杂的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料。
凹凸棒土是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物,其晶体呈针状、纤维状集合体,单根纤维晶的直径在20nm左右,长度可达几个μm,是一种天然的一维纳米材料。目前,以纳米凹凸棒土为核体,采用“掺杂-脱杂-再掺杂”工艺制备导电性优异的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备方法,该方法降低了制造成本,而且制备出的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料具有良好的导电性和热稳定性。
实现上述目的的技术方案是:一种聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备方法,工艺步骤如下:
1)凹凸棒土浆料的制备:向去离子水中加入凹凸棒土原料,制成凹凸棒土质量占去离子水质量3%~25%的浆料;
2)无机酸掺杂聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备:在不断搅拌的条件下,向浆料中加入苯胺,苯胺质量占凹凸棒土质量的20%~80%,再向浆料中加入无机酸,无机酸与苯胺的摩尔比为3.8~15.5∶1,然后在上述浆料中缓慢滴入浓度为0.42~1.72mol/L的氧化剂溶液,氧化剂与苯胺的摩尔比为0.5~2.0∶1,氧化聚合2~24小时,聚合温度为10~60℃;
3)无机酸掺杂聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的脱杂:用脱杂剂对无机酸掺杂的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料进行脱杂,然后抽滤,并用去离子水洗至滤液呈无色中性,得到本征态聚苯胺/凹凸棒土纳米复合材料;
4)有机酸掺杂聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备:将本征态聚苯胺/凹凸棒土纳米复合材料重新分散在水中形成浆体,然后在浆体中加入有机酸进行再掺杂,有机酸与苯胺的摩尔比为0.24~1.20∶1,再掺杂时间为2~24小时,再掺杂温度为10~60℃,期间不断搅拌;
5)后处理:将有机酸掺杂所得的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料浆液抽滤,并用去离子水将游离的(即未掺杂反应的)有机酸洗去,然后置于40~80℃下干燥,经粉碎得到墨绿色粉体。
本发明中的苯胺可以是苯胺或取代的苯胺。
其中所说的氧化剂为过硫酸盐类、重铬酸盐类、碘酸盐类、溴酸盐类、氯酸盐类、亚氯酸盐类、过氧化氢和氯化铁中的一种。使用过硫酸铵作为氧化剂时,反应速度较平缓,易于控制,因此本发明优选过硫酸铵。
其中所述第2)步的无机酸为盐酸、硫酸、硝酸和磷酸中的一种。
其中所述第3)步的脱杂剂为氨水、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种。
其中所述第4)步的有机酸为对甲基苯磺酸、樟脑磺酸、磺基水杨酸、十二烷基苯磺酸、萘磺酸、二壬基萘磺酸和二丁基萘磺酸中的一种或几种。
采用上述技术方案后,将聚苯胺与凹凸棒土进行复合制备聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料可实现有机相和无机相在纳米尺度上的复合,降低纳米导电复合材料的成本,并赋予该复合材料优异的导电性能。不仅充分发挥了有机和无机材料的不同特长,又综合了纳米材料的特性,实现了优势互补。
随着时间的延长,无机酸掺杂的纳米导电复合材料的导电性会逐渐下降,故热稳定性差。本工艺对所得的无机酸掺杂聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料进行脱杂,然后再用高沸点、大分子有机酸进行再掺杂,最后得到有机酸掺杂的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料,有效提高了复合材料的热稳定性。此外,与一次性有机酸掺杂工艺相比,该工艺在较少的有机酸掺杂量下,即可得到导电性能优异的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料,从而节约了价格昂贵的有机酸用量,降低了成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明中纳米导电复合材料粉体体积电阻率的测定:在一带刻度的聚丙烯酸酯玻璃管内,放入10.0g聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料粉体,用1MPa的压力把纳米导电复合材料粉体压在两金属片之间,用万用电表测出两金属片间的电阻,根据纳米导电复合材料粉体层的厚度和截面积按下式计算纳米导电复合材料粉体的体积电阻率。
Rsp=R×A/L
式中:Rsp为体积电阻率(Ω·cm),R为实测电阻(Ω),A为玻璃管的内径截面积(cm2),L为纳米导电复合材料粉体层的高度(cm)。
实施例1:将8g凹凸棒土与50g去离子水所制成的浆料、150mL2.0mol/L的HCl溶液和2.4g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将5.9g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在20℃下搅拌氧化聚合4小时;抽滤,用1.0mol/L氨水脱杂,再用去离子水洗至滤液呈无色中性;把2.0g十二烷基苯磺酸溶于100mL去离子水中,与蓝紫色本征态聚苯胺/凹凸棒土复合材料搞成浆加入到三颈烧瓶中,于20℃下进行搅拌再掺杂,再掺杂时间为3小时;抽滤,用去离子水洗涤,于40℃烘箱中干燥,经研磨得到墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为500Ω·cm。
实施例2:实施例1中,除十二烷基苯磺酸为10.0g外,其他操作与实施例1相同。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为100Ω·cm。
实施例3:将8g凹凸棒土与32g去离子水所制成的浆料、150mL2.0mol/L的HCl溶液和1.6g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将3.9g过硫酸铵溶于20mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在20℃下搅拌氧化聚合5小时;抽滤,用2.0mol/L氨水脱杂,再用去离子水洗至滤液呈无色中性;把2.4g十二烷基苯磺酸溶于100mL去离子水中,与蓝紫色本征态聚苯胺/凹凸棒土复合材料搞成浆加入到三颈烧瓶中,于20℃下进行搅拌再掺杂,再掺杂时间为4小时;抽滤,用去离子水洗涤,于50℃烘箱中干燥,经研磨得到墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为2000Ω·cm。
实施例4:将8g凹凸棒土与267g去离子水所制成的浆料、150mL2.0mol/L的HCl溶液和6.4g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将15.7g过硫酸铵溶于80mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在20℃下搅拌氧化聚合5小时;抽滤,用2.0mol/L氨水脱杂,再用去离子水洗至滤液呈无色中性;把9.6g十二烷基苯磺酸溶于100mL去离子水中,与蓝紫色本征态聚苯胺/凹凸棒土复合材料搞成浆加入到三颈烧瓶中,于20℃下进行搅拌再掺杂,再掺杂时间为4小时;抽滤,用去离子水洗涤,于50℃烘箱中干燥,经研磨得到墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为1Ω·cm。
实施例5:将8g凹凸棒土与50g去离子水所制成的浆料、50mL2.0mol/L的HCl溶液和2.4g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将5.9g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在20℃下搅拌氧化聚合6小时;抽滤,用3.0mol/L氨水脱杂,再用去离子水洗至滤液呈无色中性;把3.6g十二烷基苯磺酸溶于100mL去离子水中,与蓝紫色本征态聚苯胺/凹凸棒土复合材料搞成浆加入到三颈烧瓶中,于20℃下进行搅拌再掺杂,再掺杂时间为5小时;抽滤,用去离子水洗涤,于60℃烘箱中干燥,经研磨得到墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为40Ω·cm。
实施例6:实施例5中,除2.0mol/L的HCl溶液为200mL外,其他操作与实施例5相同,所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为25Ω·cm。
实施例7:将8g凹凸棒土与50g去离子水所制成的浆料、100mL2.0mol/L的HCl溶液和2.4g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将2.9g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在20℃下搅拌氧化聚合3小时;抽滤,用2.0mol/L氨水脱杂,再用去离子水洗至滤液呈无色中性;把3.6g十二烷基苯磺酸溶于100mL去离子水中,与蓝紫色本征态聚苯胺/凹凸棒土复合材料搞成浆加入到三颈烧瓶中,于20℃下进行搅拌再掺杂,再掺杂时间为6小时;抽滤,用去离子水洗涤,于70℃烘箱中干燥,经研磨得到墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土导电复合材料的体积电阻率为850Ω·cm。
实施例8:实施例7中,除过硫酸铵为11.8g,溶于30mL去离子水外,其他操作与实施例7相同,所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为2000Ω·cm。
实施例9:将8g凹凸棒土与50g去离子水所制成的浆料、100mL2.0mol/L的HCl溶液和2.4g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将5.9g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在10℃下搅拌氧化聚合24小时;抽滤,用2.0mol/L氨水脱杂,再用去离子水洗至滤液呈无色中性;把3.6g十二烷基苯磺酸溶于100mL去离子水中,与蓝紫色本征态聚苯胺/凹凸棒土复合材料搞成浆加入到三颈烧瓶中,于10℃下进行搅拌再掺杂,再掺杂时间为24小时,得到黏稠浆糊状墨绿色浆体;抽滤,用去离子水洗涤,于80℃烘箱中干燥,经研磨得到墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为20Ω·cm。
实施例10:实施例9中,除聚合和再掺杂温度均为60℃,聚合和再掺杂时间均为2小时外,其他操作与实施例9相同,所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为1000Ω·cm。
实施例11:将8g凹凸棒土与50g去离子水所制成的浆料、100mL2.0mol/L的HCl溶液和2.4g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将5.9g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在20℃下搅拌氧化聚合4小时;抽滤,用2.0mol/L氨水脱杂,再用去离子水洗至滤液呈无色中性;把3.6g十二烷基苯磺酸溶于100mL去离子水中,与蓝紫色本征态聚苯胺/凹凸棒土复合材料搞成浆加入到三颈烧瓶中,于20℃下进行搅拌再掺杂,再掺杂时间为4小时,得到黏稠浆糊状墨绿色浆体;抽滤,用去离子水洗涤,于80℃烘箱中干燥,经研磨得到墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为18Ω·cm。
实施例12:实施例11中,除氧化剂为4.2g氯化铁,再掺杂的有机酸为5.5g对甲基苯磺酸,脱杂剂为1.0mol/L的NaOH水溶液外,其他操作与实施例11相同,所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为357Ω·cm。
实施例13:实施例11中,除氧化剂为7.6g重铬酸钾,无机酸为100mL1.0mol/L的磷酸水溶液,再掺杂的有机酸为2.6g樟脑磺酸,脱杂剂为3.0mol/L的KOH水溶液外,其他操作与实施例11相同,所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为255Ω·cm。
实施例14:实施例11中,除无机酸为100mL1.0mol/L的硫酸溶液,氧化剂为5.5g碘酸钾,再掺杂的有机酸为2.3g萘磺酸外,其他操作与实施例11相同,所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为160Ω·cm。
实施例15:实施例11中,除无机酸为100mL3.0mol/L的硝酸溶液,氧化剂为4.3g溴酸钾,再掺杂的有机酸为5.1g二壬基萘磺酸外,其他操作与实施例11相同,所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为180Ω·cm。
实施例16:实施例11中,除氧化剂为2.8g氯酸钠,再掺杂的有机酸为2.9g二丁基萘磺酸外,其他操作与实施例11相同,所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为200Ω·cm。
实施例17:实施例11中,除氧化剂为2.4g亚氯酸钠,再掺杂的有机酸为2.0g十二烷基苯磺酸和1.3g磺基水杨酸外,其他操作与实施例11相同,所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的体积电阻率为120Ω·cm。
实施例18:将实施例11所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料放入80℃中烘5小时,取出后测得其体积电阻率维持不变;再将纳米导电复合材料放入150℃中烘2小时,取出后测得其体积电阻率为140Ω·cm。
比较例1:将实施例11改为十二烷基苯磺酸的一次掺杂工艺:将8g凹凸棒土与50g去离子水所制成的浆料、3.6g十二烷基苯磺酸溶于100mL去离子水的水溶液和2.4g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将5.9g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在20℃下搅拌氧化聚合12小时;抽滤,用去离子水洗涤,于80℃烘箱中干燥,经研磨得到黄墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料体积电阻率为140Ω·cm。
比较例2:将实施例12改为对甲基苯磺酸的一次掺杂工艺:将8g凹凸棒土与50g去离子水所制成的浆料、5.5g对甲基苯磺酸溶于100mL去离子水的水溶液和2.4g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将4.2g氯化铁溶于30mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在20℃下搅拌氧化聚合12小时;抽滤,用去离子水洗涤,于80℃烘箱中干燥,经研磨得到墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料体积电阻率为250Ω·cm。
比较例3:与实施例11中纳米导电复合材料的掺杂酸用量的比较:将8g凹凸棒土与50g去离子水所制成的浆料、7.2g十二烷基苯磺酸溶于100mL去离子水的水溶液和2.4g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将5.9g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在20℃下搅拌氧化聚合12小时;抽滤,用去离子水洗涤,于80℃烘箱中干燥,经研磨得到黄墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料体积电阻率为18Ω·cm。
比较例4:与实施例18中纳米导电复合材料的热稳定性的比较:将8g凹凸棒土与50g去离子水所制成的浆料、200mL2.0mol/L盐酸和3.2g苯胺加入到三口烧瓶中,搅拌均匀;将7.8g过硫酸铵溶于100mL去离子水中,并用滴液漏斗逐滴滴入浆中引发聚合;在20℃下搅拌氧化聚合12小时;抽滤,用去离子水洗涤,于80℃烘箱中干燥2.5小时,经研磨得到墨绿色粉体。所制备的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料体积电阻率为20Ω·cm。将该纳米导电复合材料继续在80℃下烘5小时,取出后测得纳米导电复合材料体积电阻率为200Ω·cm;而将该纳米导电复合材料直接在150℃下烘2小时,取出后测得复合材料不导电。
Claims (5)
1.一种聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备方法,其特征在于工艺步骤如下:
1)凹凸棒土浆料的制备:向去离子水中加入凹凸棒土原料,制成凹凸棒土质量占去离子水质量3%~25%的浆料;
2)无机酸掺杂聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备:在不断搅拌的条件下,向浆料中加入苯胺,苯胺质量占凹凸棒土质量的20%~80%,再向浆料中加入无机酸,无机酸与苯胺的摩尔比为3.8~15.5∶1,然后在上述浆料中缓慢滴入浓度为0.42~1.72mol/L的氧化剂溶液,氧化剂与苯胺的摩尔比为0.5~2.0∶1,氧化聚合2~24小时,聚合温度为10~60℃;
3)无机酸掺杂聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的脱杂:用脱杂剂对无机酸掺杂的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料进行脱杂,然后抽滤,并用去离子水洗至滤液呈无色中性,得到本征态聚苯胺/凹凸棒土纳米复合材料;
4)有机酸掺杂聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备:将本征态聚苯胺/凹凸棒土纳米复合材料重新分散在水中形成浆体,然后在浆体中加入有机酸进行再掺杂,有机酸与苯胺的摩尔比为0.24~1.20∶1,再掺杂时间为2~24小时,再掺杂温度为10~60℃,期间不断搅拌;
5)后处理:将有机酸掺杂所得的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料浆液抽滤,并用去离子水将游离的有机酸洗去,然后置于40~80℃下干燥,经粉碎得到墨绿色粉体。
2.根据权利要求1所述的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备方法,其特征在于:所述的氧化剂为过硫酸盐类、重铬酸盐类、碘酸盐类、溴酸盐类、氯酸盐类、亚氯酸盐类、过氧化氢和氯化铁中的一种。
3.根据权利要求1所述的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备方法,其特征在于:所述第2)步骤的无机酸为盐酸、硫酸、硝酸和磷酸中的一种。
4.根据权利要求1所述的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备方法,其特征在于:所述第3)步骤的脱杂剂为氨水、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的聚苯胺/凹凸棒土纳米导电复合材料的制备方法,其特征在于:所述第4)步骤的有机酸为对甲基苯磺酸、樟脑磺酸、磺基水杨酸、十二烷基苯磺酸、萘磺酸、二壬基萘磺酸和二丁基萘磺酸中的一种或几种。
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