CN104629071B - 一种表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的制备方法 - Google Patents
一种表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的制备方法,该方法是在由聚(2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸)、苯胺、乙醇和水组成的混合溶液中快速加入过硫酸铵溶液进行反应,反应完成后,得到聚苯胺中空微球,所得聚苯胺中空微球置于硝酸铈(Ⅲ)溶液中搅拌掺杂后,即得表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球,制备的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球结构规整、形貌规则、比表面积大、导电率高,且其制备方法简便、高效、易控制,适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面负载稀土铈离子的聚苯胺中空微球的制备方法,属于功能聚合物复合材料领域。
背景技术
聚苯胺是一种重要的导电聚合物。合成简便、环境稳定性好、导电性高等特点使其在半导体材料、电池、超级电容器、电磁屏蔽材料、防腐涂层等领域展现出巨大的应用潜力。目前,多种不同形态的聚苯胺(如聚苯胺纳米纤维、聚苯胺微球、聚苯胺纳米管等)已经被开发出来。在这些不同形态的聚苯胺中,中空结构的聚苯胺微球由于其独特的结构在生物医疗器械、药物释放、涂层添加剂、相分离等领域展示出可观的应用潜力。现有的制备中空聚苯胺的方法主要有模板法和自组装法。其中自组装法需要在反应结束后移去外来模板,制备的聚苯胺的结构、性能都会受到影响。自组装法是近年来研究较多的方法,ZhangHongming等人(Polymer,2011,52:4246-4252)采用自组装过程制备了粒径分布范围为380nm-700nm的聚苯胺中空微球,但是制备的微球电导率仅为1.3×10-3S/cm。M.Ghorbani(Polymer,2013,54:5586-5594)等人也通过自组装法制备了中空聚苯胺微球,但是制备的微球的直径范围较大(约2.5μm)。此外,近年来的一些专利(中国专利:201310069386.7;中国专利:201110040481.5)也有涉及到聚苯胺中空微球,但制备过程中使用到氰化物或其它对环境污染的试剂,大大限制了其应用。因此,开发简便、高效、环境友好的方法制备高导电性、较窄粒径的聚苯胺中空微球很有必要。
钢铁腐蚀一直是被关注的重要问题,人们也因此采用了不同的方法来防止腐蚀的发生。其中,含有铬的缓蚀剂具有显著的防腐效果,但是铬盐含有毒性和致癌性,这也大大限制了其应用。目前,有报道稀土铈盐可以作为缓蚀剂,应用于不同的金属和合金防腐,具有高效、无毒、环境友好等特性,但是现有技术中并没有用于钢铁防腐的表面负载有稀土铈离子的聚合物微球的报道。
发明内容
针对现有技术中制备的聚苯胺中空微球的方法存在对环境不友好、效率低,且制得的聚苯胺中空微球粒径较大、电导性能较差、防腐效果不佳等缺陷,本发明的目的是在于提供一种用于钢铁及合金防腐的具有结构规整、形貌规则、比表面积大、导电率高等特点的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的方法,该方法简便、高效、易控制,适合工业化生产。
本发明提供了一种表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的制备方法,该方法是在由聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)、苯胺、乙醇和水组成的混合溶液中快速加入过硫酸铵溶液,先在50~80℃温度下反应,再在0~5℃温度下进一步反应,反应完成后,得到聚苯胺中空微球,所得聚苯胺中空微球置于硝酸铈(Ⅲ)溶液中在25~50℃温度下搅拌掺杂后,即得表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球。
本发明的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的制备方法还包括以下优选方案:
优选的方案中混合溶液由以下质量百分比组分组成:聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)0.5~4.9%,苯胺2.2~2.5%,乙醇7.4~7.8%,水84.8~89.9%。
优选的方案中硝酸铈(Ⅲ)溶液质量百分比浓度为0.057~2.79%。
优选的方案中在50~80℃温度下反应的时间为1~2min。
优选的方案中在0~5℃温度下进一步反应的时间为4~12h。
优选的方案中搅拌掺杂的时间为4~12h。
进一步优选的方案:将聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)和苯胺加入到乙醇/水混合溶剂中,混合均匀,得到混合溶液,混合溶液的质量百分比组成为:聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)0.5~4.9%,苯胺2.2~2.5%,乙醇7.4~7.8%,水84.8~89.9%;将所得混合液升温至50~80℃后,快速加入温度为50~80℃的过硫酸铵水溶液,维持温度反应1~2min后,立即调节温度至0~5℃进一步反应4~12h;破乳、洗涤,得到的聚苯胺中空微球;所得聚苯胺中空微球置于质量百分比浓度为0.057~2.79%的硝酸铈(Ⅲ)溶液中,在25~50℃温度下搅拌掺杂4~12h,抽滤、洗涤、干燥,得到表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球。
优选的方案中过硫酸铵水溶液的浓度为0.057~0.171g/mL;过硫酸铵的加入量为苯胺摩尔量的0.8~1.2倍。
本发明制得的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球可作为防腐涂层添加剂应用于钢铁防腐。具体是将表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球添加在钢铁涂层配方中,在钢铁表面制备防腐涂层,提高钢铁防腐性能。钢铁涂层配方包括以下组分:环氧树脂E-51或E-44、二甲苯、正丁醇、流平剂BYK-306和聚酰胺树脂。
相对现有技术,本发明的有益效果:本发明先通过自组装法在聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)水溶液中制得具有中空结构的聚苯胺微球,再通过掺杂法在聚苯胺微球表面负载稀土铈离子,获得结构规整、形貌规则、导电率高的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球。本发明的制备方法制得的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球结构规整、形貌规则,为规整球形,比表面积较大(9.68m2/g),从图1中可以看出中空微球外径约为380nm,中空结构完好、壁厚约为67nm;通过本发明方法有效地将稀土铈离子负载于聚苯胺中空微球的球壁表面,表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的电导率可达47.46S/cm,将其作为防腐涂层添加剂制备钢铁抗腐蚀涂层,电化学测试结果显示涂层的自腐蚀电位明显提高,防腐效果较好,浸泡实测效果也显示表面负载有稀土铈离子的聚苯胺微球具有很好的防腐效果,是一种很好的防腐涂料添加剂。另外,制备表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的方法简便、高效、易控制,适合工业化生产。
附图说明
【图1】为本发明实施例1制得表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的扫描电子显微镜图、能谱分析图和透射电子显微镜图:a为2万倍率下的扫描电镜图;b为10万倍率下的扫描电镜图;c为对应于a中矩形区域内的能谱分析;d为透射电镜图。
【图2】为实施例1制得的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球及对比实施例1制得的聚苯胺中空微球的红外光谱图。
【图3】为实施例1制得的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的X光电子能谱分析图。
【图4】为实施例1制得的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的导电性和阻抗图:a为电导率图;b为阻抗图。
【图5】为实施例1制得的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球及聚苯胺中空微球配制成环氧涂层用于铁基材质上的极化曲线。
【图6】为实施例1制得的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球及对比实施例1制得的聚苯胺中空微球配制成环氧涂层用于铁基材质上的抗腐蚀测试(720h)的光学图:a为PANI;b为PANI/Ce3+。
具体实施方式
以下具体实施例旨在进一步说明本发明内容,而非限制本发明保护的范围。实施例1
取6.32g无水乙醇、72.00g水、2.08g含有聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)(简称PAMPS,质量分数20%)的水溶液加入到250mL烧杯中,充分搅拌均匀。随后加入1.86g苯胺于上述混合液中,超声10min后将含有苯胺的上述混合液体系升温至80℃,并在此温度下磁力搅拌10min。将温度为80℃,含有4.56g过硫酸铵的40mL的水溶液快速加入含有苯胺的上述混合液中,在搅拌条件下恒温80℃反应60s。随后将反应体系转置温度为0-5℃的冰水浴中继续反应12h。使用丙酮破乳、水洗、抽滤,得到聚苯胺中空微球。将得到的聚苯胺中空微球加入到含有0.36g硝酸铈(Ⅲ)的50mL水溶液中,室温下磁力搅拌12h,抽滤、水洗、干燥得到表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球。进行比表面积测试,比表面积为9.68m2/g。
通过调节硝酸铈(Ⅲ)的浓度,可分别得到不同铈离子含量的聚苯胺中空微球。
将上述得到的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球1.1g、环氧树脂E-5115.0g、二甲苯4.5g、正丁醇1.9g以及少量流平剂(BYK-306)在锥形磨中研磨3次,再与聚酰胺树脂6516.0g搅拌均匀后涂覆于钢铁表面(面积1.0×1.0cm2),涂抹厚度控制在40±5μm用于电化学测试。另外将尺寸大小为15.0×7.0cm2的铁板也涂覆涂料,涂膜厚度控制在200±10μm,并在中心区域划上两条互相垂直的长度为8.0cm,宽度为0.5cm的直线浸泡于3.5%氯化钠盐水中进行抗腐蚀性实验。
图1的扫描电子显微镜照片显示制备的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球外径约为380nm,透射电子显微镜图显示制备的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球呈现中空结构,并且壁厚约为67nm左右,球内径约为244nm左右。
图2为表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的红外光谱图。1562cm-1和1490nm-1分别为聚苯胺的醌环和苯环特征峰,证实聚苯胺的存在。1645cm-1为PAMPS特征峰。1142cm-1为C-N伸缩特征峰,掺杂稀土铈离子后此特征峰变宽,在1105cm-1处也出现峰位说明铈离子与多电子的N发生了协同作用。
图3为表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的X光电子能谱图,其中铈离子峰位的出现也证实了聚苯胺中空微球成功掺杂负载了铈离子。
图4位制备的微球的电导率和阻抗数据,结果显示出随着铈离子的百分含量增加,表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的电导率从8.95S/cm一直增加到46.76S/cm,阻抗图谱也显示微球的电荷传递电阻(圆弧半径)也逐渐降低。
表1为图1(c)的能谱分析数据
元素 | wt% | wt%Sigma |
C | 72.05 | 0.61 |
N | 13.40 | 0.68 |
O | 10.56 | 0.24 |
S | 3.12 | 0.05 |
Ce | 0.88 | 0.05 |
总量: | 100.00 |
表2为表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球配制成环氧涂层用于铁基材质上防腐效果数据
实施例2
取6.32g无水乙醇、72.00g水、2.08g含有聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)(简称PAMPS,质量分数40%)的水溶液加入到250mL烧杯中,充分搅拌均匀。随后加入1.86g苯胺于上述混合液中,超声10min后将含有苯胺的上述混合液体系升温至65℃,并在此温度下磁力搅拌10min。将温度为65℃,含有4.56g过硫酸铵的40mL的水溶液快速加入含有苯胺的上述混合液中,在搅拌条件下恒温65℃反应80s。随后将反应体系转置温度为0-5℃的冰水浴中继续反应6h。使用丙酮破乳、水洗、抽滤,得到聚苯胺中空微球。将得到的聚苯胺中空微球加入到含有0.18g硝酸铈(Ⅲ)的50mL水溶液中,室温下磁力搅拌8h,抽滤、水洗、干燥得到表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球。进行比表面积测试,比表面积9.55m2/g。
将上述得到的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球1.1g、环氧树脂E-5115.0g、二甲苯4.5g、正丁醇1.9g以及少量流平剂(BYK-306)在锥形磨中研磨3次,再与聚酰胺树脂6516.0g搅拌均匀后涂覆于钢铁表面(面积1.0×1.0cm2),涂抹厚度控制在40±5μm用于电化学测试。另外将尺寸大小为15.0×7.0cm2的铁板也涂覆涂料,涂膜厚度控制在200±10μm,并在中心区域划上两条互相垂直的长度为8.0cm,宽度为0.5cm的直线浸泡于3.5%氯化钠盐水中进行抗腐蚀性实验。电导率测试结果显示制备的表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的电导率为31.79S/cm,以此填料制备的防腐涂层的电化学测试结果显示腐蚀电位为-0.383V,腐蚀电流密度为1.367×10-4μA/cm2,制备的涂层具有较好的防腐效果。
对比实施例1
PANI中空微球防腐涂层
取6.32g酒精、72.00g水、2.08g含有聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(简称PAMPS,质量分数20%)的水溶液加入到250mL烧杯中,充分搅拌均匀。随后加入1.86g苯胺于上述混合液中,超声10min后将含有苯胺的上述混合液体系升温至80℃,并在此温度下磁力搅拌10min。将温度为80℃,含有4.56g过硫酸铵的40mL的水溶液快速加入含有苯胺的上述混合液中,在搅拌条件下恒温80℃反应60s。随后将反应体系转置温度为0-5℃的冰水浴中继续反应12h。使用丙酮破乳、水洗、抽滤,得到聚苯胺中空微球。将上述得到的聚苯胺中空微球1.1g、环氧树脂E-5115.0g、二甲苯4.5g、正丁醇1.9g以及少量流平剂(BYK-306)在锥形磨中研磨3次,再与聚酰胺树脂6516.0g搅拌均匀后涂覆于钢铁表面(面积1.0×1.0cm2),涂覆厚度控制在40±5μm用于电化学测试。另外将尺寸大小为15.0×7.0cm2的铁板也涂覆涂料,涂膜厚度控制在200±10μm,并在中心区域划上两条互相垂直的长度为8.0cm,宽度为0.5cm的直线浸泡于3.5%氯化钠盐水中进行抗腐蚀性实验。
检测结果显示出聚苯胺中空微球的电导率为8.95S/cm,阻抗图谱也显示聚苯胺中空微球的电荷传递电阻(圆弧半径)也比载有稀土铈离子的微球的要大。电化学测试结果显示聚苯胺涂层的自腐蚀电位为-0.522V。
Claims (6)
1.一种表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球的制备方法,其特征在于,在由聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)、苯胺、乙醇和水组成的混合溶液中快速加入过硫酸铵溶液,先在50~80℃温度下反应,再在0~5℃温度下进一步反应,反应完成后,得到聚苯胺中空微球,所得聚苯胺中空微球置于硝酸铈(Ⅲ)溶液中在25~50℃温度下搅拌掺杂后,即得表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球;
所述的混合溶液由以下质量百分比组分组成:聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)0.5~4.9%,苯胺2.2~2.5%,乙醇7.4~7.8%,水84.8~89.9%。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述的硝酸铈(Ⅲ)溶液质量百分比浓度为0.057~2.79%。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在50~80℃温度下反应的时间为1~2min。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在0~5℃温度下进一步反应的时间为4~12h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,搅拌掺杂的时间为4~12h。
6.根据权利要求1~5任一项所述的制备方法,其特征在于,将聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)和苯胺加入到乙醇/水混合溶剂中,混合均匀,得到混合溶液,混合溶液的质量百分比组成为:聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)0.5~4.9%,苯胺2.2~2.5%,乙醇7.4~7.8%,水84.8~89.9%;将所得混合液升温至50~80℃后,快速加入温度为50~80℃的过硫酸铵水溶液,维持温度反应1~2min后,立即调节温度至0~5℃进一步反应4~12h;破乳、洗涤,得到聚苯胺中空微球;所得聚苯胺中空微球置于质量百分比浓度为0.057~2.79%的硝酸铈(Ⅲ)溶液中,在25~50℃温度下搅拌掺杂4~12h,抽滤、洗涤、干燥,得到表面负载有稀土铈离子的聚苯胺中空微球。
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