CN107629222B - 一种超交联聚苯胺的制备方法 - Google Patents

一种超交联聚苯胺的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超交联聚苯胺的制备方法，将聚苯胺、八乙烯基倍半硅氧烷和无水三氯化铝加入到1,2‑二氯乙烷中，氮气保护，通过傅‑克烷基化反应，加热回流，抽滤，洗涤干燥得超交联聚苯胺。本发明以八乙烯基倍半硅氧烷为交联剂，通过控制八乙烯基倍半硅氧烷与聚苯胺的质量比实现超交联聚苯胺孔结构的调控，随着八乙烯基倍半硅氧烷的质量比的提高，所得超交联聚苯胺的比表面积逐渐增大，比表面积最大达481 m2 g－1。

Description

一种超交联聚苯胺的制备方法
技术领域
本发明涉一种超交联聚苯胺的制备方法，属于高分子材料合成技术领域。
背景技术
超交联聚苯胺(hypercrosslinkedpolyaniline,HCPANI)是一种具有高度交联结构的新型有机微孔材料。自2007年美国科学家Frantisek Svec制备出超交联聚苯胺以来，由于超交联聚苯胺中含有大量的微孔结构和N异原子，以及在H2和CO2吸附与储存、超级电容器等应用方面表现出良好的性能受到了广大科技工作者的高度重视，是当前新材料领域的研究热点。目前，超交联聚苯胺的制备方法采用N-烷基化法，即以本征态的或还原态的线性聚苯胺为构筑单元，以二碘甲烷和二碘丙烷等反应活性高的多卤代烷烃或多聚甲醛为交联剂，在高温溶剂(N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基亚砜(DMSO))中进行N-烷基化反应制备出来的。在此反应过程中，存在能耗高(反应温度高均大于120℃)、反应操作复杂，反应条件苛刻(反应需要高压)等问题。例如：sharma等将一定量的本征态聚苯胺和无水碳酸钾加入到适量的DMF中超声10min，向反应体系加入一定量的二碘甲烷，接着将反应物置于微波反应器中，在130℃条件下反应15min，过滤，再将沉淀物置于适量的DMF中回流(DMF沸点为154℃)72h，通过N-烷基化反应制备出超交联聚苯胺(V.Sharma,A.Sahoo,Y.Sharma,P.Mohanty.RSC Adv.,2015,5,45749-45754)。sharma等将一定量的本征态聚苯胺加入到适量的DMF中先超声1h，加入适量的无水碳酸钾再超声0.5h，向反应体系中加入不同量的二碘甲烷，将得到的反应物置于高温高压反应釜中，分别在不同温度下(120℃，140℃，160℃和180℃)反应24h，过滤，再将沉淀物置于适量的DMF中回流72h通过N-烷基化反应制备出一系列超交联聚苯胺(V.Sharma,S.Khilari,D.Pradhanb,P.Mohanty.RSC Adv.,2016,6,56421-56428)。通过上述方法制备超交联聚苯胺，反应操作繁琐，反应温度高，反应耗时长，反应条件苛刻，反应耗时长，聚苯胺合成成本高。
因此，目前亟需一种操作简单、低成本、反应条件温和的制备超交联聚苯胺的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有超交联聚苯胺制备方法存在的反应温度高、操作复杂、反应条件苛刻和反应耗时长等问题，提供一种操作简单、低成本制备超交联聚苯胺的方法。
为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种超交联聚苯胺的制备方法，该方法包括：以聚苯胺为构筑单元，以八乙烯基倍半硅氧烷为交联剂通过傅-克烷基化反应制备超交联聚苯胺。
本发明还提供采用上述方法制备得到的超交联聚苯胺。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)本发明以聚苯胺为构筑单元，以八乙烯基倍半硅氧烷为交联剂通过傅-克烷基化反应制备超交联聚苯胺，解决了现有超交联聚苯胺制备方法存在的反应温度高、反应操作复杂、反应耗时长、制备成本高等问题，为制备超交联聚苯胺提供一种新的思路。
(2)以本发明方法制备超交联聚苯胺可通过调节八乙烯基倍半硅氧烷与聚苯胺的质量比来调控超交联聚苯胺的比表面积大小。随着聚苯胺与八乙烯基倍半硅氧烷质量比的增大，制备出的超交联聚苯胺的比表面积逐渐增大。
(3)本发明无需特殊的反应设备，无需昂贵的催化剂，无需对原料进行特殊的处理，反应简单，反应条件温和，具有生产成本低廉、工艺简单、无污染、易规模化生产等优点。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施案例3制备的超交联聚苯胺的场发射扫描电镜(FESEM)；
图2为实施案例4制备的超交联聚苯胺的场发射扫描电镜(FESEM)；
图3为实施案例5制备的超交联聚苯胺的场发射扫描电镜(FESEM)；
图4为实施案例4制备的超交联聚苯胺的高分辨透射电镜(HRTEM)；
图5为实施案例4制备的超交联聚苯胺的N2吸脱附等温线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中超交联聚苯胺的制备方法存在反应温度高、操作复杂、反应条件苛刻和反应耗时长等问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出一种超交联聚苯胺的制备方法，该方法包括：以聚苯胺为构筑单元，以八乙烯基倍半硅氧烷为交联剂通过傅-克烷基化反应制备超交联聚苯胺。
本发明的超交联聚苯胺的构筑单元聚苯胺为本领域技术人员可以通过常规方法制备得到的，不同的合成条件可以控制聚苯胺的氧化程度。但是为最大程度的提高本发明所制备的超交联聚苯胺产品的性能，本发明优选选择以下制备方法：
将苯胺加入盐酸溶液中，缓慢滴加过硫酸铵((NH4)2S2O8)溶液制备出聚苯胺。具体的制备方法如下：
冰水浴条件下，将苯胺加入到盐酸溶液中，搅拌，然后加入过硫酸铵((NH4)2S2O8)溶液作引发剂，反应4～5h，将产品过滤、洗涤、干燥后得到聚苯胺；其中，苯胺、盐酸溶液、过硫酸铵溶液的体积比例为(4～5):(50～55):(20～30)，盐酸溶液的浓度为0.5～4mol L－1，过硫酸铵溶液的浓度为1～3mol L－1。
在本发明进一步优选的实施方案中，盐酸溶液浓度为2.0mol L－1；过硫酸铵的浓度为2.0mol L－1。
本发明的八乙烯基倍半硅氧烷为本领域技术人员可以通过常规方法制备得到的，在本发明优选的实施方案中，提供一种八乙烯基倍半硅氧烷(OVS)的制备方法，将乙烯基三甲氧基硅烷置于丙酮、盐酸和水的混合溶液中水解制备出八乙烯基倍半硅氧烷。其中，盐酸为浓盐酸(质量分数为36％)。
具体的制备方法如下：
将30mL乙烯基三甲氧基硅烷加入到150mL丙酮中，再依次加入80mL浓盐酸和80mL水，室温下反应48～72h(优选72h)，抽滤，滤饼用丙酮、无水乙醇多次洗涤得到八乙烯基倍半硅氧烷(OVS)。
在本发明优选的实施方案中，所述傅-克烷基化反应包括如下步骤：将聚苯胺、八乙烯基倍半硅氧烷以及无水三氯化铝(AlCl3)加入到1,2-二氯乙烷中，分散形成均匀的混合物，在60～120℃反应12～36h，制备得到含有超交联聚苯胺的产物；然后将得到的产物抽滤、并用甲醇、四氢呋喃作溶剂索氏提取，干燥得到超交联聚苯胺。经过试验验证，在该反应条件下，超交联聚苯胺的产率和性能(比表面积)较高。
在本发明进一步优选的实施方案中，为成功制备超交联聚苯胺、提高超交联聚苯胺的产率以及提高超交联聚苯胺的比表面积的角度来讲，聚苯胺和八乙烯基倍半硅氧烷的质量比为1:0.1～0.862，最佳比例为1:0.862。较少交联剂的话，在反应过程中会产生容易溶解的支化结构的聚合物，导致产物超交联聚苯胺的产率降低，以及降低了超交联聚苯胺的比表面积。
在本发明进一步优选的实施方案中，聚苯胺和无水三氯化铝的质量比为1：2。
在本发明进一步优选的实施方案中，傅-克烷基化反应条件为：在80℃反应24h。经过试验验证，在该反应条件下，超交联聚苯胺的产率和性能(比表面积)最佳。
在本发明进一步优选的实施方案中，干燥条件为：60℃真空干燥24h。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
其中，本发明所述的产率＝超交联聚苯胺的质量/反应原料的质量(聚苯胺和八乙烯基倍半硅氧烷)×100％。
实施例1
(1)聚苯胺的制备向置于冰水浴的250mL圆底烧瓶中加入4.6mL苯胺和50mL(2molL－1)盐酸溶液，磁力搅拌10min，向反应体系中缓慢滴加25mL(2mol L－1)过硫酸铵水溶液，反应4h，抽滤，滤饼用蒸馏水洗涤至中性，得聚苯胺。
(2)八乙烯基倍半硅氧烷的制备依次向500mL的圆底烧瓶中加入30mL乙烯基三甲氧基硅烷、150mL丙酮、80mL浓盐酸和80mL蒸馏水。室温下搅拌72h，抽滤，滤饼用丙酮及乙醇洗涤多次，60℃下真空干燥24h得八乙烯基倍半硅氧烷。
(3)超交联聚苯胺的制备在氮气保护下，向50mL圆底烧瓶中加入1.00g聚苯胺、0.10g八乙烯基倍半硅氧烷、2.00g无水AlCl3和20mL1,2-二氯乙烷，磁力搅拌1h，升温至80℃并保持此温度反应24h，抽滤，产品依次用蒸馏水、无水乙醇洗涤，然后将产品置于索氏提取器中，分别用甲醇，四氢呋喃作溶剂各纯化48h，在60℃下真空干燥24h，得超交联聚苯胺，产率为79％。
实施例2
(1)聚苯胺的制备向置于冰水浴的250mL圆底烧瓶中加入4.6mL苯胺和50mL(2molL－1)盐酸溶液，磁力搅拌10min，向反应体系中缓慢滴加25mL(2mol L－1)过硫酸铵水溶液，反应4h，抽滤，滤饼用蒸馏水洗涤至中性，得聚苯胺。
(2)八乙烯基倍半硅氧烷的制备依次向500mL的圆底烧瓶中加入30mL乙烯基三甲氧基硅烷、150mL丙酮、80mL浓盐酸和80mL蒸馏水。室温下搅拌72h，抽滤，滤饼用丙酮及乙醇洗涤多次，60℃下真空干燥24h得八乙烯基倍半硅氧烷。
(3)超交联聚苯胺的制备在氮气保护下，向50mL圆底烧瓶中加入1.00g聚苯胺、0.2g八乙烯基倍半硅氧烷、2.00g无水AlCl3和20mL1,2-二氯乙烷，磁力搅拌1h，升温至80℃并保持此温度反应24h，抽滤，产品依次用蒸馏水、无水乙醇洗涤，然后将产品置于索氏提取器中，分别用甲醇，四氢呋喃作溶剂各纯化48h，在60℃下真空干燥24h，得超交联聚苯胺，产率为73％。
实施例3
(1)聚苯胺的制备向置于冰水浴中的250mL圆底烧瓶中加入4.6mL苯胺和50mL(2mol L－1)盐酸溶液，磁力搅拌10min，向反应体系中缓慢滴加25mL(2mol L－1)过硫酸铵水溶液，反应4h，抽滤，滤饼用蒸馏水洗涤至中性，得聚苯胺。
(2)八乙烯基倍半硅氧烷的制备依次向500mL的圆底烧瓶中加入30mL乙烯基三甲氧基硅烷、150mL丙酮、80mL浓盐酸和80mL蒸馏水。室温下搅拌72h，抽滤，滤饼用丙酮及乙醇洗涤多次，60℃下真空干燥24h得八乙烯基倍半硅氧烷。
(3)超交联聚苯胺的制备在氮气保护下，向50mL圆底烧瓶中加入1.00g聚苯胺、0.3g八乙烯基倍半硅氧烷、2.00g无水AlCl3和20mL1,2-二氯乙烷，磁力搅拌1h，升温至80℃并保持此温度反应24h，抽滤，产品依次用蒸馏水、无水乙醇洗涤，然后将产品置于索氏提取器中，分别用甲醇，四氢呋喃作溶剂各纯化48h，在60℃下真空干燥24h，得超交联聚苯胺，产率为100％，如图1所示。
实施例4
(1)聚苯胺的制备向置于冰水浴的250mL圆底烧瓶中加入4.6mL苯胺和50mL(2molL－1)盐酸溶液，磁力搅拌10min，向反应体系中缓慢滴加25mL(2mol L－1)过硫酸铵水溶液，反应4h，抽滤，滤饼用蒸馏水洗涤至中性，得聚苯胺。
(2)八乙烯基倍半硅氧烷的制备依次向500mL的圆底烧瓶中加入30mL乙烯基三甲氧基硅烷、150mL丙酮、80mL浓盐酸和80mL蒸馏水。室温下搅拌72h，抽滤，滤饼用丙酮及乙醇洗涤多次，60℃下真空干燥24h得到八乙烯基倍半硅氧烷。
(3)超交联聚苯胺的制备在氮气保护下，向50mL圆底烧瓶中加入1.00g聚苯胺、0.509g八乙烯基倍半硅氧烷、2.00g无水AlCl3和20mL1,2-二氯乙烷，磁力搅拌1h，升温至80℃并保持此温度反应24h，抽滤，产品依次用蒸馏水、无水乙醇洗涤，然后将产品置于索氏提取器中，分别用甲醇，四氢呋喃作溶剂各纯化48h，在60℃下真空干燥24h，得超交联聚苯胺，产率为100％，如图2、4和5所示。
实施例5
(1)聚苯胺的制备向置于冰水浴的250mL圆底烧瓶中加入4.6mL苯胺和50mL(2molL－1)盐酸溶液，磁力搅拌10min，向反应体系中缓慢滴加25mL(2mol L－1)过硫酸铵水溶液，反应4h，抽滤，滤饼用蒸馏水洗涤至中性，得聚苯胺。
(2)八乙烯基倍半硅氧烷的制备依次向500mL的圆底烧瓶中加入30mL乙烯基三甲氧基硅烷、150mL丙酮、80mL浓盐酸和80mL蒸馏水。室温下搅拌72h，抽滤，滤饼用丙酮及乙醇洗涤多次，60℃下真空干燥24h得八乙烯基倍半硅氧烷。
(3)超交联聚苯胺的制备在氮气保护下，向50mL圆底烧瓶中加入1.00g聚苯胺、0.862g八乙烯基倍半硅氧烷、2.00g无水AlCl3和20mL1,2-二氯乙烷，磁力搅拌1h，升温至80℃并保持此温度反应24h，抽滤，产品依次用蒸馏水、无水乙醇洗涤，然后将产品置于索氏提取器中，分别用甲醇，四氢呋喃作溶剂各纯化48h，在60℃下真空干燥24h，得超交联聚苯胺，产率为100％，如图3所示。
实施例1～5制备出的超交联聚苯胺，随着聚苯胺与八乙烯基倍半硅氧烷质量比的增大，比表面积逐渐增大。当质量比分别为1:0.1、1:0.2、1:0.3、1:0.509、1:0.862时，制备出的超交联聚苯胺的比表面积分别为22，27，59，297，481m2g-1。
上述虽然对本发明的具体实施方案进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种超交联聚苯胺的制备方法，其特征是，该方法包括：以聚苯胺为构筑单元，以八乙烯基倍半硅氧烷为交联剂通过傅-克烷基化反应制备超交联聚苯胺；
所述傅-克烷基化反应包括如下步骤：将聚苯胺、八乙烯基倍半硅氧烷以及无水三氯化铝加入到1,2-二氯乙烷中，分散形成均匀的混合物，在60～120℃反应12～36h，制备得到含有超交联聚苯胺的产物，然后将得到的产物抽滤、并用甲醇、四氢呋喃作溶剂索氏提取，干燥得到超交联聚苯胺；
聚苯胺和八乙烯基倍半硅氧烷的质量比为1:0.1～0.862。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述聚苯胺的制备方法包括：将苯胺加入盐酸溶液中，缓慢滴加过硫酸铵溶液制备出聚苯胺。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征是：所述聚苯胺的具体制备方法包括：冰水浴条件下，将苯胺加入到盐酸溶液中，搅拌，加入过硫酸铵溶液作引发剂，反应4～5h，将产品过滤、洗涤、干燥后得到聚苯胺；其中，苯胺、盐酸溶液、过硫酸铵溶液的体积比例为4～5:50～55:20～30，盐酸溶液的浓度为0.5～4mol L-1，过硫酸铵溶液的浓度为1～3mol L-1。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征是：盐酸溶液浓度为2.0mol L-1；过硫酸铵的浓度为2.0mol L-1。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：将乙烯基三甲氧基硅烷置于丙酮、盐酸和水的混合溶液中水解制备出八乙烯基倍半硅氧烷。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：聚苯胺和八乙烯基倍半硅氧烷的质量比为1:0.862。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：聚苯胺和无水三氯化铝的质量比为1：2；傅-克烷基化反应条件为：在80℃反应24h。
8.采用权利要求1～7中任一项所述的方法制备得到的超交联聚苯胺。
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