CN100355817C - 光响应性偶氮苯接枝碳纳米管材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光响应性偶氮苯接枝碳纳米管材料的制备方法，属于光、电及换能材料制备技术。制备过程包括：将多壁或单壁的碳纳米管加入到硝酸与硫酸混合酸酸化；酸化后的碳纳米管分散在SOCl2溶液反应，获得具有酰氯功能基的碳纳米管；以对硝基苯甲酸与锌粉混合于氢氧化钠得到对二羧基偶氮苯，再与二氯亚砜混合在氯仿中得对4，4’酰胺直链烷基胺偶氮苯；将对4，4’酰胺直链烷基胺偶氮苯与酰氯功能基的碳纳米管加入四氢呋喃中，加热反应96h以上，分层去水、蒸发得糊状物，再将其分散氯仿中，经过滤、干燥制得具有光响应性偶氮苯碳纳米管。本发明制得光响应性偶氮苯接枝碳纳米管，具有溶解性与成膜性好、光学与电学性能可调控、微观排列有序化的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光响应性偶氮苯接枝碳纳米管材料的制备方法，属于光、电及换能材料备技术。
背景技术
偶氮聚合物是光响应材料领域的研究热点之一。偶氮聚合物是指在分子链上含偶氮苯类生色团的高分子(目前，合成的偶氮聚合物主要是含有偶氮苯基团的聚酯、聚氨酯等柔性聚合物)，主要是利用聚合物中偶氮生色团的光致顺-反异构效应，通过构型或偶极矩的变化来来导致聚合物的结构与性能发生改变。可以通过控制辐照光的频率、强度以及辐照时间，控制偶氮聚合物的共轭程度(Kun Huang，Hongjin Qiu，and Meixiang Wan，Macromolecules，2002，35(23)，8653)、光学(1.C.Della-Casa，A.Fraleoni，P.Costa-Pizaari，M.Lanzi，Synthetic Metals，2001，124，467；2.Matsui，T.；Nagata，T.；Ozaki，M.；Fujii，A.；Onoda，M.；Teraguchi，M.；Masuda，T.；Yoshino，K.Synth.Met.2001，119，599；3.Elizabeth J.Harbron，Diego A.Vicente，and Mirth T.Hoyt，，Journal of Physical Chemistry B，2004，108(49)，18789)、电学(Chen，S.-A.；Liao，C.-S.Makromol.Chem.，Rapid Commun.1993，14，69.)以及表面形貌(W.Feng，H.Kun，and M.X.Wan，Chin.Phys.Lett.，2005，14，306)等物理化学性能。因此，偶氮聚合物在光存储、光开关、全息光栅、光调制、生物传感器等领域有着良好的应用前景。
碳纳米管(CNTs)具有良好的共轭体系，高的电子亲和能与离子化能，光稳定性较强，良好的光电性能和物理机械性能使其在改善有机光伏电池较低的光电效率方面拥有广泛的应用前景。随着CNTs制备技术的成熟与CNTs成本的不断降低，CNTs的应用研究越来越成为研究的重点。如果通过化学手段在碳纳米管上引入含偶氮苯的侧链，则有望通过控制偶氮苯的光异构化程度，来改变碳纳米管的光学、电学、光电转换性能，从而得到微观结构排列有序、具有较好的分散性与可溶性的光响应性碳纳米管。
目前没有涉及光响应性偶氮苯有机分子接枝碳纳米管材料的制备、光控及其光、电等性能方面的报道及专利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光响应性偶氮苯接枝碳纳米管材料的制备方法，以本方法制得的偶氮苯接枝碳纳米管具有溶解性好、光学与电学性能可调控、微观排列有序化的优点。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种光响应性偶氮苯接枝碳纳米管材料的制备方法，该方法其特征在于包括以下过程：
1)碳纳米管(CNTs)酸化：将多壁或单壁的CNTs加入到硝酸与硫酸按3∶1的混合酸中，配制成0.02-0.05g/mL溶液，将其加热至沸腾状态下回流40-70min，过滤、洗涤至弱酸性，真空干燥48h。
2)酰氯化碳纳米管制备：将步骤1)制得的酸化CNTs分散在SOCl2中配成0.008-0.012g/mL溶液在60-80℃反应40-56h，离心分离，倒出SOCl2，然后倒入无水150-300ml THF超声震荡，再离心，反复洗涤三次，产物在真空干燥器内干燥，获得具有酰氯功能基的碳纳米管(CNT-(COCl)n)。
3)对4，4’酰胺直链烷基胺偶氮苯的制备：将对硝基苯甲酸与锌粉按质量比例为1.0∶1-1.8∶1与30-60％的氢氧化钠混合，在80～85℃回流反应24-36h，混合物用大量水稀释，再按与对硝基苯甲酸质量比为2.0∶1-5.0∶1加入锌粉，沉淀三天，得到对二羧基偶氮苯，用色谱柱分离，获得对二羧基偶氮苯。将对二羧基偶氮苯与二氯亚砜混合，回流反应12-18h，产物溶解在氯仿中，逐滴加入到0.1-0.2g/mL直链烷基二胺(R＝6，8，10，12)氯仿溶液中，反应1-2h，室温下，搅拌2-4h，收集沉淀，溶于三氟乙酸中，色谱柱分离，获得对4，4’酰胺直链烷基胺偶氮苯。
4)将对4，4’酰胺直链烷基胺偶氮苯与酰氯功能基的碳纳米管(CNT-(COCl)n)按质量比8∶1-10∶1加入到120-160mL的四氢呋喃中，于80-90℃氮气氛围下充分搅拌，反应96-120h，然后将混合物冷却至室温，倒入到120-160mL氯仿与100-140mL水的混合物中。经过充分搅拌混合，分层后将水层分离、蒸发，获得黑色糊状物。再将其分散到180-240mL的氯仿中，滤去不溶物。将滤液进行旋转蒸发除去大量氯仿，然后倒入丙酮中进行过滤，真空干燥，制得具有光响应性偶氮苯碳纳米管。
本发明获得具有溶解性与成膜性好、光诱导可调控、电导率高的光响应性偶氮苯碳纳米管膜材料。以本方法制得的碳纳米管具有溶解性好、光学与电学性能可调控、微观排列有序化的优点。
具体实施方式
实施例1：
1)CNTs酸化：将6.0g多壁CNTs加入到200mL的硝酸与硫酸按3∶1的混合酸中，配制成0.03g/mL溶液，将其加热至沸腾状态下回流70min，过滤、洗涤至弱酸性，真空干燥48h。
2)酰氯化CNTs制备：将步骤1)获得的酸化CNTs 4.8g分散在SOCl2中配成0.01g/mL溶液在70℃反应48h，离心分离，倒出SOCl2，然后倒入无水200mL THF超声震荡，再离心，反复洗涤三次，产物在真空干燥器内干燥，获得具有酰氯功能基的碳纳米管CNT-(COCl)n。
3)4，4’己二胺对酰胺偶氮苯制备：将10.0g对硝基苯甲酸与锌粉溶解在150mL的30％的氢氧化钠，并加入锌粉1.25g混合，在80℃回流反应24h，混合物用200mL水进行稀释，并再加入3.0g锌粉进行沉淀，三天后得到对二羧基偶氮苯，用色谱柱分离，获得对二羧基偶氮苯(6.3g)。将对二羧基偶氮苯与100mL二氯亚砜混合，回流反应12h，产物溶解在氯仿中，逐滴加入到0.16g/mL对称己二胺氯仿溶液中，反应1h，室温下，搅拌2h，收集沉淀，溶于三氟乙酸中，色谱柱分离，获得4，4’己二胺对酰胺偶氮苯。
4)取上述CNT-(COCl)n 0.5g，并取4.0g的对4，4’酰胺基己胺偶氮苯与之混合，加入到150mL的四氢呋喃中于85℃氮气氛围下充分搅拌，反应96h，然后将混合物冷却至室温，倒入到150mL氯仿与120mL水的混合物中。经过充分搅拌混合，分层后将水层分离、蒸发，获得黑色糊状物。再将其分散到200mlL的氯仿中，滤去不溶物。将滤液进行旋转蒸发除去大量氯仿，然后倒入500ml丙酮中，再进行过滤，真空干燥，获得具有光响应性偶氮苯碳纳米管1.48g。该材料在氯仿中溶解度为76mg/mL，薄膜电导率为1.12S/cm。
实施例2：
1)CNTs酸化：将多壁CNTs加入到硝酸与硫酸按3∶1的混合酸中，配制成0.03g/mL溶液，将其加热至沸腾状态下回流70min，过滤、洗涤至弱酸性，真空干燥48h。
2)酰氯化CNTs制备：将步骤1)获得的酸化CNTs分散在SOCl2中配成0.01g/mL溶液在70℃反应48h，离心分离，倒出SOCl2，然后倒入无水200mL THF超声震荡，再离心，反复洗涤三次，产物在真空干燥器内干燥，获得具有酰氯功能基的碳纳米管CNT-(COCl)n。
3)4，4’辛二胺对酰胺偶氮苯制备：将10.0g对硝基苯甲酸与锌粉溶解在150mL的30％的氢氧化钠，并加入锌粉1.25g混合，在80℃回流反应24h，混合物用200mL水进行稀释，并再加入3.0g锌粉进行沉淀，三天后得到对二羧基偶氮苯，用色谱柱分离，获得对二羧基偶氮苯(6.1g)。将对二羧基偶氮苯与100mL二氯亚砜混合，回流反应12h，产物溶解在氯仿中，逐滴加入到0.16g/mL对称辛二胺氯仿溶液中，反应1h，室温下，搅拌2h，收集沉淀，溶于三氟乙酸中，色谱柱分离，获得4，4’辛二胺对酰胺偶氮苯。
4)取上述CNT-(COCl)n 0.5g，并取4.0g的对4，4’酰胺基辛胺偶氮苯与之混合，加入到150mL的四氢呋喃中于85℃氮气氛围下充分搅拌，反应96h，然后将混合物冷却至室温，倒入到150mL氯仿与120mL水的混合物中。经过充分搅拌混合，分层后将水层分离、蒸发，获得黑色糊状物。再将其分散到200mL的氯仿中，滤去不溶物。将滤液进行旋转蒸发除去大量氯仿，然后倒入500mL丙酮中，再进行过滤，真空干燥，获得具有光响应性偶氮苯碳纳米管1.67g。该材料在氯仿中溶解度为94mg/mL，薄膜电导率为1.06S/cm。
实施例3：
1)CNTs酸化：将单壁CNTs加入到硝酸与硫酸按3∶1的混合酸中，配制成0.03g/mL溶液，将其加热至沸腾状态下回流70min，过滤、洗涤至弱酸性，真空干燥48h。
2)酰氯化CNTs制备：将步骤1)获得的酸化CNTs分散在SOCl2中配成0.01g/mL溶液在70℃反应48h，离心分离，倒出SOCl2，然后倒入无水200mL的THF超声震荡，再离心，反复洗涤三次，产物在真空干燥器内干燥，获得具有酰氯功能基的碳纳米管CNT-(COCl)n。
3)4，4’己二胺对酰胺偶氮苯制备：将10.0g对硝基苯甲酸与锌粉溶解在150mL的30％的氢氧化钠，并加入锌粉1.25g混合，在80℃回流反应24h，混合物用200mL水进行稀释，并再加入3.0g锌粉进行沉淀，三天后得到对二羧基偶氮苯，用色谱柱分离，获得对二羧基偶氮苯(6.3g)。将对二羧基偶氮苯与100mL二氯亚砜混合，回流反应12h，产物溶解在氯仿中，逐滴加入到0.16g/mL对称己二胺氯仿溶液中，反应1h，室温下，搅拌2h，收集沉淀，溶于三氟乙酸中，色谱柱分离，获得4，4’己二胺对酰胺偶氮苯。
4)取上述CNT-(COCl)n 0.5g，并取5.0g的对4，4’酰胺基己胺偶氮苯与之混合，加入到150ml的四氢呋喃中于85℃氮气氛围下充分搅拌，反应96h，然后将混合物冷却至室温，倒入到150ml氯仿与120ml水的混合物中。经过充分搅拌混合，分层后将水层分离、蒸发，获得黑色糊状物。再将其分散到200ml的氯仿中，滤去不溶物。将滤液进行旋转蒸发除去大量氯仿，然后倒入500ml丙酮中，再进行过滤，真空干燥，获得具有光响应性偶氮苯碳纳米管1.53g。该材料在氯仿中溶解度为81mg/mL，薄膜电导率为0.98S/cm。
实施例4：
1)CNTs酸化：将多壁CNTs加入到硝酸与硫酸按3∶1的混合酸中，配制成0.03g/mL溶液，将其加热至沸腾状态下回流70min，过滤、洗涤至弱酸性，真空干燥48h。
2)酰氯化CNTs制备：将步骤1)获得的酸化CNTs分散在SOCl2中配成0.01g/mL溶液在70℃反应48h，离心分离，倒出SOCl2，然后倒入无水200mL THF超声震荡，再离心，反复洗涤三次，产物在真空干燥器内干燥，获得具有酰氯功能基的碳纳米管CNT-(COCl)n。
3)4，4’十二烷基二胺对酰胺偶氮苯制备：将10.0g对硝基苯甲酸与锌粉溶解在150mL的30％的氢氧化钠，并加入锌粉1.25g混合，在80℃回流反应24h，混合物用200mL水进行稀释，并再加入3.0g锌粉进行沉淀，三天后得到对二羧基偶氮苯，用色谱柱分离，获得对二羧基偶氮苯(5.8g)。将对二羧基偶氮苯与100mL二氯亚砜混合，回流反应12h，产物溶解在氯仿中，逐滴加入到0.16g/mL对称十二烷基二胺氯仿溶液中，反应1h，室温下，搅拌2h，收集沉淀，溶于三氟乙酸中，色谱柱分离，获得4，4’十二烷基二胺对酰胺偶氮苯。
4)取上述CNT-(COCl)n 0.5g，并取4.0g的对4，4’酰胺基十二胺偶氮苯与之混合，加入到150mL的四氢呋喃中于85℃氮气氛围下充分搅拌，反应120h，然后将混合物冷却至室温，倒入到150mL氯仿与120mL水的混合物中。经过充分搅拌混合，分层后将水层分离、蒸发，获得黑色糊状物。再将其分散到200mL的氯仿中，滤去不溶物。将滤液进行旋转蒸发除去大量氯仿，然后倒入500mL丙酮中，再进行过滤，真空干燥，获得具有光响应性偶氮苯碳纳米管1.74g。该材料在氯仿中溶解度为112mg/mL，薄膜电导率为0.83S/cm。
Claims (1)
1.一种光响应性偶氮苯接枝碳纳米管材料的制备方法，该方法其特征在于包括以下过程：
1)碳纳米管酸化：将多壁或单壁的碳纳米管加入到硝酸与硫酸按3∶1的混合酸中，配制成0.02-0.05g/mL溶液，将其加热至沸腾状态下回流40-70min，过滤、洗涤至弱酸性，真空干燥48h；
2)酰氯化碳纳米管制备：将步骤1)制得的酸化碳纳米管分散在SOCl2中配成0.008-0.012g/mL溶液在60-80℃反应40-56h，离心分离，倒出SOCl2，然后倒入无水150-300ml THF超声震荡，再离心，反复洗涤三次，产物在真空干燥器内干燥，获得具有酰氯功能基的碳纳米管；
3)对4，4’酰胺直链烷基胺偶氮苯的制备：将对硝基苯甲酸与锌粉按质量比例为1.0∶1-1.8∶1与30-60％的氢氧化钠混合，在80～85℃回流反应24-36h，混合物用大量水稀释，再按与对硝基苯甲酸质量比为2.0∶1-5.0∶1加入锌粉，沉淀三天，得到对二羧基偶氮苯，用色谱柱分离，获得对二羧基偶氮苯，将对二羧基偶氮苯与二氯亚砜混合，回流反应12-18h，产物溶解在氯仿中，逐滴加入到0.1-0.2g/mL的R＝6，8，10或12的直链烷基二胺氯仿溶液中，反应1-2h，室温下，搅拌2-4h，收集沉淀，溶于三氟乙酸中，色谱柱分离，获得对4，4’酰胺直链烷基胺偶氮苯；
4)将对4，4’酰胺直链烷基胺偶氮苯与酰氯功能基的碳纳米管按质量比8∶1-10∶1加入到120-160mL的四氢呋喃中于80-90℃氮气氛围下充分搅拌，反应96-120h，然后将混合物冷却至室温，倒入到120-160mL氯仿与100-140mL水的混合物中，经过充分搅拌混合，分层后将水层分离、蒸发，获得黑色糊状物，再将其分散到180-240mL的氯仿中，滤去不溶物，将滤液进行旋转蒸发除去大量氯仿，然后倒入丙酮中进行过滤，真空干燥，制得具有光响应性偶氮苯碳纳米管。
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