CN101492569A - 氧化石墨片层/聚苯胺复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧化石墨片层/聚苯胺复合材料及其制备方法。该复合材料由以下步骤制备而得:将氧化石墨加到分散剂中超声分散,形成均匀分散的单片层氧化石墨混合液;室温下,向第一步所得混合液中滴加苯胺,继续超声分散形成混合液;将氧化剂加入掺杂酸中得到的溶液逐滴加入第二步所得混合液中,搅拌聚合;将第三步得到的混合液离心、洗涤、真空烘干得到氧化石墨片层/聚苯胺复合材料。本发明充分利用氧化石墨大的比表面积,和表面氧基基团形成结合位点,通过氧化石墨单片层上的羧酸基团的化学掺杂作用,与聚苯胺骨架有机地结合在一起,形成氧化石墨/聚苯胺复合物;制备该产品的操作过程简便,其生产周期短,产率高,对设备要求不高。
Description
技术领域
本发明属于氧化石墨与导电高分子的复合材料技术,特别是一种氧化石墨片层/聚苯胺复合材料及其制备方法。
背景技术
聚苯胺等导电高分子由于具有优异的电性能和电化学性能,特别还具有化学性质稳定和环境友好等优势,是一类备受关注的导电高分子材料,它在超级电容器、化学电源、抗静电、电致变色、电磁屏蔽和生物与化学传感器等方面具有广阔的应用前景。目前的研究表明它已开始在和氧化石墨的复合材料中显示出独特的性质,在电化学储能特别是电化学电容器方面具有广泛的应用前景。
1859年,Brodie制备得到氧化石墨后,氧化石墨就得到了较为广泛地研究。氧化石墨的表面富含大量的氧基功能团,剥层后的氧化石墨片层具有很大的比表面积。目前关于单片层氧化石墨与导电高分子复合的文章,还鲜有报道。而与氧化石墨相近的材料-经酸处理的碳纳米管在与导电高分子复合研究上已经有了较多研究,而且所得复合材料的性能比单一材料要有所提高。因此,氧化石墨与导电高分子的复合物具有很高的利用前景,然而关于氧化石墨单片层与纳米导电高分子复合这方面的研究确很少。
目前,氧化石墨单片层与聚合物的复合工作主要体现在与普通聚合物的机械混合。自氧化石墨单片层比发现,由Sasha Stankovich等人首先将其应用于和高分子材料聚苯乙烯的复合。该复合材料同以往的碳材料和高分子的复合不同之处在于,氧化石墨以剥离的单片层形式均匀分散于高分子材料中,具有较好的导电性。但是,该法制得的氧化石墨/聚苯乙烯复合材料的性能离实际储能系统的要求还有一定的差距。就现有的制备氧化石墨/高分子复合材料的方法中,研究人员采取的措施是先在一定的条件下合成出高分子材料,然后将其添加到氧化石墨片层中,然而,这种方法的缺点是氧化石墨片层的与聚合物的无力结合界面状况不佳,而且分散性不均匀,使得无机、有机单一材料的性能很难在复合材料中较好发挥,复合材料的综合性能不高,尤其是氧化石墨片层的特性;另外操作步骤繁琐、制备条件较苛刻,操作不方便,从而限制了复合物的进一步工业应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导电性良好、制备工艺简单且成本相对较低的氧化石墨片层/聚苯胺复合材料及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种氧化石墨片层/聚苯胺复合材料,由以下步骤制备而得:
第一步,将氧化石墨加到分散剂中超声分散,形成均匀分散的单片层氧化石墨混合液;
第二步,室温下,向第一步所得混合液中滴加苯胺,继续超声分散形成混合液;
第三步,将氧化剂加入掺杂酸中得到的溶液逐滴加入第二步所得混合液中,搅拌聚合;
第四步,将第三步得到的混合液离心、洗涤、真空烘干得到氧化石墨片层/聚苯胺复合材料。
一种氧化石墨片层/聚苯胺复合材料的制备方法,包括以下步骤:
第一步,将氧化石墨加到分散剂中超声分散,形成均匀分散的单片层氧化石墨混合液;
第二步,室温下,向第一步所得混合液中滴加苯胺,继续超声分散形成混合液;
第三步,将氧化剂加入掺杂酸中得到的溶液逐滴加入第二步所得混合液中,搅拌聚合;
第四步,将第三步得到的混合液离心、洗涤、真空烘干得到氧化石墨片层/聚苯胺复合材料。
本发明与现有技术相比,其显著优点:(1)制备方法上,充分利用氧化石墨大的比表面积,和表面氧基基团形成结合位点,通过氧化石墨单片层上的羧酸基团的化学掺杂作用,与聚苯胺骨架有机地结合在一起,形成氧化石墨/聚苯胺复合物;(2)采用通过原位聚合和原位掺杂实现了氧化石墨以片层形式均匀分散于聚苯胺高分子材料中,或使得聚苯胺均匀地沉降在氧化石墨片上,从而降低其团聚性,提高其比表面积的利用率;(3)制备该产品的操作过程简便,和先制备高分子材料再同氧化石墨掺杂的方法相比,其生产周期短,产率高,对设备要求不高,成本较低;(4)应用本发明制备的复合物,结合了氧化石墨和聚苯胺以及纳米材料的特性,可在超级电容电极材料、化学电源、传感器、环境、生命科学等领域有着较好的应用前景和经济效益。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明氧化石墨片层/聚苯胺复合材料制备方法的流程图。
图2是本发明氧化石墨单片层/聚苯胺复合材料的透射电镜图。
具体实施方式
结合图1,本发明氧化石墨片层/聚苯胺复合材料,通过原位聚合和原位掺杂实现了氧化石墨以片层形式均匀分散于聚苯胺高分子材料中,或使得聚苯胺均匀地沉降在氧化石墨片上,由以下步骤制备而得:
第一步,将氧化石墨加到分散剂中超声分散,形成均匀分散的单片层氧化石墨混合液。其中,分散剂可以为水或乙醇。超声时间为20~120min。
第二步,室温下,向第一步所得混合液中滴加苯胺,继续超声分散形成混合液;超声时间为10~60min。
第三步,将氧化剂加入掺杂酸中得到的溶液逐滴加入第二步所得混合液中,搅拌聚合。掺杂酸为无机(如盐酸、硫酸等)或有机酸(如对甲苯磺酸、樟脑磺酸等),氧化剂为过硫酸铵、三氯化铁或双氧水等。搅拌时的温度为0~5℃,搅拌2~6小时,之后升温至室温,继续搅拌2~6h。
第四步,将第三步得到的混合液离心、洗涤、真空烘干得到氧化石墨片层/纳米聚苯胺复合材料。
上述的分散剂与氧化石墨的用量之比1∶1~10∶1,苯胺单体与氧化石墨的用量之比为0.001∶1~50∶1,苯胺单体与氧化剂的摩尔用量之比1∶1~4∶1,氧化剂与掺杂酸的摩尔用量之比为1∶2~1∶5。其中,分散剂、苯胺单体的用量,以微升计;氧化剂、氧化石墨的用量,以毫克计;掺杂酸的用量以毫升计。
实施例1:本发明氧化石墨片层/聚苯胺复合材料制备的方法,包括以下步骤:
第一步,氧化石墨片层的制备。将10g五氧化二磷和10g过硫酸钾加入到80℃、30mL浓硫酸中搅拌30min后取出,常温下反应6h后将产物过滤、洗涤至中性并在常温下晾干至恒重。将上述产物加入到460mL 0℃的浓硫酸中,搅拌并缓慢加入高锰酸钾,同时控制体系温度不超过15℃,搅拌均匀后升温至35±3℃,继续搅拌一定时间后,向体系中缓慢加入1L去离子水,控制温度不超过100℃,继续搅拌15min.加入2.8L去离子水和50mL质量浓度为30%的双氧水。搅拌5min后将所得棕色悬浮液抽滤、透析至滤液中没有硫酸根离子。将产物在60℃下真空烘干;
第二步,将10mg氧化石墨加入50mL水或乙醇中,超声20~120min。
第三步,将苯胺单体滴加到第二步产物中,超声10~60min分散形成0.1mol/L苯胺的混合液。
第四步,在0~5℃下,向第三步所得体系中逐滴加入0.1mol/L过硫酸铵的0.5mol/L盐酸溶液10mL,并继续搅拌2h后,升温至室温,继续搅拌2h。
第五步,将上述混合液离心洗涤,用水、乙醇反复洗涤后,经40℃真空干燥得氧化石墨单片层/纳米聚苯胺复合材料。
所得复合材料的透射电镜图见图2(A),如图所示,复合材料中的球形聚苯胺被氧化石墨片层所包裹,聚苯胺的颗粒大小均匀,平均直径约200nm,形成了附着良好的氧化石墨片层基的聚苯胺复合物。
实施例2:本发明氧化石墨片层/聚苯胺复合材料制备的方法,包括以下步骤:
第一步,同实施例1中的步骤一。
第二步,将1mg氧化石墨加入50mL水或乙醇中,超声20~120min。
第三步,将苯胺单体滴加到第二步产物中,超声10~60min分散形成0.2mol/L苯胺的混合液。
第四步,在0~5℃下,向第三步所得体系中逐滴加入0.05mol/L过硫酸铵的0.1mol/L硫酸溶液10mL,并继续搅拌2h后,升温至室温,继续搅拌6h。
第五步,同实例1中的步骤五。
所得复合材料的透射电镜图见图2(B),如图所示,复合材料中的纳米纤维形的聚苯胺长在了氧化石墨片层中,聚苯胺的纤维平均直径约100~200nm,形成了附着良好的氧化石墨片层基的聚苯胺复合物。
实施例3:本发明氧化石墨片层/聚苯胺复合材料制备的方法,包括以下步骤:
第一步,同实施例1中的步骤一。
第二步,将1mg氧化石墨加入100mL水或乙醇中,超声20~120min。
第三步,将苯胺单体滴加到第二步产物中,超声10~60min分散形成0.1mol/L苯胺的混合液。
第四步,在0~5℃下,向第三步所得体系中逐滴加入0.15mol/L FeCl3的0.6mol/L对甲苯磺酸酸溶液10mL,并继续搅拌4h后,升温至室温,继续搅拌2h。
第五步,同实例1中的步骤五。
所得复合材料的透射电镜图见图2(C),如图所示,复合材料中的聚苯胺呈海参装,表面的纳米纤维与氧化石墨片层紧紧生长在一起,形成了附着良好的聚苯胺纳米纤维基的氧化石墨片层复合物。
实施例4:本发明氧化石墨片层/聚苯胺复合材料制备的方法,包括以下步骤:
第一步,同实施例1中的步骤一。
第二步,将10mg氧化石墨加入50mL乙醇中,超声20~120min。
第三步,将0.1mL苯胺单体滴加到第二步产物中,超声10~30min分散形成混合液。
第四步,在0~5℃下,向第三步所得体系中逐滴加入0.05mol/L H2O2的0.2mol/L樟脑磺酸溶液10mL,并继续搅拌6h后,升温至室温,继续搅拌6h。
第五步,同实例1中的步骤五。
实施例5:本发明氧化石墨片层/聚苯胺复合材料制备的方法,包括以下步骤:
第一步,同实施例1中的步骤一。
第二步,将1mg氧化石墨加入50mL水或乙醇中,超声20~120min。
第三步,将苯胺单体滴加到第二步产物中,超声10~60min分散形成0.1mol/L苯胺的混合液。
第四步,在0~5℃下,向第三步所得体系中逐滴加入0.05mol/L·过硫酸铵的0.2mol/L盐酸溶液10mL,并继续搅拌2h后,升温至室温,继续搅拌6h。
第五步,同实例1中的步骤五。
所得复合材料的透射电镜图见图2(D),如图所示,复合材料中的球形聚苯胺与氧化石墨表面的羧基由化学键结合紧密地附着在氧化石墨片层表面或中间,聚苯胺的颗粒分散均匀,平均直径约100~200nm。
Claims (9)
1、一种氧化石墨片层/聚苯胺复合材料,其特征在于由以下步骤制备而得:
第一步,将氧化石墨加到分散剂中超声分散,形成均匀分散的单片层氧化石墨混合液;
第二步,室温下,向第一步所得混合液中滴加苯胺,继续超声分散形成混合液;
第三步,将氧化剂加入掺杂酸中得到的溶液逐滴加入第二步所得混合液中,搅拌聚合;
第四步,将第三步得到的混合液离心、洗涤、真空烘干得到氧化石墨片层/聚苯胺复合材料。
2、一种氧化石墨片层/聚苯胺复合材料的制备方法,包括以下步骤:
第一步,将氧化石墨加到分散剂中超声分散,形成均匀分散的单片层氧化石墨混合液;
第二步,室温下,向第一步所得混合液中滴加苯胺,继续超声分散形成混合液;
第三步,将氧化剂加入掺杂酸中得到的溶液逐滴加入第二步所得混合液中,搅拌聚合;
第四步,将第三步得到的混合液离心、洗涤、真空烘干得到氧化石墨片层/聚苯胺复合材料。
3、根据权利要求2所述的氧化石墨片层/聚苯胺复合材料的制备方法,其特征在于分散剂为水或乙醇。
4、根据权利要求2所述的氧化石墨片层/聚苯胺复合材料的制备方法,其特征在于:掺杂酸为无机酸或有机酸。
5、根据权利要求4所述的氧化石墨片层/聚苯胺复合材料的制备方法,其特征在于:无机酸为盐酸或硫酸,有机酸为对甲苯磺酸或樟脑磺酸。
6、根据权利要求2所述的氧化石墨片层/聚苯胺复合材料的制备方法,其特征在于:氧化剂为过硫酸铵、三氯化铁或双氧水。
7、根据权利要求2所述的氧化石墨片层/聚苯胺复合材料的制备方法,其特征在于:分散剂与氧化石墨的用量之比1∶1~10∶1,苯胺单体与氧化石墨的用量之比为0.001∶1~50∶1,苯胺单体与氧化剂的摩尔用量之比1∶1~4∶1,氧化剂与掺杂酸的摩尔用量之比为1∶2~1∶5;其中,分散剂、苯胺单体的用量,以微升计;氧化剂、氧化石墨的用量,以毫克计;掺杂酸的用量以毫升计。
8、根据权利要求2所述的氧化石墨片层/聚苯胺复合材料的制备方法,其特征在于:第一步中超声时间为20~120min;第二步中超声时间为10~60min。
9、根据权利要求2所述的氧化石墨片层/聚苯胺复合材料的制备方法,其特征在于:第三步中加入氧化剂搅拌时的温度为0~5℃,搅拌2~6小时,之后升温至室温,继续搅拌2~6小时。
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