CN102432845A - 聚3,4-双乙基羟基噻吩气敏材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料及其制备方法，属于有机电子材料技术领域。本发明通过简单的格式反应将有机磷敏感官能团-乙基羟基引入噻吩单体，通过氧化聚合反应得到了一类支链含有乙基羟基的噻吩类有机磷敏感聚合物材料。由于在噻吩中引入了羟基，使得本发明的聚合物敏感材料可以对神经毒气及其模拟剂产生选择性吸附，增强了敏感材料的灵敏度和选择性。同时，本发明提供的聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料由于在一个噻吩重复单元上引人了两个乙基羟基，进一步增强了灵敏度。本发明可应用于神经毒气的检测。
Description
技术领域
本发明属于有机电子材料技术领域，涉及气体敏感材料，具体指一种聚噻吩衍生物气敏材料及其制备方法。
背景技术
导电聚合物主要有聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)和聚噻吩(PTH)，是一类常用的气敏材料，广泛用于探测各种无机和有机挥发性气体(VOC)，如NH3、NOx、H2S、HCl、CO、H2、O3、CO2、CHCl3、CCl4、甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、甲醛、乙醛、二乙醚、醋酸、三甲胺等。但该类材料用于探测化学战剂的报道很少，原因在于现有导电聚合物材料的灵敏度不够，无法满足对神经毒气、芥子气等的探测要求。据文献Collins G E，Buckley L J.Conductive polymer-coated fabrics for chemical sensing.Synthetic metal，1996，78：93-101报道，在聚苯胺和聚吡咯中，聚吡咯对神经毒气的模拟剂甲基磷酸二甲酯(DMMP)的灵敏度最高，但对于28ppm DMMP传感器的电阻变化仅有-0.40％，最小探测极限只有数ppm。文献Khalil S，Bansal L，El-SherifM，Intrinsic fiber optic chemical sensor for the detection of dimethyl methylphosphonate，Opt.Eng.2004，43：2683-2688报道了一种以PPy作为包层的光纤传感器，对134ppm的DMMP的响应为20mV，最小探测极限在10ppm以上。在文献中，还没有关于聚噻吩及其衍生物用于神经毒气测量的报道。
发明内容
本发明提供一种聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料及其制备方法，所述聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料的主体材料为聚3，4-双乙基羟基噻吩。本发明通过简单的格式反应将有机磷敏感官能团-乙基羟基引入噻吩单体，通过氧化聚合反应得到了一类支链含有乙基羟基的噻吩类有机磷敏感聚合物材料。由于在噻吩中引入了羟基，使得本发明的聚合物敏感材料可以对神经毒气及其模拟剂产生选择性吸附，增强了敏感材料的灵敏度和选择性。
所要解决的技术问题是如何提供一种改性的聚噻吩气敏材料及其制备方法，以提高聚噻吩类材料对神经毒气的灵敏度和选择性。
本发明技术方案为：
聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料，其主体材料为聚3，4-双乙基羟基噻吩，是一种低聚合度的、黄绿色液体，分子结构式为：
聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：3，4-二溴化镁噻吩单体的制备；
采用镁粉与3，4-二溴噻吩进行回流搅拌反应，得到3，4-二溴化镁噻吩单体；反应式为：
步骤2：3，4-双乙基羟基噻吩单体的制备；
采用环氧乙烷与步骤1所得3，4-二溴化镁噻吩单体的格氏试剂在酸性条件下进行回流反应，生成淡黄色液体-即3，4-双乙基羟基噻吩单体，反应式为：
然后采用CH2Cl2对3，4-双乙基羟基噻吩单体进行萃取提纯；
步骤3：氧化聚合；
将经步骤2萃取提纯后的3，4-双乙基羟基噻吩单体滴加到三氯化铁的三氯甲烷溶液中，室温下氧化聚合，最终得到黄绿色液体-即聚3，4-双乙基羟基噻吩；其中聚合反应的反应式为：
本发明技术方案的进一步描述为：
1、步骤1中镁粉与3，4-二溴噻吩的摩尔比大于2；镁粉与3，4-二溴噻吩的回流搅拌反应 是在氮气保护下反应6～10小时。
2、步骤2制备3，4-双乙基羟基噻吩单体时，所述环氧乙烷与3，4-二溴化镁噻吩单体的摩尔比大于2；首先将环氧乙烷加入到步骤1制备的3，4-二溴化镁噻吩单体中，在冰水浴下搅拌2～4小时；然后于40℃下回流反应12～16小时，再加入稀盐酸搅拌1～3小时；最后用CH2Cl2萃取提纯，得到黄绿色液体-即聚3，4-双乙基羟基噻吩。
3、步骤3氧化聚合时，所用三氯化铁的三氯甲烷溶液的摩尔浓度为0.6M；所述3，4-双乙基羟基噻吩单体与三氯化铁的三氯甲烷溶液的体积比为1∶(3～6)；具体氧化聚合时，在氮气保护下将步骤得到的3，4-双乙基羟基噻吩单体滴加到三氯化铁的三氯甲烷溶液中，室温下反应24小时，再依次用10％氢氧化钠溶液、10％稀盐酸和甲醛洗涤混合液3-5次，减压蒸馏得到聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料。
本发明的技术核心在于通过操作简单的格式反应将有机磷敏感官能团-乙基羟基引入噻吩单体，通过氧化聚合反应得到了一类支链含有乙基羟基的噻吩类有机磷敏感聚合物材料。由于在噻吩中引入了羟基，使得本发明的聚合物敏感材料可以对神经毒气及其模拟剂产生选择性吸附，增强了敏感材料的灵敏度和选择性。同时，本发明提供的聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料由于在一个噻吩重复单元上引人了两个乙基羟基，进一步增强了灵敏度。本发明可应用于神经毒气的检测。
附图说明
图1为本发明的聚3，4-双乙基羟基的噻吩的结构示意图；
图2为本发明的聚3，4-双乙基羟基的噻吩的红外光谱图；
图3为本发明的聚3，4-双乙基羟基的噻吩声表面波传感器对DMMP的响应曲线；
图4为本发明的聚3，4-双乙基羟基的噻吩声表面波传感器的选择性。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步的说明。
本发明所提供的聚3，4-双乙基羟基的噻吩气敏材料的分子结构式如图1所示。制备方法的实施例如下：
实施例1
在氮气保护下，把1g(0.041mol)镁粉，加入到4.84g(0.02mol)3，4-二溴噻吩中，于68℃回流搅拌6h，冷却至室温，然后将溶液放置于冰水混合液中，加入2g(0.045mol)环氧乙烷，低温搅拌2h后，再于40℃回流搅拌12h。待反应液冷至室温后，向其中滴加10ml10％稀盐酸， 继续搅拌2h。最终得到的反应产物分别以稀盐酸、去离子水洗涤，用CH2Cl2萃取，反复三次，萃取出有机相，减压蒸馏溶剂，得到淡黄色液体，该液体即为3，4-双乙基羟基的噻吩的单体，该步反应的收率为75.3％。
将10g(0.06mol)三氯化铁溶于100ml三氯甲烷，超声搅拌30min。在氮气保护下，向该三氯化铁/三氯甲烷溶液中滴加前面一步反应中合成的全部3，4-双乙基羟基的噻吩单体，滴加完毕后，室温搅拌24h。然后将混合液在10％氢氧化钠溶液、10％稀盐酸和甲醛中依次清洗，反复三次，最后减压蒸馏出溶剂，得到黄绿色液体，即为本发明的最终产物聚3，4-双乙基羟基的噻吩，该步反应的收率为67.8％。
合成的聚3，4-双乙基羟基的噻吩的红外吸收光谱如图2所示，其中3424.9cm-1为-OH的特征峰，3110cm-1为＝C-H的伸缩振动峰，2959cm-1，2922cm-1为-CH2的C-H的反对称伸缩振动峰，2852cm-1为-CH2的C-H的对称伸缩振动峰，1685cm-1，1641cm-1为C＝CDE伸缩振动峰，1474cm-1为-CH2的变形振动峰，1328cm-1为C-O的伸缩振动峰。该图说明合成的材料是聚3，4-双乙基羟基的噻吩，并且材料中含有-OH功能团。
聚3，4-双乙基羟基的噻吩不导电，因此该敏感材料无法用于电阻型传感器，但可用于声表面波等其他类型的传感器。
将聚3，4-双乙基羟基的噻吩溶于三氯甲烷，利用气喷法在频率为433.92MHz的声表面波器件上制备敏感薄膜，进而获得声表面波气体传感器。薄膜沉积后，声表面波器件的初始频率偏移为663kHz。
图4为该SAW传感器在16℃时对五种不同浓度DMMP气体的实时响应曲线。可见，聚3，4-双乙基羟基的噻吩-SAW传感器对DMMP的响应和解吸都很快，解吸彻底，基线稳定无明显的漂移，传感器的灵敏度为274Hz/ppm。检测限理论上可达0.01ppm。
图5为聚3，4-双乙基羟基的噻吩-SAW传感器对DMMP及几种有机蒸汽和水的选择性，该图系在18℃测试各种蒸汽的饱和浓度后经归一化后获得。可见，聚3，4-双乙基羟基的噻吩对DMMP的响应远远大于其他蒸汽，对神经毒气具有良好的选择性。
Claims (8)
1.聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料，其主体材料为聚3，4-双乙基羟基噻吩，是一种低聚合度的、黄绿色液体，分子结构式为：
2.聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：3，4-二溴化镁噻吩单体的制备；
采用镁粉与3，4-二溴噻吩进行回流搅拌反应，得到3，4-二溴化镁噻吩单体；反应式为：
步骤2：3，4-双乙基羟基噻吩单体的制备；
采用环氧乙烷与步骤1所得3，4-二溴化镁噻吩单体的格氏试剂在酸性条件下进行回流反应，生成淡黄色液体-即3，4-双乙基羟基噻吩单体，反应式为：
然后采用CH2Cl2对3，4-双乙基羟基噻吩单体进行萃取提纯；
步骤3：氧化聚合；
将经步骤2萃取提纯后的3，4-双乙基羟基噻吩单体滴加到三氯化铁的三氯甲烷溶液中，室温下氧化聚合，最终得到黄绿色液体-即聚3，4-双乙基羟基噻吩；其中聚合反应的反应式为：
3.根据权利要求2所述的聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤1中镁粉与3，4-二溴噻吩的摩尔比大于2。
4.根据权利要求2所述的聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤1中镁粉与3，4-二溴噻吩的回流搅拌反应是在氮气保护下反应6～10小时。
5.根据权利要求2所述的聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤2制备3，4-双乙基羟基噻吩单体时，所述环氧乙烷与3，4-二溴化镁噻吩单体的摩尔比大于2。
6.根据权利要求2所述的聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤2制备3，4-双乙基羟基噻吩单体时，首先将环氧乙烷加入到步骤1制备的3，4-二溴化镁噻吩单体中，在冰水浴下搅拌2～4小时；然后于40℃下回流反应12～16小时，再加入稀盐酸搅拌1～3小时；最后用CH2Cl2萃取提纯，得到黄绿色液体-即聚3，4-双乙基羟基噻吩。
7.根据权利要求2所述的聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤3氧化聚合时，所用三氯化铁的三氯甲烷溶液的摩尔浓度为0.6M；所述3，4-双乙基羟基噻吩单体与三氯化铁的三氯甲烷溶液的体积比为1∶(3～6)。
8.根据权利要求2所述的聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤3氧化聚合时，在氮气保护下将步骤得到的3，4-双乙基羟基噻吩单体滴加到三氯化铁的三氯甲烷溶液中，室温下反应24小时，再依次用10％氢氧化钠溶液、10％稀盐酸和甲醛洗涤混合液3-5次，减压蒸馏得到聚3，4-双乙基羟基噻吩气敏材料。
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Patent Citations (5)
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