CN103131105B - 膨胀石墨改性聚四氟乙烯/聚苯胺导电塑料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膨胀石墨改性聚四氟乙烯/聚苯胺导电塑料，将聚四氟乙烯和聚苯胺复合在一起，同时添加膨胀石墨和纳米银改性。制得的材料导电和导热性能好，具有较好的耐腐蚀性能，易于加工成型、廉价易得的，可作为吸附水中污染物的阴极材料使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种导电塑料，特别涉及一种由膨胀石墨改性的聚四氟乙烯/聚苯胺导电塑料。
背景技术
聚苯胺具有稳定性好、电导率高、掺杂机制特殊等优点，且制备成本低，是最具应用前景的导电高聚物之一，但由于分子间的强烈作用和高刚性链导致其难溶熔、难加工，在很大程度上限制了应用。由于聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚砜等是综合性能很优异的塑料，具有优良的化学稳定性，并且具有较好的力学性能.将聚苯胺与其复合在一定程度上可以提高聚苯胺的可加工性。
碳是自然界最普遍存在的元素之一，碳的化合物的成键方式和结构也极其丰富，膨胀石墨便是其中一种性能优异的新型的纳米碳素材料。膨胀石墨是由一些分子、原子、离子或粒子团在特定条件下插入到石墨层间，首先形成了石墨层间化合物，石墨层间化合物又在瞬间高温作用下，内部所含插层物质急剧分解气化，剧烈膨胀达到数十倍甚至数百倍，形成了膨胀石墨，又形象的称其为“蠕虫石墨”。膨胀石墨的表面是由大量厚度为 100nm～400nm 的石墨微片构成，膨胀石墨内部在插层物质插入以及膨化过程中产生了大量丰富的孔径约为 10nm～10µm的孔隙结构，因此具有更高的比表面积、表面活性和非极性，能够使一般的有机分子甚至大分子溶液均容易渗透、插入到膨胀石墨的微孔中，为导电材料的填入提供更广阔的空间，以其制备导电性能更为良好的导电复合材料。由于膨胀石墨独特的结构特点，其不仅具备石墨—耐高温、耐低温、耐腐蚀、导电、导热等理化性能，并且还赋予了原有石墨和插层物质均不具备的更多优良性能，被广泛应用在各个领域中。
电化学方法是目前处理加工工业废水的最有前途的方法，它具有与环境相容的优点，因为它所用的试剂—电子是一种清洁的试剂。目前，在利用阴、阳极共同作用产生无污染高电催化活性的 H2O2降解水中污染物工艺中，研制具有高电催化活性阳极材料已取得较大突破，主要为电活性 DSA 电极，并已开始应用于难生物降解废水的治理中，而对阴极在降解有机污染物中的作用的研究较少。已受到关注的阴极材料大多为石墨、网状多孔碳电极、碳/聚四氟乙烯充氧电极和汞电极等，但所采用的阴极材料大多具有较高析氢过电位，使降解过程中电流效率低、能耗较高，因此研制具备较低析氢过电位、良好导电性和稳定性、耐腐蚀、机械强度高等更高性能的阴极材料是本课题研究的主要方向。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种导电和导热性能好，具有较好的耐腐蚀性能，易于加工成型、廉价易得的，可用于吸附水中污染物的阴极材料。
为了实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：包括如下组分及其重量份配比：聚四氟乙烯 100份；膨胀石墨 2～4份；聚苯胺30～40份；纳米银 1～5份。
所述纳米银的粒径为10～20nm。所述膨胀石墨的膨胀倍数为250～300。
膨胀石墨具有优良的导电性及稳定性，将其添加在活性炭中，制备多孔隙结构膨胀石墨改性的碳/聚四氟乙烯复合导电材料，具有如下优良特性：
(1) 膨胀石墨具有超导电、导热等的优良性能，将膨胀石墨与其他材料复合可以大大提高材料的导电性能，提高电流效率，减少能耗。
(2) 膨胀石墨耐高温氧化、耐辐射、耐强氧化剂腐蚀，因此由其制备的电极材料稳定性好，可长期使用，并且具备质量轻，易成型、成本低等特点。
(3) 膨胀石墨丰富的网状结构，具有更大的比表面积，减少了电流通过时的真实电流密度，降低了导电过程中的析氢过电位。并可通过调节膨胀石墨的用量来改变材料的电性能，随着膨胀石墨量的增加，导电粒子之间的距离变小，最终产生了可以让电子自由运动的导体通道而形成导电网络，提高了导电材料的导电性。
聚苯胺具有稳定性好、电导率高、掺杂机制特殊等优点，且制备成本低，是最具应用前景的导电高聚物之一，但由于分子间的强烈作用和高刚性链导致其难溶熔、难加工，在很大程度上限制了应用。由于聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚砜等是综合性能很优异的塑料，具有优良的化学稳定性，并且具有较好的力学性能.将聚苯胺与其复合在一定程度上可以提高聚苯胺的可加工性。
加入纳米银的目的同样也是为了提高材料的导电性和导热性能。
本发明制得的材料导电和导热性能好，具有较好的耐腐蚀性能，易于加工成型、廉价易得的，可作为吸附水中污染物的阴极材料使用。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一：
按以下重量配比准备原料：聚四氟乙烯100份；鳞片石墨 4份；聚苯胺40份；纳米银1份；表面活性剂 2份；二甲基甲酰胺 20份；高锰酸钾 0.5份；浓硫酸24份；1mol/L硫酸溶液80份。
将高锰酸钾和鳞片石墨加入浓硫酸溶液中，水浴50℃恒温搅拌2h，过滤，用去离子水多次洗涤后在80℃烘箱中烘干，800W的微波作用20s制得膨胀石墨；
在60℃水浴将膨胀石墨、纳米银加入二甲基甲酰胺中搅拌均匀后，分多次加入聚四氟乙烯乳液中，恒温搅拌2h；
将聚苯胺加入1mol/L硫酸溶液中，40℃恒温下搅拌20min，加入表面活性剂继续搅拌30min后加入聚四氟乙烯乳液中搅拌2h，超声处理30min后，90℃真空干燥24h即得导电塑料。
制得的导电塑料包括如下组分及其重量份配比：聚四氟乙烯 100份；膨胀石墨 4份；聚苯胺40份；纳米银 1份。
实施例二：
按以下重量配比准备原料：聚四氟乙烯乳液 100份；鳞片石墨3份；聚苯胺35份；纳米银 2份；表面活性剂 2份；苯甲酸15份；高锰酸钾 0.8份；浓硫酸18份；1mol/L硫酸溶液70份。
在60℃水浴将膨胀石墨、纳米银加入苯甲酸中搅拌均匀后，分多次加入聚四氟乙烯乳液中，恒温搅拌2h；
将聚苯胺加入1mol/L硫酸溶液中，40℃恒温下搅拌20min，加入表面活性剂继续搅拌30min后加入聚四氟乙烯乳液中搅拌2h，超声处理30min后，90℃真空干燥24h即得导电塑料。
制得的导电塑料包括如下组分及其重量份配比：聚四氟乙烯 100份；膨胀石墨 3份；聚苯胺35份；纳米银 2份。
实施例三：
按以下重量配比准备原料：聚四氟乙烯乳液 100份；鳞片石墨 2份；聚苯胺30份；纳米银 5份；表面活性剂 1份；二甲基亚砜 10份；高锰酸钾 0.6份；浓硫酸6份；1mol/L硫酸溶液60份。
在60℃水浴将膨胀石墨、纳米银加入二甲基亚砜中搅拌均匀后，分多次加入聚四氟乙烯乳液中，恒温搅拌2h；
将聚苯胺加入1mol/L硫酸溶液中，40℃恒温下搅拌20min，加入表面活性剂继续搅拌30min后加入聚四氟乙烯乳液中搅拌2h，超声处理30min后，90℃真空干燥24h即得导电塑料。
制得的导电塑料包括如下组分及其重量份配比：聚四氟乙烯 100份；膨胀石墨 2份；聚苯胺30份；纳米银 5份。
实施例四：
按以下重量配比准备原料：聚四氟乙烯乳液 100份；鳞片石墨3份；聚苯胺30份；纳米银 4份；表面活性剂 1份；二甲基亚砜 10份；高锰酸钾 0.7份；浓硫酸12份；1mol/L硫酸溶液65份。
在60℃水浴将膨胀石墨、纳米银加入二甲基亚砜中搅拌均匀后，分多次加入聚四氟乙烯乳液中，恒温搅拌2h；
将聚苯胺加入1mol/L硫酸溶液中，40℃恒温下搅拌20min，加入表面活性剂继续搅拌30min后加入聚四氟乙烯乳液中搅拌2h，超声处理30min后，90℃真空干燥24h即得导电塑料。
制得的导电塑料包括如下组分及其重量份配比：聚四氟乙烯 100份；膨胀石墨 3份；聚苯胺30份；纳米银 4份。
实施例五：
按以下重量配比准备原料：聚四氟乙烯乳液 100份；鳞片石墨 4份；聚苯胺38份；纳米银 4份；表面活性剂 2份；二甲基吡咯烷酮 10份；高锰酸钾 0.5份；浓硫酸20份；1mol/L硫酸溶液75。
在60℃水浴将膨胀石墨、纳米银加入二甲基吡咯烷酮中搅拌均匀后，分多次加入聚四氟乙烯乳液中，恒温搅拌2h；
将聚苯胺加入1mol/L硫酸溶液中，40℃恒温下搅拌20min，加入表面活性剂继续搅拌30min后加入聚四氟乙烯乳液中搅拌2h，超声处理30min后，90℃真空干燥24h即得导电塑料。
制得的导电塑料包括如下组分及其重量份配比：聚四氟乙烯 100份；膨胀石墨 4份；聚苯胺38份；纳米银 4份。
性能测试：
（1）导电性：伏安法，初始电位：-1.8 V；开关电位 1：-1.8 V；开关电位 2：0 V；扫描速度 ：0.05 V/s；电流灵敏度：100 µA；滤波参数：100 Hz；放大倍率：1。
（2）作为负极材料的电催化性能：以 Ti/IrO2/RuO2为阳极，导电塑料电极为阴极，采用为棉布隔膜材料，对含一定浓度有机染料罗丹明 B 的模拟废水进行电化学降解。
测试结果：导电塑料的电阻在90～110 Ω；作为负极材料电解 100min 后，罗丹明B 的脱色率均能达到 100%。表明本发明制得的材料导电和导热性能好，具有较好的耐腐蚀性能，易于加工成型、廉价易得的，可作为吸附水中污染物的阴极材料使用。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种膨胀石墨改性聚四氟乙烯/ 聚苯胺导电塑料，其特征在于包括如下组分及其重量份配比：聚四氟乙烯 100 份；膨胀石墨 2 ～ 4 份；聚苯胺30 ～ 40 份；纳米银 1 ～ 5份；
所述纳米银的粒径为10 ～ 20nm；
所述膨胀石墨的膨胀倍数为250 ～ 300；
所述导电塑料采用以下步骤制备获得：
(1) 按以下重量配比准备原料：聚四氟乙烯乳液 100 份；鳞片石墨 4 份；聚苯胺40份；纳米银1份；表面活性剂2 份；溶剂为二甲基酰胺20份；高锰酸钾0.5份；浓硫酸24 份；1mol/L 硫酸溶液80 份；或聚四氟乙烯乳液 100 份；鳞片石墨3份；聚苯胺35份；纳米银2份；表面活性剂2 份；溶剂为苯甲酸15份；高锰酸钾0.8 份；浓硫酸18份；1mol/L 硫酸溶液70份；或聚四氟乙烯乳液 100 份；鳞片石墨2 份；聚苯胺30份；纳米银5 份；表面活性剂1份；溶剂为二甲基亚砜10份；高锰酸钾0.6份；浓硫酸6份；1mol/L 硫酸溶液60 份；或聚四氟乙烯乳液 100 份；鳞片石墨3份；聚苯胺30份；纳米银4份；表面活性剂1 份；溶剂为二甲基亚砜10份；高锰酸钾0.7份；浓硫酸12份；1mol/L 硫酸溶液65份；或聚四氟乙烯乳液 100份；鳞片石墨4 份；聚苯胺38份；纳米银4份；表面活性剂2 份；溶剂为二甲基吡咯烷酮10份；高锰酸钾0.5份；浓硫酸20份；1mol/L 硫酸溶液75份；
(2) 将高锰酸钾和鳞片石墨加入浓硫酸溶液中，水浴50℃恒温搅拌2h，过滤，用去离子水多次洗涤后在80℃烘箱中烘干，800W 的微波作用20s 制得膨胀石墨；
(3) 在60℃水浴将膨胀石墨、纳米银加入溶剂中搅拌均匀后，分多次加入聚四氟乙烯乳液中，恒温搅拌2h ；
(4) 将聚苯胺加入1mol/L 硫酸溶液中，40℃恒温下搅拌20min，加入表面活性剂继续搅拌30min 后加入聚四氟乙烯乳液中搅拌2h，超声处理30min 后，90℃真空干燥24h 即得导电塑料。
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