CN105330826A - 一种合成聚吡咯微胶囊的方法 - Google Patents

Abstract

一种合成聚吡咯微胶囊的方法，涉及聚吡咯的合成以及聚吡咯微胶囊合成技术领域，先将过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠和聚乙二醇2000与去离子水混合，然后加入少量丁醇和乙醇，经搅拌后再以过氧乙酸调节混合体系呈强酸性，然后再加入吡咯单体，搅拌反应，取得黑色固体，以环己烷和无水乙醇洗涤后真空干燥，即得聚吡咯微胶囊。本发明成本低、能耗少，利用率高，包裹的芯材可以经过在油性溶剂中释放做乳液聚合的引发剂。

Description

一种合成聚吡咯微胶囊的方法

技术领域

本发明涉及聚吡咯的合成，以及聚吡咯微胶囊合成技术领域，特别是在化学氧化法合成聚吡咯以及原位聚合法合成聚吡咯微胶囊中。

背景技术

聚吡咯是一种既不溶于水，也不溶于大多数有机溶剂，因这个特殊的性质使得聚吡咯在很多方面得到了广泛的应用，聚吡咯可用于生物、离子检测、超电容及防静电材料及光电化学电池的修饰电极、蓄电池的电极材料。还可以作为电磁屏蔽材料和气体分离膜材料，用于电解电容、电催化、导电聚合物复合材料。而以聚吡咯为壳材制备的微胶囊最大的优点就在于无论是在水中，还是在有机溶剂中都能制备出聚吡咯微胶囊，原位聚合法制备微胶囊，要求滴加的单体必须能够很好的溶解在反应的溶剂当中，而生成物必须不溶于反应的溶剂，绝大多数的生成物都会溶于有机溶剂，增加了在有机溶剂中制备微胶囊的难度。而聚吡咯微胶囊中，可以改变其芯材，合成不同的聚吡咯壳材微胶囊，水溶性的芯材，可以在有机溶剂当中制备聚吡咯微胶囊，同样的油溶性的芯材，可以在水溶液当中制备聚吡咯微胶囊，因吡咯单体在水中溶解性不大，但是在酸性水溶液中吡咯的溶解性很大，改变溶液pH，使之成酸性，有氧化剂的存在条件下可以很容易的制备出聚吡咯微胶囊。考虑吡咯单体聚合的条件，温度不宜过高，室温或者冰浴条件下即可，同时有强氧化剂存在，溶液pH呈强酸性等，传统的合成聚吡咯的方法主要有过硫酸铵法、三氯化铁法，过氧化氢法。过硫酸铵呈水溶性，制备以过硫酸铵为芯材，聚吡咯为壳材的微胶囊中只能在有机溶剂中制备，有一定的局限性，而用三氯化铁法制备聚吡咯微胶囊时，铁离子被掺杂进去了，而用过氧化氢法反应慢，耗时长，产量低。《Preparationandcharacterizationofmicrocapsulescontainingammoniumpersulfateascorebyinsitupolymerization》（ChemicalEngineeringJournal249(2014)27–33）与发明名称为《一种高效微胶囊破胶剂及其制备方法》（2012100810368）的专利文献中介绍了以过硫酸铵为芯材，以聚吡咯为壳材制备的聚吡咯微胶囊，以上两种制备方法均在油相三氯甲烷体系中进行，并且由于三氯甲烷具有毒性、具有挥发性，将有可能对人体与环境造成一定的影响。

近年来，随着高层建筑的发展，大量采用轻质建筑材料，但是轻质建筑材料的热容较低，不利于平抑室内温度波动，而向其中加入相变储能材料是解决此问题的有效方法之一，所以相变储能材料对社会的发展至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的聚吡咯微胶囊的合成方法，以弥补传统方法的不足。

本发明技术方案是：先将过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠和聚乙二醇2000与去离子水混合，然后加入少量丁醇和乙醇，经搅拌后再以过氧乙酸调节混合体系呈强酸性，然后再加入吡咯单体，搅拌反应，取得黑色固体，以环己烷和无水乙醇洗涤后真空干燥，即得聚吡咯微胶囊。

本发明以过氧化苯甲酰（经粉末化处理）为芯材，过氧化苯甲酰既是芯材，也是强氧化剂，更是深受大家喜爱的有机引发剂，通过在去离子中加入过氧化苯甲酰和十二烷基硫酸钠，加入少量丁醇、乙醇起到助表面活性剂与消泡的作用，同时十二烷基硫酸钠的加入，其溶解后产生的离子会掺杂到聚吡咯壳材当中，对聚吡咯壳材进行了一定程度的改性（本发明也进行了能谱的测定，测定中含有S元素）。传统工艺中主要滴加盐酸或者乙酸来调节溶液的pH值，本发明中采用过氧乙酸，过氧乙酸既是强氧化剂，也是强酸。如果不加过氧化苯甲酰，以过氧乙酸为强氧化剂，经过48h搅拌，同样能够得到聚吡咯，溶液的颜色呈墨绿色，有少量黑色颗粒。但是得到的聚吡咯产物聚合度低，不稳定，产量低。同时耗时也长，但相对过氧化氢法，其优点在于不需要引入其他酸调节pH值，其自身的酸性就可以达到吡咯聚合的要求，同时也没有其他离子的掺入，所需氧化剂的量也较少。

吡咯单体聚合是在强酸性条件下有强氧化剂且具有阴离子存在的低温条件下才能很好地聚合，因此在反应过程中需要调节混合体系的pH使之呈强酸性即可（不局限于本发明中pH=2），过氧乙酸既是强氧化剂，也具有强酸性，滴加其他酸也能起到调节溶液pH的目的，但是较之其他酸，过氧乙酸只需要滴加少量就能很好的调节体系的pH，另外过氧乙酸的强氧化性也能对吡咯单体的聚合起到促进作用。

本发明的创新点：

1.打破了传统的合成聚吡咯微胶囊的方法。

2.本发明弥补了以过硫酸铵为芯材只能在油性溶剂中制备聚吡咯微胶囊的不足，过氧化苯甲酰为芯材制备聚吡咯微胶囊的方法可以在水溶液当中实施。

3.比起三氯化铁法，本方法中没有金属离子的引入，得到的产物纯度更高。

4.高效性，比过氧化氢法制备的聚吡咯更加高效，耗时少，产量大，杂质少，包裹率高。

5.成本低、能耗少，本发明在很多方面应用广泛，价格低廉易购。

6.改变了传统的以滴加乙酸或者盐酸来调节溶液的pH。

7.利用率高，其包裹的芯材可以经过在油性溶剂中释放做乳液聚合的引发剂。

进一步地，本发明所述过氧化苯甲酰质量占过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠、聚乙二醇2000和去离子水总质量的8.99～10.98%；所述十二烷基硫酸钠质量占过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠、聚乙二醇2000和去离子水总质量的0.45%；所述聚乙二醇2000质量占过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠、聚乙二醇2000和去离子水总质量的0.72～0.77%；所述去离子水质量占过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠、聚乙二醇2000和去离子水总质量的87.8～89.84%。所得配方达到的效果最好，得到的微胶囊分散性最好，其次微胶囊的包裹率最高达到了93.3%。

本发明所述吡咯单体为在经过冷藏后的吡咯单体。将吡咯单体事先进行冷藏（3℃）是由于吡咯单体不稳定，遇光遇热遇氧化剂容易发生反应，同时经过冷藏后的吡咯单体有利于吡咯单体的聚合。

另外本发明中真空干燥的温度为60℃，其主要目的在于缩短聚吡咯微胶囊干燥的时间，加大对乙醇的蒸发量，也使溶剂蒸发完全，但是其干燥的温度也不能太高，温度太高会对聚吡咯微胶囊的晶型结构有影响。快速滴加吡咯单体后，当体系中有氧化剂存在时，呈电中性的一个聚吡咯单体分子会在氧化剂的作用下被氧化失去一个电子，变成阳离子自由基附着在过氧化苯甲酰的表面，然后两个阳离子自由基在体系中碰撞结合成含有两个阳离子自由基的双阳离子二聚吡咯，此时的双阳离子在体系中经过歧化作用生成一个呈电中性的二聚吡咯。电中性的二聚吡咯又会与体系中的阳离子自由基相互结合生成三聚吡咯的阳离子自由基，经过歧化作用而生成三聚体的聚吡咯，周而复始最终生成了长分子链的聚吡咯，很好地包裹在了过氧化苯甲酰表面。

总之，本发明以具有强氧化性的过氧化苯甲酰作为芯材，在水溶液中可有效快捷的合成聚吡咯微胶囊，较之经济环保。另外，改变弱酸乙酸为具有强氧化剂的强酸过氧乙酸，过氧乙酸的强氧化性的协同作用对吡咯单体的聚合起到一定的促进作用。过硫酸铵属于无机盐类，而过氧化苯甲酰属于有机物，两者性质不同。

微胶囊是很好的相变储能材料，通过温度的调控对储能材料进行释放。聚吡咯是一种不溶不熔的绝佳物质，所以聚吡咯是很好的壳材，只需通过添加不同的芯材，调节温度，对聚吡咯微胶囊定时释放。聚吡咯壳材当中添加过硫酸铵、过硫酸钾在油田当中释放是很好的破胶剂，本发明中过氧化苯甲酰芯材在有机溶剂中释放也是很好的引发剂材料等等。

附图说明

图1为实施例1取得的微胶囊TEM图。

图2为实施例2取得的微胶囊TEM图。

图3为实施例3取得的微胶囊TEM图。

图4为实施例4取得的微胶囊TEM图。

图5为实施例5取得的微胶囊TEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行说明，但本发明所使用的范围并不局限于实施案例的范围。

说明：本发明中所使用的药品均为市售产品或实验室常规药品。

吡咯单体事先于避光条件下3℃冷藏，并与酸、强氧化剂隔开。

过氧乙酸的制备：制备过氧乙酸的含量为40%。

实施例1：

在100ml的三口烧瓶中加入40mL水，4.0g过氧化苯甲酰，加入0.20g十二烷基硫酸钠，0.32g聚乙二醇2000，滴加少量丁醇、乙醇，机械搅拌1h后，加入过氧乙酸，调节溶液pH=2左右，滴加经过冷藏的吡咯单体，继续搅拌4-6h，最后得到黑色物质，捞出黑色物质，用环己烷洗1次，用无水乙醇洗3次，60℃真空干燥24h，即可得到产物。得到的产物用透射进行表征，对比其分散性能，并进行包裹率的测定。微胶囊的包裹率为91.8%。取得的微胶囊TEM见图1所示。

实施例2：

在100ml的三口烧瓶中加入40mL水，加入3.8g过氧化苯甲酰，0.16g十二烷基硫酸钠，0.34g聚乙二醇600，滴加少量丁醇、乙醇，机械搅拌1h后，加入过氧乙酸，调节溶液pH=3左右，滴加经过冷藏的吡咯单体，继续搅拌4-6h，最后得到黑色物质，捞出黑色物质，用环己烷洗1次，用无水乙醇洗3次，60℃真空干燥24h，即可得到产物。得到的产物用透射进行表征，对比其分散性能，并进行包裹率的测定。微胶囊的包裹率为90.1%。取得的微胶囊TEM见图2所示。

实施例3：

在100ml的三口烧瓶中加入40mL水，加入3.7g过氧化苯甲酰，0.24g十二烷基硫酸钠，0.28g聚乙二醇600，滴加少量丁醇、乙醇，机械搅拌1h后，加入过氧乙酸，调节溶液pH=4左右，滴加经过冷藏的吡咯单体，继续搅拌4-6h，最后得到黑色物质，捞出黑色物质，用环己烷洗1次，用无水乙醇洗3次，60℃真空干燥24h，即可得到产物。得到的产物用透射进行表征，对比其分散性能，并进行包裹率的测定。微胶囊的包裹率为89.5%。取得的微胶囊TEM见图3所示。

实施例4：

在100ml的三口烧瓶中加入40mL水，加入3.6g过氧化苯甲酰，0.32g十二烷基硫酸钠，0.24g聚乙二醇2000，滴加少量丁醇、乙醇，机械搅拌1h后，加入过氧乙酸，调节溶液pH=5左右，滴加经过冷藏的吡咯单体，继续搅拌4-6h，最后得到黑色物质，捞出黑色物质，用环己烷洗1次，用无水乙醇洗3次，60℃真空干燥24h，即可得到产物。得到的产物用透射进行表征，对比其分散性能，并进行包裹率的测定。微胶囊的包裹率为84.4%。取得的微胶囊TEM见图4所示。

实施例5：

在100ml的三口烧瓶中加入40mL水，加入5.0g过氧化苯甲酰，0.2g十二烷基硫酸钠，0.35g聚乙二醇2000，滴加少量丁醇、乙醇，机械搅拌1h后，加入过氧乙酸，调节溶液pH=2左右，滴加经过冷藏的吡咯单体，继续搅拌4-6h，最后得到黑色物质，捞出黑色物质，用环己烷洗1次，用无水乙醇洗3次，60℃真空干燥24h，即可得到产物。得到的产物用透射进行表征，对比其分散性能，并进行包裹率的测定。微胶囊的包裹率为93.3%。取得的微胶囊TEM见图5所示。

以上各实施例是在其他条件不变的条件下，通过采用不同配比的过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠，聚乙二醇2000从而得出最佳的配方。

本发明采用Tecnai12透射电镜、TecnaiG2F30场发射扫描电镜、以及包裹率等对制备的聚吡咯微胶囊进行表征，虽然制备聚吡咯微胶囊的环境有所差异，但是其结果仍然可以制备出以过氧化苯甲酰为芯材，聚吡咯为壳材的微胶囊。

在本文微胶囊中芯材（过氧化苯甲酰）的含量通过萃取的方法进行测定，以水和乙醇作为溶剂。首先取适量的干燥微胶囊样品进行称重，所得的重量表示为（Wi,m），再将上述各微胶囊样品用水和乙醇各洗3遍，离心分离，取下层黑色固体，真空干燥处理后称重，所得的重量表示为（Wr）。经过下述公式换算后即可得微胶囊中芯材的包裹率，表示为（Em）：

。

结论：通过实施例1、2、3、4、5取得产品的TEM图得出结论，以过氧化苯甲酰为芯材，聚吡咯为壳材，其他条件不变时，pH值对制备微胶囊的影响不大，在强酸性条件下即可，8.99～10.98%过氧化苯甲酰、0.45%十二烷基硫酸钠和0.72～0.77%聚乙二醇2000与87.8～89.84%的去离子水时，所得配方达到的效果最好，得到的微胶囊分散性最好，其次微胶囊的包裹率最高达到了93.3%。

Claims (4)

1.一种合成聚吡咯微胶囊的方法，其特征在于：先将过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠和聚乙二醇2000与去离子水混合，然后加入丁醇和乙醇，经搅拌后再以过氧乙酸调节混合体系呈强酸性，然后再加入吡咯单体，搅拌反应，取得黑色固体，以环己烷和无水乙醇洗涤后真空干燥，即得聚吡咯微胶囊。

2.根据权利要求1所述合成聚吡咯微胶囊的方法，其特征在于：调节混合体系至pH至2后加入吡咯单体。

3.根据权利要求1所述合成聚吡咯微胶囊的方法，其特征在于：

所述过氧化苯甲酰质量占过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠、聚乙二醇2000和去离子水总质量的8.99～10.98%；

所述十二烷基硫酸钠质量占过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠、聚乙二醇2000和去离子水总质量的0.45%；

所述聚乙二醇2000质量占过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠、聚乙二醇2000和去离子水总质量的0.72～0.77%；

所述去离子水质量占过氧化苯甲酰、十二烷基硫酸钠、聚乙二醇2000和去离子水总质量的87.8～89.84%。

4.根据权利要求1或2或3或5所述合成聚吡咯微胶囊的方法，其特征在于：所述真空干燥的温度条件为60℃。