CN109251326A - 水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法。该方法通过将导电高分子单体溶解在有机溶剂中，然后同时加入过硫酸盐水溶液和三价铁盐协同氧化聚合导电高分子单体，得到导电高分子聚合物纳米颗粒。该方法制备的导电高分子聚合物纳米颗粒能在水溶液中长时间均匀稳定的分散，并且具有优异的导电性。

Description

水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法
技术领域
本本发明涉及了一种导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，特别是具有良好水相分散性和导电性的高分子聚合物纳米颗粒的制备方法。
背景技术
导电高分子聚合物广泛应用于电子、医学、生物等多个领域。然而大多数导电高分子聚合物，如聚3,4-乙烯二氧噻吩、聚吡咯、聚苯胺，都是刚性共轭链结构，一般不溶不熔，成型加工困难，在实际应用中受到限制。而大多数导电复合材料都需要将导电聚合物纳米颗粒分散在各种溶剂相中，然后进行加工，但由于导电聚合物纳米颗粒的比表面积大、表面能高,易发生粒子凝并、团聚，使粒径变大，这样易失去纳米微粒所具备的功能。传统的分散导电纳米颗粒的方法是添加分散剂，但是添加分散剂会影响材料的导电性能，从而影响材料在实际中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有良好水相分散性的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：一种水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，包括，如下步骤：
A.导电高分子单体溶液的配制：
将导电高分子单体加入到有机溶剂中，充分搅拌，得到质量浓度为0.04％～2％的导电高分子单体溶液；
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸盐，溶于去离子水中，得到质量浓度为5％～30％的过硫酸盐水溶液；
C.导电高分子聚合物纳米颗粒的制备：
向导电高分子单体溶液加入过硫酸盐水溶液，二者质量比为，导电高分子单体：过硫酸盐＝1:1～20，搅拌均匀后，称取三价铁盐质量比为导电高分子单体：三价铁盐＝1:1～50，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌1～9天；然后，离心并用去离子水清洗数次；将得到导电高分子聚合物纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的导电高分子聚合物纳米颗粒水溶液；
步骤A中所用的有机溶剂为无水乙醇，甲醇，丙三醇或丙酮；
步骤A中所用的导电高分子单体是吡咯单体、苯胺单体、噻吩类单体或5-羧基吲哚单体；
步骤B中所用的过硫酸盐是过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠；
步骤C中所用的三价铁盐是三氯化铁、硫酸铁、硝酸铁或硫酸铁铵。
实现本发明目的所采用的技术方案是，一种具有良好水相分散性的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，其具体步骤如下：
一种具有良好水相分散性的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，其具体步骤如下：
A.导电高分子单体溶液的配制：
将导电高分子单体加入到有机溶剂中，充分搅拌，得到导电高分子单体的质量浓度为0.04％～2％的溶液。
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸盐，溶于去离子水中，得到质量浓度为5％～30％的过硫酸盐水溶液。
C.导电高分子聚合物纳米颗粒的制备：
向导电高分子单体溶液加入过硫酸盐溶液，质量比为导电高分子单体：过硫酸盐＝1:1～20，搅拌均匀后，称取三价铁盐质量比为导电高分子单体：三价铁盐＝1:1～50，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌1～9天。然后，离心并用去离子水清洗数次。将得到导电高分子聚合物纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的导电高分子聚合物纳米颗粒水溶液。
该方法将导电高分子单体溶于有机溶剂，通过过硫酸根和三价铁离子的协同氧化作用，提高了氧化聚合的效率，制备的导电高分子聚合物纳米颗尺寸在30～50纳米。同时，在氧化聚合过程中，过硫酸根分解的连二亚硫酸根对导电高分子主链进行电荷掺杂，使纳米颗粒保持电荷的稳定，不会发生团聚现象。因此，该方法制备的导电高分子聚合物纳米颗粒能在水溶液中长时间均匀稳定的分散，并且具有优异的导电性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明制备的导电高分子聚合物纳米尺寸在30～50纳米，颗粒能在水相中长时间稳定均匀地分散，不会发生团聚现象，有利于纳米颗粒跟其他材料均匀地复合，从而到达提高导电性能和纳米增强的目的。
二、将导电高分子单体溶于有机溶剂，单体在溶剂分散均匀，在氧化聚合过程中，有利于单体充分反应，从而提高单体聚合的效率，相对于在水相聚合的纳米颗粒，能提高纳米颗粒的产量。上述有机溶剂是无水乙醇，甲醇，丙三醇和丙酮。上述导电高分子单体是吡咯单体、苯胺单体、噻吩类单体或5-羧基吲哚单体。
三、过硫酸盐是过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠。这几种过硫酸盐在水中都能分解出过硫酸根，进而与三价铁离子协同氧化聚合导电高分子单体，并同时对导电高分子聚合物主链进行电荷掺杂。上述三价铁盐是三氯化铁、硫酸铁、硝酸铁和硫酸铁铵。添加的氧化剂中的过硫酸根和三价铁离子能协同氧化聚合导电高分子单体，同时过硫酸根对导电纳米颗粒进行电荷掺杂，提高了氧化聚合效率，从而提高其导电性能和使导电纳米颗粒具有优异的分散性。
附图说明
图1是不同方法制备的聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒水溶液图片，A样品用三氯化铁在水中氧化聚合，B为本发明所示方法制备的样品，可明显对比出B样品的水分散性更好，且24小时后，A样品完全沉淀，B样品的纳米颗粒扔分散良好。
图2是样品B中颗粒的SEM图片，聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒的尺寸在30～50纳米之间，且颗粒轮廓清晰，没有团聚现象。
图3是不同3,4-乙烯二氧噻吩单体浓度制备的聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒所制备的聚丙烯酰胺水凝胶的导电性能图。可以看出水凝胶的导电性可导电120S/m。说明导电纳米颗粒在在水凝胶中均匀地分散，赋予水凝胶良好的导电性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述：
实施例1
A.3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液的配制：
将3,4-乙烯二氧噻吩单体加入到无水乙醇中，充分搅拌，得到质量浓度为0.85％的3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液。
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸铵，溶于去离子水中，得到质量浓度为9.1％的过硫酸铵水溶液。
C.聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒的制备：
向3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液加入过硫酸铵水溶液，质量比为3,4-乙烯二氧噻吩单体：过硫酸铵＝1:5，搅拌均匀后，称取三氯化铁，质量比为3,4-乙烯二氧噻吩单体：三氯化铁＝1:20，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌9天。然后，离心并用去离子水清洗3次。将得到蓝黑色的聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的蓝黑色聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒水溶液。
实施例2
A.吡咯单体溶液的配制：
将吡咯单体加入到甲醇中，充分搅拌，得到质量浓度为1.2％的吡咯单体溶液。
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸钠，溶于去离子水中，得到质量浓度为15％的过硫酸钠水溶液。
C.聚吡咯纳米颗粒的制备：
向吡咯单体溶液加入过硫酸钠水溶液，质量比为吡咯单体：过硫酸钠＝1:3，搅拌均匀后，称取硫酸铁。质量比为吡咯单体：硫酸铁＝1:15，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌7天。然后，离心并用去离子水清洗3次。将得到黑色的聚吡咯单体纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的黑色聚吡咯纳米颗粒水溶液。
实施例3
A.苯胺单体溶液的配制：
将苯胺单体加入到丙三醇中，充分搅拌，得到质量浓度为0.5％的苯胺单体溶液。
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸钾，溶于去离子水中，得到质量浓度为7.2％的过硫酸钾水溶液。
C.聚苯胺纳米颗粒的制备：
向苯胺单体溶液加入过硫酸钾水溶液，质量比为苯胺单体：过硫酸钾＝1:10，搅拌均匀后，称取硝酸铁，质量比为苯胺单体：硝酸铁＝1:7，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为黑色，冰浴条件下搅拌2天。然后，离心并用去离子水清洗3次。将得到黑色的聚苯胺纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的黑色聚苯胺纳米颗粒水溶液。
实施例4
A.3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液的配制：
将3,4-乙烯二氧噻吩单体加入到丙酮中，充分搅拌，得到质量浓度为2％的3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液。
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸铵，溶于去离子水中，得到质量浓度为25％的过硫铵水溶液。
C.聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒的制备：
向3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液加入过硫酸铵水溶液，质量为3,4-乙烯二氧噻吩单体：过硫酸铵＝1:15，搅拌均匀后，称取硝酸铁，质量比为3,4-乙烯二氧噻吩单体：硝酸铁＝1:3，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌5天。然后，离心并用去离子水清洗3次。将得到蓝黑色的聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的蓝黑色聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒水溶液。
实施例5
A.吡咯单体溶液的配制：
将吡咯单体加入到无水乙醇中，充分搅拌，得到质量浓度0.1％的吡咯单体溶液。
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸钠，溶于去离子水中，得到质量浓度为3％的过硫钠水溶液。
C.聚吡咯纳米颗粒的制备：
向吡咯单体溶液加入过硫酸钠水溶液，质量比吡咯单体：过硫酸钠＝1:6，搅拌均匀后，称取三氯化铁，质量比为吡咯单体：六水三氯化铁＝1:2，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌9天。然后，离心并用去离子水清洗3次。将得到黑色的聚吡咯纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的黑色的聚吡咯纳米颗粒水溶液。
实施例6
A.苯胺单体溶液的配制：
将苯胺单体加入到甲醇中，充分搅拌，得到质量浓度0.4％的苯胺单体溶液。
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸钾，溶于去离子水中，得到质量浓度为10.5％的过硫钾水溶液。
C.聚苯胺纳米颗粒的制备：
向苯胺单体溶液加入过硫酸钾水溶液，质量比为苯胺单体：过硫酸钾＝1:10，搅拌均匀后，称取硫酸铁，质量比为苯胺单体：硫酸铁＝1:6，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌4天。然后，离心并用去离子水清洗3次。将得到黑色的聚苯胺纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的黑色的聚苯胺纳米颗粒水溶液。

Claims (7)

1.一种水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，包括，如下步骤：
A.导电高分子单体溶液的配制：
将导电高分子单体加入到有机溶剂中，充分搅拌，得到质量浓度为0.04％～2％的导电高分子单体溶液；
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸盐，溶于去离子水中，得到质量浓度为5％～30％的过硫酸盐水溶液；
C.导电高分子聚合物纳米颗粒的制备：
向导电高分子单体溶液加入过硫酸盐水溶液，二者质量比为，导电高分子单体：过硫酸盐＝1:1～20，搅拌均匀后，称取三价铁盐质量比为导电高分子单体：三价铁盐＝1:1～50，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌1～9天；然后，离心并用去离子水清洗数次；将得到导电高分子聚合物纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的导电高分子聚合物纳米颗粒水溶液；
步骤A中所用的有机溶剂为无水乙醇，甲醇，丙三醇或丙酮；
步骤A中所用的导电高分子单体是吡咯单体、苯胺单体、噻吩类单体或5-羧基吲哚单体；
步骤B中所用的过硫酸盐是过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠；
步骤C中所用的三价铁盐是三氯化铁、硫酸铁、硝酸铁或硫酸铁铵。
2.根据权利要求1所述的水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
A.3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液的配制：
将3,4-乙烯二氧噻吩单体加入到无水乙醇中，充分搅拌，得到质量浓度为0.85％的3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液；
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸铵，溶于去离子水中，得到质量浓度为9.1％的过硫酸铵水溶液；
C.聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒的制备：
向3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液加入过硫酸铵水溶液，质量比为3,4-乙烯二氧噻吩单体：过硫酸铵＝1:5，搅拌均匀后，称取三氯化铁，质量比为3,4-乙烯二氧噻吩单体：三氯化铁＝1:20，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌9天；然后，离心并用去离子水清洗3次；将得到蓝黑色的聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的蓝黑色聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒水溶液。
3.根据权利要求1所述的水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
A.吡咯单体溶液的配制：
将吡咯单体加入到甲醇中，充分搅拌，得到质量浓度为1.2％的吡咯单体溶液；
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸钠，溶于去离子水中，得到质量浓度为15％的过硫酸钠水溶液；
C.聚吡咯纳米颗粒的制备：
向吡咯单体溶液加入过硫酸钠水溶液，质量比为吡咯单体：过硫酸钠＝1:3，搅拌均匀后，称取硫酸铁；质量比为吡咯单体：硫酸铁＝1:15，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌7天；然后，离心并用去离子水清洗3次；将得到黑色的聚吡咯单体纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的黑色聚吡咯纳米颗粒水溶液。
4.根据权利要求1所述的水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
A.苯胺单体溶液的配制：
将苯胺单体加入到丙三醇中，充分搅拌，得到质量浓度为0.5％的苯胺单体溶液；
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸钾，溶于去离子水中，得到质量浓度为7.2％的过硫酸钾水溶液；
C.聚苯胺纳米颗粒的制备：
向苯胺单体溶液加入过硫酸钾水溶液，质量比为苯胺单体：过硫酸钾＝1:10，搅拌均匀后，称取硝酸铁，质量比为苯胺单体：硝酸铁＝1:7，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为黑色，冰浴条件下搅拌2天；然后，离心并用去离子水清洗3次；将得到黑色的聚苯胺纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的黑色聚苯胺纳米颗粒水溶液。
5.根据权利要求1所述的水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
A.3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液的配制：
将3,4-乙烯二氧噻吩单体加入到丙酮中，充分搅拌，得到质量浓度为2％的3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液；
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸铵，溶于去离子水中，得到质量浓度为25％的过硫铵水溶液；
C.聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒的制备：
向3,4-乙烯二氧噻吩单体溶液加入过硫酸铵水溶液，质量为3,4-乙烯二氧噻吩单体：过硫酸铵＝1:15，搅拌均匀后，称取硝酸铁，质量比为3,4-乙烯二氧噻吩单体：硝酸铁＝1:3，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌5天；然后，离心并用去离子水清洗3次；将得到蓝黑色的聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的蓝黑色聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米颗粒水溶液。
6.根据权利要求1所述的水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
A.吡咯单体溶液的配制：
将吡咯单体加入到无水乙醇中，充分搅拌，得到质量浓度0.1％的吡咯单体溶液；
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸钠，溶于去离子水中，得到质量浓度为3％的过硫钠水溶液；
C.聚吡咯纳米颗粒的制备：
向吡咯单体溶液加入过硫酸钠水溶液，质量比吡咯单体：过硫酸钠＝1:6，搅拌均匀后，称取三氯化铁，质量比为吡咯单体：六水三氯化铁＝1:2，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌9天；然后，离心并用去离子水清洗3次；将得到黑色的聚吡咯纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的黑色的聚吡咯纳米颗粒水溶液。
7.根据权利要求1所述的水相分散性良好的导电高分子聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
A.苯胺单体溶液的配制：
将苯胺单体加入到甲醇中，充分搅拌，得到质量浓度0.4％的苯胺单体溶液；
B.过硫酸盐水溶液的配制：
称取一定量的过硫酸钾，溶于去离子水中，得到质量浓度为10.5％的过硫钾水溶液；
C.聚苯胺纳米颗粒的制备：
向苯胺单体溶液加入过硫酸钾水溶液，质量比为苯胺单体：过硫酸钾＝1:10，搅拌均匀后，称取硫酸铁，质量比为苯胺单体：硫酸铁＝1:6，加入到上述混合溶液，溶液颜色立即变为蓝黑色，冰浴条件下搅拌4天；然后，离心并用去离子水清洗3次；将得到黑色的聚苯胺纳米颗粒分散在去离子水中，得到分散均匀且稳定的黑色的聚苯胺纳米颗粒水溶液。
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