[发明专利]产生导电聚合物和纤维素纳米复合物的方法

说明书

引用的相关申请

本申请要求2010年5月12日提交的题目为“METHOD OFPRODUCING  ELECTRICALLY  CONDUCTIVE POLYMER  ANDCELLULOSE NANOCOMPOSITES(产生导电聚合物和纤维素纳米复合物的方法)”的美国临时申请第61/333,953号的优先权，其内容在此通过引用并入本文。

发明背景

本公开涉及聚合物-纤维素复合物，具体而言，本公开涉及导电聚合物-纤维素纳米复合物。

纤维素是地球是最丰富的可再生生物材料之一。其是葡萄糖单位通过β-1,4糖苷键连接在一起而形成的线性缩聚物。尽管在自然界中通常作为具有无定形区和晶体区的纤维材料发现，但通过酸水解方法，可以制备针状和球状的高结晶纳米纤维素材料[1-4]。

同时，自从在20世纪70年代有机导电聚合物问世以来，由于其良好的环境稳定性、令人满意的电学、化学和光学特性，已经对其做了广泛研究[5,6]。在各种类型的导电聚合物中，聚吡咯(PPy)和聚苯胺受到的关注最多。已经证明，PPy在许多领域具备有前景的应用，例如在可再充电锂电池中用作电极材料、传感器的基底以及抗静电涂层和包装等[7-9]。

最近，试图通过将可再生纤维质材料与导电聚合物结合，来产生环境更友好的导电聚合物复合物和膜。用导电聚合物封装纤维素组分，新的杂合材料表现出两种组分的组合特征[10-15]。然而，纤维素材料仍然保留了它们最初的物理属性(维度)和化学特性。同时，众所周知，纳米纤维素材料通常难以以高浓度再分散于水或溶剂中，并且透水性差。在水分浓度低时，纳米纤维素材料变成凝胶，并且不容易除去水。另外，文献中所报道的纤维素-聚吡咯复合物显现为黑色不透明固体(膜或纸状)，这限制了它们的潜在应用。一些纤维素-聚吡咯复合物的弹性差且脆性高[16]。

发明概述

在第一个实施方案中，提供了制备包含纤维素和导电聚合物的导电纳米颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：提供包含涂覆有导电聚合物的纤维素的微粒；将微粒添加于酸性溶液中，用于启动酸水解反应；使微粒与酸反应规定的时间间隔，从而形成导电聚合物涂覆的纤维素纳米颗粒；以及使酸水解反应淬灭。

在启动酸水解反应之前，微粒可以用乙醇、甲醇和HCl中之一的试剂洗涤；并且随后可以用包含掺杂剂的溶液洗涤。掺杂剂可以是氯化物和硫酸盐之一，在掺杂剂是氯化物的情况下，包含掺杂剂的溶液可以是盐酸。在一个实施方案中，可将水解反应维持在高于室温的温度下，例如在约40℃至80℃之间。

在另一个实施方案中，导电聚合物可以是聚吡咯、聚苯胺、聚吲哚、聚噻吩、聚(3-甲基噻吩)、聚(N-甲基苯胺)以及聚(邻甲苯胺)中之一。酸性溶液可以是强酸，如硫酸、盐酸以及甲酸。在一个实施方案中，纤维素微粒包含微晶纤维素。

可以选择时间间隔，使得纳米颗粒的平均直径介于约30至50纳米之间，且纳米颗粒的平均长度介于约300至500纳米之间。使酸水解反应淬灭的步骤可以通过降低酸性溶液的温度或通过降低酸性溶液的温度或通过添加温度比酸性溶液的温度低的水进行。

在另一个实施方案中，可以通过以下步骤提供包含涂覆有导电聚合物的纤维素的微粒：形成包含纤维素微粒、单体以及表面活性剂的混合物；搅拌所述混合物，以分散所述微粒并获得涂覆有所述单体的纤维素微粒；启动聚合反应从而获得涂覆有导电聚合物的纤维素微粒；以及允许所述反应进行规定的时间间隔。启动聚合反应的步骤可以包括向所述混合物添加氧化剂，从而启动聚合反应，形成涂覆有导电聚合物的纤维素微粒。

微粒可以具有许多可能的结构。在一个实施方案中，微粒的平均直径介于约20微米至约25微米之间，且长度介于约40微米至60微米之间。在另一个实施方案中，微粒包含包括晶体结构的杆状纤维和原纤维，纤维和原纤维的平均直径介于约20至约25微米之间，且平均长度介于约0.1至10厘米之间。在另一个实施方案中，微粒含有包含晶体结构和无定形结构的杆状纤维和原纤维，晶体结构的平均直径介于约20至25微米之间。