[发明专利]一种聚苯胺纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米纤维材料的制备领域，特别涉及一种聚苯胺纳米纤维的制备方法。

背景技术

因为一维纳米结构聚苯胺具有不同于普通的聚苯胺无规颗粒的性能，具有显著的纳米尺寸与空间效应，特别是其高度有序的聚集态结构大大提高了其载流子迁移率，在制造纳米尺度的电子、光电子、电化学和电机装置的互相连接和功能单元等方面扮演着重要角色，已在超级电容器、生物和化学传感器、电磁屏蔽、吸附材料等领域内都表现出巨大的应用潜力。除了静电纺丝[CN100360725C、CN101967279A、CN101973713A]、机械拉伸等合成纳米结构聚苯胺物理方法外，聚苯胺的合成通常可以归为化学氧化与电化学氧化两类。化学聚合法简单、便宜，容易进行大规模生产，主要包括硬模板法、软模板法和无模板法。硬模板法以氧化铝等多孔材料为模板，在孔中引发苯胺聚合得到聚苯胺纳米纤维，而软模板法多是以表面活性剂或醇类为模板，对聚苯胺的生长加以限制[CN100586987C、CN101284908A]。这两种方法虽然可以用来大量制备聚苯胺纳米纤维，但其缺陷也是十分明显的。对硬模板法而言，后处理一般都比较麻烦，往往需要用一些强酸、强碱或有机溶剂除去模板，这不仅增加了工艺流程，而且容易破坏模板内聚苯胺的纳米结构。而软模板法往往采用大量的表面活性剂等化学品，后处理过程相当繁琐。无模板法是指通过控制反应参数，使导电聚合物在某一方向上优先生长的方法。该方法不需要任何模板，所以没有去除模板的过程，合成工艺简单。无模板法主要有乳液聚合法[CN102050947A、CN102060993A]、界面聚合法[CN100480443C、CN100497440C、CN101037504A、CN101016660A、CN101710541A]和超声聚合法[CN1323199C]等。无模板法虽在制备聚苯胺纳米纤维方面取得了一定的成功，但也存在一些缺点，如乳液聚合法反应过程中常采用大量的乳化剂，后处理过程比较繁琐；而最为常见的界面聚合法需要使用大量有机溶剂，合成产量较低，而超声聚合法除了制备的聚苯胺纳米纤维不够规整外，还需要使用较为昂贵的设备辅助，且不太适于规模化生产。而电化学聚合法[CN1958854A、CN101942090B]虽然通过选择合适的电化学参数来有效控制纳米纤维的尺寸和形貌，但该方法由于受限于电极面积，只适宜小批量合成一维导电聚合物。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种聚苯胺纳米纤维的制备方法，该发明将苯胺聚合束缚在较细的反应管中，通过反应液的自由流动诱导聚苯胺分子链的取向，进而得到纤维的直径和长度可控的聚苯胺纳米纤维；本发明制备方法简单易操作，成本低廉，无需借助任何模板，整个过程主要在水相中进行，无需繁琐的后处理；生产效率高，可大量制备，适合于工业化生产。

本发明的一种聚苯胺纳米纤维的制备方法，包括：

（1）将苯胺单体、单体引发剂分别溶解在含掺杂剂酸性溶液中，并装入容器A和B中，且液面高度一致，然后将A和B容器中的溶液引入反应管中，控制反应液在反应管中自由流动速度，在自由流动过程中，苯胺在室温或冰水环境中进行聚合反应，反应物用装有含抑制剂溶液的容器C收集；其中苯胺单体和单体引发剂的摩尔比为1:0.1～5；

（2）流动完成后，将容器C中的反应物静置、洗涤、离心、干燥，即得聚苯胺纳米纤维。所述步骤（1）中苯胺单体在含掺杂剂酸性溶液中的摩尔浓度为0.01～0.30mol/L。

所述步骤（1）中单体引发剂为过硫酸铵、三氯化铁、过氧化氢、重铬酸盐、过氧苯甲酰中的一种或几种。

所述步骤（1）中掺杂剂为盐酸、硫酸、磷酸、氟硼酸、磺基水杨酸、对甲基苯磺酸、樟脑磺酸、十二烷基苯磺酸中的一种或几种，掺杂剂酸性溶液的摩尔浓度为0.5～2mol/L。

所述步骤（1）中反应管为聚四氟乙烯或聚酰胺管，反应管管径为0.5～2.5mm，反应管长度为50～400cm。

所述步骤（1）中通过调整容器A、B液面与反应管末端位置的高度差，控制反应液在反应管中自由流动的速度（见图1）。

所述步骤（1）中流动速率在1～100ml/h。

所述步骤（1）中抑制剂为丙酮水溶液或丙酮与醇类混合的水溶液，其中抑制剂与水体积比为1:1～20，丙酮与醇类体积比为1：0.01～0.2。

所述步骤（2）中静置时间为0.5-8h。

本申请提出采用自由流动的方法，将苯胺聚合束缚在较细的反应管中，并通过流动诱导聚苯胺分子链的取向，进而得到纤维的直径和长度可控的聚苯胺纳米纤维。