专利名称：无乳化纳米颗粒聚苯胺制备方法
技术领域：
本发明属于导电高分子纳米材料的制备技术领域，特别是在没有外加添加剂条件下制备聚苯胺纳米颗粒的制备方法。
背景技术：
传统方法制备的聚苯胺是难溶的，只能溶于少数高极性溶剂中，加工性能很差，极大地限制了其工业应用的发展。因此，可加工性聚苯胺的制备成为众多科学工作者研究的目标。导电高分子材料领域中纳米概念的引入为聚苯胺的加工应用带来了新的生机，聚苯胺纳米材料集其导电性和纳米材料的表面效应、小尺寸效应和量子效应等特性于一体，优异的特性使其具有更加广阔的应用前景。然而，聚苯胺的纳米化研究也经历了曲折的发展过程。传统制备聚苯胺纳米颗粒的方法有微乳液聚合法和分散聚合法，近来电化学聚合制备聚苯胺纳米颗粒也有报道。微乳液聚合是一种制备10～100nm聚合物粒子简单易行的聚合方法，目前用于制备纳米级聚苯胺的微乳液聚合方法主要有正相微乳液聚合、反相微乳液聚合和超声辅助反相微乳液聚合法。反相微乳液聚合制备得到的聚苯胺纳米颗粒不仅粒径小，且结晶度也高。但与常规的微乳液聚合相比，聚苯胺的微乳液聚合体系所含乳化剂含量极大，其用量是苯胺单体用量的15至52倍(重量倍数)，这样所得聚苯胺含量极低，一般聚苯胺含量在(0.04～0.8)wt％。有时在反相微乳液聚合法还需加入有机溶剂作分散介质，这不仅大大增加了成本而且造成环境污染。更为致命的是，微乳液聚合体系中大量乳化剂的存在，使得所得产物成分复杂，常常需要繁杂的后处理(如破乳、过滤，洗涤，产物收集等)，而且产物难以纯化，直接影响了产品的物理机械性能。分散聚合法也常用以制备聚苯胺纳米颗粒，但很多因素如苯胺单体的浓度、稳定剂浓度及种类、反应温度、搅拌速度、反应时间、介质、引发剂种类及浓度等都对聚苯胺的粒径及其粒径分布有着显著影响，所得聚苯胺的颗粒较大，难以获得真正意义上的纳米聚苯胺。和微乳液聚合一样，同样存在着添加的大分子稳定剂难以除去的弊端。至于电化学法制备的聚苯胺纳米粒子仅仅是获得特定的纳米复合物，同时受电极面积的限制，难以得到大量的聚苯胺纳米颗粒，不适于大规模工业生产。因此，急需寻求一种简单易行并且不含外加添加剂的制备聚苯胺纳米颗粒的新方法以促进聚苯胺工业化的进程。
本发明的目的就是为了克服和解决现有技术问题，提供一种效率高、工艺简单、所得产物纯净，环境友好型的聚苯胺纳米颗粒的制备方法。
本发明是一种在没有外加添加剂如乳化剂或分散剂等条件下制备聚苯胺纳米颗粒的制备方法。本发明涉及磺化苯胺内稳定剂，通过沉淀型非均相化学氧化聚合法实施手段，在无外加乳化剂和稳定剂的情况下使聚苯胺颗粒在合成时直接纳米化。
本发明所述的无乳化纳米颗粒聚苯胺制备方法如下1、配制单体溶液将单体苯胺和共聚单体加入到酸介质中充分溶解，形成单体溶液，反应温度为0～50℃；2、配制氧化剂溶液将氧化剂加入到酸介质中充分溶解，形成氧化剂溶液，反应温度为0～50℃；3、将氧化剂溶液滴入到单体溶液中引发聚合，使其反应完全即得含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。
本发明中纳米聚苯胺的共聚单体为化学式(1)、(2)所示的磺酸苯胺衍生物 其中R选自-H、-CH3、-C2H5、-C6H5SO3H或-C6H5SO3Na；R1、R2、R3、R4、R5选自-H、-CH3、-NO2、-F、-Cl、-OCH3、-C2H5、-Br、-I、-SO3H或-SO3Na。
本发明中反应单体的摩尔浓度为0.025～0.5M，较优的浓度为0.1M～0.2M。
本发明中，所使用的酸介质为HCl、H2SO4、H3PO4、HNO3、CH3COOH、HClO4。酸介质的浓度为0.2～3.0M，较优的浓度为0.75～1.5M。
本发明中氧化剂的摩尔浓度为0.025～0.5M，较优的浓度为0.05M～0.25M。
本发明中所使用的氧化剂为过硫酸钾(KPS)、过硫酸铵(APS)、过硫酸钠、H2O2/FeCl2。氧化剂与单体的摩尔比为1∶4～5∶4，较优的摩尔比为1∶4～5∶4。
本发明的有益效果本发明制备方法简单，无需外加乳化剂或分散剂等添加剂，简化了合成工艺，更为重要的是所获得的纳米粒子纯净，无需洗涤除去添加剂，为聚苯胺纳米颗粒的制备提供了新途径，解决了难溶聚苯胺的成型加工问题，为其工业应用打下基础。由本发明制备的磺化聚苯胺纳米颗粒的产率高，可达80.4％，产物电导率可达0.56S/cm，粒径为11nm～300nm。所得的纳米颗粒可直接应用于抗静电膜、抗静电涂料、防腐涂料和电磁屏蔽涂层等的制备方面。
图一是实施例1所合成的纳米聚苯胺颗粒AFM照片(a)形貌图；(b)三维立体二是实施例4所合成的纳米聚苯胺颗粒AFM照片(a)形貌图；(b)三维立体三是实施例5所合成的纳米聚苯胺颗粒AFM照片(a)形貌图；(b)三维立体四是实施例7所合成的纳米聚苯胺颗粒AFM照片(a)形貌图；(b)三维立体图具体实施方式
实施例1称取2.20g苯胺-2，5-双磺酸和5.60g过硫酸铵分别加入到250mL、150mL玻璃瓶中，再分别加入75mL和25mL浓度为1.0M的盐酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取1.20mL的苯胺单体加入到苯胺-2，5-双磺酸溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入25℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级颗粒的深绿色聚合物溶液。移取2mL反应液用去离子水稀释至200mL，搅拌均匀、静置、沉淀、反复洗涤，直至洗涤液中无SO42-(BaCl2检验)，以此样品做粒径测试和原子力显微镜测试，粒子平均粒径为64nm，见图1。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物1.8g(聚合产率为52.7％)，其电导率为0.15S/cm。
实施例2称取0.87g邻氨基苯磺酸和1.14g过硫酸铵分别加入到250mL、150mL玻璃瓶中，再分别加入100mL和50mL浓度为1.0M的盐酸溶液搅拌使之充分溶解，而后量取0.46mL的苯胺单体加入到邻氨基苯磺酸溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入30℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。移取2mL反应液用去离子水稀释至200mL，搅拌均匀、静置、沉淀、反复洗涤，直至洗涤液中无SO42-(BaCl2检验)，以此样品做粒径测试，激光粒度仪测得粒子平均粒径为88.6nm。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物0.39g(聚合产率为27.0％)其电导率为0.090S/cm。
实施例3称取2.20g苯胺-2，5-双磺酸和5.60g过硫酸铵分别加入到250mL、150mL玻璃瓶中，再分别加入75mL和25mL浓度为1.0M的盐酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取1.20mL的苯胺单体加入到苯胺-2，5-双磺酸溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入45℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。，以实施例2中的方法取样品做粒径测试，得粒子平均粒径为232nm，得产物1.7g(聚合产率为50.2％)，其电导率为0.12S/cm。
实施例4称取0.87g邻氨基苯磺酸和1.14g过硫酸铵分别加入到250mL、150mL玻璃瓶中，再分别加入100mL和50mL浓度为1M的盐酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取0.46mL的苯胺单体加入到邻氨基苯磺酸溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入40℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。以实施例2中的方法取样品做粒径测试，得粒子平均粒径为89nm，见图2，得产物0.35g(聚合产率为23.7％)，其电导率为0.083S/cm。
实施例5称取1.35g二苯胺磺酸钠和0.57g过硫酸铵分别加入到150mL、100mL玻璃瓶中，再分别加入25mL浓度为1.0M的盐酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取0.46mL的苯胺单体加入到二苯胺磺酸钠溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入25℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。以实施例2中的方法取样品做粒径测试，激光粒度仪测得粒子平均粒径为95.1nm。原子力显微镜研究表明，聚合物颗粒的平均粒径为60.2nm，最小粒径为11nm，如图3所示。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物0.50g，(聚合产率为27.8％)，其电导率为1.3×10-3S/cm。
实施例6称取0.40g邻甲氧基-5-磺酸苯胺和4.56g过硫酸铵分别加入到250mL、150mL玻璃瓶中，再分别加入70mL和30mL浓度为1.0M的盐酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取1.64mL的苯胺单体加入到邻甲氧基-5-磺酸苯胺溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入25℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。以实施例2中的方法取样品做粒径测试，激光粒度仪测得粒子平均粒径为278nm。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物1.63(聚合产率为80.4％)，其电导率为0.30S/cm。
实施例7称取2.03g邻甲氧基-5-磺酸苯胺和5.71g过硫酸铵分别加入到250mL、150mL玻璃瓶中，再分别加入70mL和30mL浓度为1.0M的盐酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取0.91mL的苯胺单体加入到邻甲氧基-5-磺酸苯胺溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入25℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。以实施例2中的方法取样品做粒径测试，原子力显微镜测试粒子平均粒径为78nm，如图4所示。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物1.73g(聚合产率为59.5％)，其电导率为0.13S/cm。
实施例8称取2.71g二苯胺磺酸钠加入到250mL玻璃瓶中，称取2mg FeCl2·4H2O、量取0.52mL过氧化氢加入到100mL玻璃瓶中，再分别加入50mL浓度为1.0M的盐酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取0.91mL的苯胺单体加入到二苯胺磺酸钠溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入25℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。以实施例2中的方法取样品做粒径测试，激光粒度仪测得粒子平均粒径为164nm。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物1.08g，(聚合产率为30.2％)，其电导率为2.1×10-3S/cm。
实施例9称取1.35g二苯胺磺酸钠和0.57g过硫酸铵分别加入到150mL、100mL玻璃瓶中，再分别加入25mL浓度为0.2M的盐酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取0.46mL的苯胺单体加入到二苯胺磺酸钠溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入25℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。以实施例2中的方法取样品做粒径测试，激光粒度仪测得粒子平均粒径为173nm。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物0.45g，(聚合产率为26.4％)，其电导率为7.73×10-4S/cm。
实施例10称取2.03g邻甲氧基-5-磺酸苯胺和5.71g过硫酸铵分别加入到250mL、150mL玻璃瓶中，再分别加入70mL和30mL浓度为3.0M的盐酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取0.91mL的苯胺单体加入到邻甲氧基-5-磺酸苯胺溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入25℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。以实施例2中的方法取样品做粒径测试，激光粒度仪测得粒子平均粒径为181nm。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物1.2g(聚合产率为41.4％)，其电导率为0.56S/cm。
实施例11称取2.03g邻甲氧基-5-磺酸苯胺和5.71g过硫酸铵分别加入到250mL、150mL玻璃瓶中，再分别加入70mL和30mL浓度为1.0M的硫酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取0.91mL的苯胺单体加入到邻甲氧基-5-磺酸苯胺溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入25℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。以实施例2中的方法取样品做粒径测试，激光粒度仪测得粒子平均粒径为148nm。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物1.73g(聚合产率为60.8％)，其电导率为0.13S/cm。
实施例12称取1.02g邻甲氧基-5-磺酸苯胺和2.85g过硫酸铵分别加入到150mL、100mL玻璃瓶中，再分别加入30mL和20mL浓度为1.0M的乙酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取0.46mL的苯胺单体加入到邻甲氧基-5-磺酸苯胺溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入25℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。以实施例2中的方法取样品做粒径测试，激光粒度仪测得粒子平均粒径为127nm。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物0.87g(聚合产率为61.2％)，其电导率为0.20S/cm。
实施例13称取2.71g二苯胺磺酸钠和1.14g过硫酸铵分别加入到150mL、100mL玻璃瓶中，再分别加入25mL浓度为1.0M的硝酸溶液，搅拌使之充分溶解，而后量取0.91mL的苯胺单体加入到二苯胺磺酸钠溶液中，搅拌均匀，将玻璃瓶封口放入25℃反应水浴中，激烈搅拌下恒温半小时以上。
将过硫酸铵溶液移入分液漏斗中，以1滴/3秒的速度滴入单体溶液中，引发聚合。氧化剂滴加完毕后，继续反应24小时，使其反应完全。反应完毕后，得到含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。以实施例2中的方法取样品做粒径测试，激光粒度仪测得粒子平均粒径为156nm。将余下的反应液过滤、充分洗涤，得到深绿色聚合物，在50℃下干燥一周，得产物0.92g，(聚合产率为25.6％)，其电导率为1.12×10-3S/cm。
以上各实施例所使用原料和主要技术参数见表一，实验结果见表二。
表一本发明所使用原料和技术参数下表中A是苯胺-2，5-双磺酸 B是邻氨基苯磺酸C是二苯胺磺酸钠 D是邻甲氧基-5-磺酸苯胺
表二本发明所制备的导电聚苯胺纳米颗粒性能测试
权利要求
1.纳米颗粒聚苯胺的制备方法，该方法步骤如下(1)、配制单体溶液将单体苯胺和共聚单体加入到酸介质中充分溶解，形成单体溶液，反应温度为0～50℃；(2)、配制氧化剂溶液将氧化剂加入到酸介质中充分溶解，形成氧化剂溶液，反应温度为0～50℃；(3)、将氧化剂溶液滴入到单体溶液中引发聚合，使其反应完全即得含纳米级共聚物颗粒的深绿色聚合物溶液。本发明步骤(1)中所述的共聚单体为化学式(1)、(2)所示的磺酸苯胺衍生物 其中R选自-H、-CH3、-C2H5、-C6H5SO3H或-C6H5SO3Na；R1、R2、R3、R4、R5选自-H、-CH3、-NO2、-F、-Cl、-OCH3、-C2H5、-Br、-I、-SO3H或-SO3Na。
2.如权利要求1所述的纳米颗粒聚苯胺的制备方法，其特征在于反应单体的摩尔浓度为0.025～0.5M。
3.如权利要求2所述的纳米颗粒聚苯胺的制备方法，其特征在于反应单体的摩尔浓度为0.1～0.2M。
4.如权利要求1所述的纳米颗粒聚苯胺的制备方法，其特征在于所使用的氧化剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠或H2O2和FeCl2。
5.如权利要求4所述的纳米颗粒聚苯胺的制备方法，其特征在于氧化剂的摩尔浓度为0.025～0.5M。
6.如权利要求5所述的纳米颗粒聚苯胺的制备方法，其特征在于氧化剂的摩尔浓度为0.05M～0.25M。
7.如权利要求1所述的纳米颗粒聚苯胺的制备方法，其特征在于所使用的酸介质为HCl、H2SO4、H3PO4、HNO3、CH3COOH或HClO4。
8.如权利要求7所述的纳米颗粒聚苯胺的制备方法，其特征在于所使用的酸介质的浓度为0.2～3.0M。
9.如权利要求8所述的纳米颗粒聚苯胺的制备方法，其特征在于所使用的酸介质的浓度为0.75～1.5M。
全文摘要
本发明属于聚苯胺纳米颗粒的制备方法领域。本发明所述的无乳化纳米颗粒聚苯胺制备方法如下将苯胺和磺酸苯胺衍生物加入到酸介质中充分溶解形成单体溶液将氧化剂加入到酸介质中充分溶解形成氧化剂溶液；然后将氧化剂溶液滴入到单体溶液中引发聚合使其反应完全即可。本发明制备方法简单，无需外加乳化剂或分散剂等添加剂，所获得的纳米粒子无需洗涤除去添加剂，为聚苯胺纳米颗粒的合成提供了新途径，解决了难溶聚苯胺的成型加工问题。本发明制备的磺化聚苯胺纳米颗粒的产率达80.4％，电导率达0.56S/cm，粒径为11nm～300nm。所得的纳米颗粒可直接应用于抗静电膜、抗静电涂料、防腐涂料和电磁屏蔽涂层等的制备方面。
文档编号C08G73/00GK1796440SQ20041009900
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月24日 优先权日2004年12月24日
发明者李新贵, 黄美荣, 吕秋丰 申请人:同济大学