化學(xué)氧化法
化學(xué)氧化法通常是在酸性介質(zhì)中,采用水溶性引發(fā)劑引發(fā)單體發(fā)生氧化聚合。合成主要受反應(yīng)介質(zhì)酸種類及濃度、氧化劑種類及濃度、苯胺單體濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間等的影響。所用的引發(fā)劑主要有(NH4)2SO8、K2Cr2O7、KIO3、FeCl3、FeCl4、H2O2、Ce(SO4)2、MnO2、BPO(過氧化苯甲酰),其中(NH4)2SO8由于不含金屬離子,氧化能力強,后處理方便,是最常用的氧化劑。也有用(NH4)2S2O8和碳酸酯類過氧化物組成復(fù)合氧化劑。而以Fe2+為催化劑和H2O2為氧化劑可合成高溶解性的聚苯胺。 聚苯胺聚合反應(yīng)歷程
聚苯胺聚合反應(yīng)歷程圖冊參考資料。聚苯胺在酸性介質(zhì)中合成的同時可能被摻雜。鹽酸摻雜雖然可使聚苯胺獲得較高的導(dǎo)電率,但由于HCl易揮發(fā),容易發(fā)生去摻雜;而用H2SO4、HClO4等非揮發(fā)性的質(zhì)子酸摻雜時,在真空干燥下它們會殘留在聚苯胺的表面,影響產(chǎn)品的質(zhì)量。從應(yīng)用的角度考慮,有機質(zhì)子酸摻雜的聚苯胺具有更廣闊的應(yīng)用前景,十二烷基磺酸、十二烷基苯磺酸、樟腦磺酸、萘磺酸以及2,4-二硝基萘酚-7-磺酸(NONSA)等作為酸性介質(zhì)的同時又可作為摻雜劑,可獲得功能質(zhì)子酸摻雜的聚合物。這是提高摻雜態(tài)聚苯胺穩(wěn)定性和溶解性的重要手段之一。 中間氧化態(tài)聚苯胺質(zhì)子酸摻雜過程
化學(xué)氧化法所得到的高分子溶液可通過流涎法來制備大面積支撐膜,適用于制備大構(gòu)件元件和進(jìn)行結(jié)構(gòu)剪裁,并可通過選用合適的氧化還原劑來調(diào)節(jié)氧化態(tài)。常用的化學(xué)聚合方法主要有溶液聚合、乳液聚合、微乳液聚合、模板聚合和酶催化法等。不使用模板的方法也可以叫自組裝法(self-assembled method, SAM)。溶液聚合
通常采用鹽酸、硫酸或高氯酸水溶液為介質(zhì),將引發(fā)劑溶液緩慢滴入單體溶液中引發(fā)聚合,產(chǎn)物易于純化;缺點是聚合過程影響因素多,分子量分布較寬,所得產(chǎn)品在導(dǎo)電率、溶解性以及熔融加工性等方面均有缺陷。一般溶液法合成路線為:取定量的苯胺單體滴入鹽酸稀溶液,再向其中緩慢滴入引發(fā)劑,如要求較高質(zhì)量可通N2保護(hù),低溫攪拌,反應(yīng)結(jié)束后直接過濾、洗滌、干燥后即得聚苯胺產(chǎn)品。 非均相聚合
非均相聚合通常是先將反應(yīng)單體分散在水溶液中并利用機械攪拌或超聲波振蕩等方法,使單體形成具有一定直徑的液滴,再利用表面活性劑改性,使形成的液滴能穩(wěn)定懸浮分散于溶液中。鏈反應(yīng)引發(fā)劑通常溶解于連續(xù)相中,而聚合反應(yīng)則被限制在液滴中進(jìn)行,從而實現(xiàn)對產(chǎn)物尺寸和形貌的控制。非均相聚合法可分為乳液聚合、膠束聚合、懸浮聚合、分散聚合和溶膠-凝膠聚合等。根據(jù)乳液滴或懸浮微粒的尺寸,又可分為乳液聚合、微乳液聚合、懸浮聚合和微懸浮聚合。 乳液聚合
聚苯胺四種方法制備后的電鏡圖
乳液聚合能獲得較大分子量,聚合過程中使用較低的氧化劑(引發(fā)劑)用量,優(yōu)點在于聚合熱有效分散于 水相,避免局部過熱,體系黏度變化小,而且其溶解性、分子量、熱穩(wěn)定性及結(jié)晶形態(tài)方面的性能都明顯優(yōu)于溶液聚合;但乳液聚合體系中乳化劑的濃度大,不易完全去除,給產(chǎn)物的純化不利,并且需要大量的有機溶劑和沉淀劑,制備成本較高。經(jīng)典乳液聚合法為:采用十二烷基苯磺酸(DBSA)作為乳化劑,同時加入水、二甲苯及苯胺,加入過硫酸銨引發(fā)反應(yīng),反應(yīng)一定時間加入丙酮使PAn/DBSA 沉淀,洗滌、干燥即可得到聚苯胺產(chǎn)物。多用十二烷基苯磺酸是因為它在反應(yīng)體系中既是乳化劑又能提供酸性條件,還會以摻雜酸進(jìn)入聚苯胺分子。微乳液聚合
微乳液是一種外觀透明或半透明、低黏度的熱力學(xué)穩(wěn)定體系,其分散液滴小于100nm。可分成反相微乳液(W/O)、雙連續(xù)相微乳液和正相微乳液(O/W,其實正向乳液聚合就是一般意義上的乳液聚合,但因為在微乳液中反相聚合用的較多,正相反而顯得另類)。尤其是反相微乳液聚合已經(jīng)越來越多地用于制備聚苯胺納米粒子,其粒徑可達(dá)10nm,而且分布較均一。反相微乳液聚合中的水油比是制備的關(guān)鍵的因素,能影響到粒子的大小和形態(tài)。一般隨水油比的增大,納米粒子直徑逐漸增大。 微乳液聚合被認(rèn)為是最理想的聚苯胺合成方法之一。該法反應(yīng)條件容易控制、產(chǎn)物粒徑均勻,而且因其粒徑都在納米級別,從而使產(chǎn)物具有了納米粒子的特性。所得聚苯胺產(chǎn)物的電導(dǎo)率、產(chǎn)率和溶解性均有提高,且其鏈結(jié)構(gòu)規(guī)整性好、結(jié)晶度高。
反相微乳液聚合制備的聚苯胺粒徑小,導(dǎo)電性和結(jié)晶度也較好。但有時其粒子形狀會發(fā)生從球形到針形乃至薄片形的轉(zhuǎn)化。合成聚苯胺方法為:向HCl溶液中加入過硫酸銨、SDBA、丁醇(助乳化劑),這樣的混合液一經(jīng)攪拌很容易配成透明的微乳液,接著往上述乳液中滴加一定量的苯胺單體,在室溫下持續(xù)攪拌反應(yīng)24 h,破乳即得聚苯胺。 與反相微乳液不同,利用O/W微乳液(正相微乳液)制備納米粒子的例子并不多。這種方法可以得到分散在水相中的憎水高分子納米顆粒,其優(yōu)點是快速聚合和可以形成分子量很高的聚合物。在O/W微乳液體系中乳化劑及助乳化劑的濃度很高,水溶性引發(fā)劑存在于水連續(xù)相中,苯胺單體濃度很低,主要被增溶于微乳液液滴內(nèi),極少量存在于水連續(xù)相中。在微乳液聚合過程中,溶解于水中的活性基團會迅速被膠束中的單體捕捉而引發(fā)聚合。因膠束數(shù)量很大,故聚合反應(yīng)速率很快。典型的聚苯胺正相微乳液聚合過程為:將苯胺、十二烷基硫酸鈉和鹽酸攪拌混合,滴加APS溶液,整個聚合過程應(yīng)控制在20℃,反應(yīng)持續(xù)12 h后,破乳即可。有報道電導(dǎo)率達(dá)9.1S/cm。 模板聚合
具有特殊形貌與功能的聚苯胺的設(shè)計與合成一直是聚苯胺研究的熱點之一。所采用的主要是模板聚合法。這也是最有效、最簡便的制備納米結(jié)構(gòu)的方法之一。在反應(yīng)體系中加入沸石、多孔膜、多孔氧化鋁膜等作為模板,使聚合反應(yīng)發(fā)生在模板孔洞中實現(xiàn)結(jié)構(gòu)有序排列的方法叫做硬模板合成,它可以通過調(diào)節(jié)模板孔洞尺寸來改變產(chǎn)物的直徑及長度,可控性較好,但由于需要分離模板以及在分離時可能會破壞高分子結(jié)構(gòu)或形成額外的共聚結(jié)構(gòu)而限制了其應(yīng)用。 采用模板法合成聚苯胺納米材料的一般步驟為:先將模板(多孔氧化鋁膜、沸石和多孔膜等)浸入溶有苯胺單體的酸性溶液中,再通過氧化劑(APS和KPS等)、電極電位或其他方式引發(fā)聚合鏈反應(yīng)。反應(yīng)進(jìn)行一段時間后,模板的孔徑中會生成直徑略小的聚苯胺納米材料。模板法的優(yōu)點是產(chǎn)物的形貌和尺寸易于控制,有效地防止了分子鏈間的相互作用、交聯(lián)以及結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生。用做聚苯胺合成的模板主要是膠束和反膠束。膠束聚合多采用陰離子型表面活性劑,尤其是能自摻雜的表面活性劑,但產(chǎn)品粒度不均,導(dǎo)電率也相對較低。研究表明反應(yīng)物在膠束中的位置是影響反應(yīng)速率、選擇性以及產(chǎn)率的重要因素之一,而苯胺的聚合發(fā)生在膠束/水的界面上,生成的聚苯胺顆粒以靜電斥力吸附或嵌入表面活性劑分子而得以穩(wěn)定。 模板聚合的優(yōu)勢之一在于有可能合成結(jié)構(gòu)單一的聚苯胺,即所謂的模板導(dǎo)向聚合,在反應(yīng)體系中加入聚陰離子電解質(zhì),在反應(yīng)過程中,模板在促使苯胺單體對位取代以保證獲得頭-尾聚合的同時,為聚苯胺的摻雜提供補償離子和使聚苯胺具有水溶性。這也叫做軟模板合成或自組裝方法。用作軟模板的有表面活性劑和有機摻雜劑,其原理是可在水溶液中自組裝成具有特定形貌的有序結(jié)構(gòu),但是該方法在需要使用結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、體積相對龐大的特殊功能性摻雜劑,可能會影響產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及性能,且不利于大規(guī)模的合成。
有一個較新的趨勢是使用酶,主要用過氧化氫酶(辣根過氧化氫酶,horseradish peroxidase,HRP)來催化過氧化氫的分解,利用過氧化氫氧化使苯胺聚合。但由于聚合是在水體系中進(jìn)行,而聚苯胺不溶于水,因此很快會從水中析出,導(dǎo)致僅能得到分子量很低的寡聚體。其他可作為酶催化的模板有聚苯乙烯磺酸鈉(SPS)和聚乙烯磺酸鈉(PVS)等。 模板合成麻煩之處在于需要用堿液等試劑移除模板,模板的溶解會導(dǎo)致孔徑中的納米材料因失去支撐而團聚,而且堿性環(huán)境會導(dǎo)致聚苯胺解摻雜,改變產(chǎn)物的原有形貌。有人嘗試選取萘磺酸(NSA)作為模板,因為NSA在作為模板的同時又作為摻雜劑進(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物中,并不需要在反應(yīng)結(jié)束后除去。還有人使用陽極氧化鋁(AAO)作為模板,在其孔隙中合成的聚苯胺納米纖維具有良好的取向性、規(guī)整度和力學(xué)性能。這主要是由于AAO的孔隙是定位取向的,聚苯胺沿著孔壁生成所致。 界面聚合
2003年首先采用此法合成了聚苯胺納米纖維。界面聚合(interfacial polymerization)利用油/水界面將苯胺與氧化劑分離,苯胺單體溶解于有機相中(如CCl4,CS2,苯和甲苯等),氧化劑和摻雜酸(如:HCl,HNO3和H2SO4等)溶解于水相中,二者在相界面接觸并發(fā)生氧化反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,在相界面處,反應(yīng)物濃度不斷降低,促使未反應(yīng)的苯胺和氧化劑由于濃度差而不斷擴散至相界面,從而保證反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行,直至反應(yīng)物消耗完畢。兩相界面既是苯胺與氧化劑的接觸面又是反應(yīng)面,從而控制了聚合反應(yīng)發(fā)生的劇烈程度,避免了苯胺的過度氧化和二次生長,有利于規(guī)整形貌的聚苯胺的合成。界面聚合的優(yōu)點包括:產(chǎn)物的合成和純化較為簡便,無需移除模板;產(chǎn)物形貌規(guī)整,一致性很高;聚合反應(yīng)的規(guī)模可控,重現(xiàn)性好。 在界面聚合過程中,通過加入一定量的表面活性劑,可以控制合成的聚苯胺纖維的直徑,而加入乳化劑可有效減少有機溶劑的用量,提高/油/水兩相界面面積,縮短聚合反應(yīng)時間。
有人把界面聚合和傳統(tǒng)化學(xué)聚合相結(jié)合,提出了直接混合法(rapid mixing method, RMM)。反應(yīng)在室溫下進(jìn)行,且不控制反應(yīng)溫度。以摻雜酸溶液作為溶劑,將苯胺和氧化劑分別配成溶液后在室溫下迅速混合,靜置反應(yīng)一定時間,反應(yīng)液經(jīng)純化處理后,即可得到產(chǎn)物。
種子聚合法是以一定形貌的晶種作為結(jié)構(gòu)引導(dǎo)劑,使得單體在聚合的過程中,PAn 形貌的形成朝著晶種的形貌生長。在晶種法中,以纖維狀聚苯胺/無機NCs為例,少量的無機納米纖維如單層碳納米管束、V2O5的納米纖維等作為種子,采用種子聚合法合成了PAn納米復(fù)合纖維。核殼粒子的形貌由晶種粒子的形貌和HCl與苯胺單體的比決定;在強酸性介質(zhì)中用親水晶種顆粒種子聚合苯胺制備了覆盆子結(jié)構(gòu)的顆粒,而在中性介質(zhì)中用疏水晶種顆粒種子聚合了表面平滑的顆粒。