界面聚合制备纤维网络结构导电聚吡咯膜的方法

摘要

一种界面聚合制备具有微米纤维网络结构的导电聚吡咯膜的方法：将离子液体溶于去离子水中，将吡咯单体溶于疏水溶剂中，磁性离子液体同时起到引发剂与软模板的作用，在水和疏水溶剂的界面生成导电聚吡咯膜。控制反应条件可得到具有纤维网络结构的导电聚吡咯膜。本发明设备简单、易于操作，采用低毒（无毒）的正己烷（离子液体）作为溶剂，具有环保特性。制得的聚吡咯膜用作超级电容器电极材料有着较高的比容量与倍率特性。

说明书

技术领域

本发明涉及导电聚合物材料，具体地说，是通过界面聚合的方法制备具有微米纤维 网络结构的导电聚吡咯膜，这种聚吡咯膜可应用于超级电容器电极材料。

背景技术

近年来具有一维微/纳米结构的导电聚合物材料成为高分子领域研究的热点。这类材 料除了具有和其它微/纳米材料一样的高比表面积外，还具有优良的导电性能，使其具有更 广阔的应用潜力和研究价值。目前，制备导电聚合物微/纳米结构的方法很多，主要有模板 法、自组装法、界面聚合法、电纺丝技术等。模板法一般只能合成出纳米级短原纤或一端与 膜相连的毛刷状结构，且需要较繁琐的后处理去除模板；自组装法则需采用结构相对复杂、 特殊的功能性掺杂剂，体积“庞大”的功能性掺杂剂，无疑都会对产物的结构甚至性能产生 一定的影响。

界面聚合法是利用静态界面发生聚合反应，一步即可得到大量具有微/纳米结构的产 物，具有设备简单、操作容易、反应快速、常温聚合等优点，且一般不依赖任何模板或表面 活性剂。近年来，通过界面聚合方法可以方便的制备微/纳米结构的聚苯胺(纤维、管、球 等)，与聚苯胺相比，通过界面聚合法制备具有微/纳米结构的聚吡咯(例如囊泡状、线状、 网络结构)仍需依赖表面活性剂或通过电化学方法进行调控。(参见：1.Polypyrrole  Nanocapsules via Interfacial Polymerization，Zhang L.，Liu P.，Ju L.L.，Wang L.，Zhao S.N. Macromolecular Research 18，648-652，2010；2.Highly surfaced polypyrrole nano-networks and  nano-fibers，Acik M.，Baristiran C.，Gursel S.，Journal of Mater Science 41，4678-4683.)。

导电聚合物，尤其是具有较大比表面积的导电聚合物被认为是法拉第准电容器的理 想电极材料。目前应用于超级电容器的导电聚合物以聚苯胺和聚吡咯的研究居多。其中，具 有有序微/纳米结构特定形貌的导电高分子材料由于具有高的电导率与较高的比表面积成为 近年来的研究热点。目前已经合成的具有微/纳米结构的球状、纤维状、管状、棒状、带状 的导电PPy作为超级电容器材料时仍难获得较高的比容量与倍率特性。

发明内容

本发明利用磁性离子液体作为引发剂通过界面聚合方法制备导电聚吡咯膜，由这种 方法制备得到的聚吡咯膜具有纤维网络状微观结构以及较高的电导率，此种方法国内外尚未 见报道。本发明制备方法简单，常温下即可反应，无需借助任何模板。所制备的聚吡咯膜用 作超级电容器电极材料时具有较高的比电容与倍率特性。

本发明的技术方案如下：

界面聚合制备纤维网络结构导电聚吡咯膜的方法，其特征步骤如下：

(1)将吡咯溶解在疏水性溶剂中，超声分散，，备用，吡咯溶液的摩尔浓度是0.025- 0.1M，较佳的范围是0.04-0.08M。吡咯使用前经重蒸，是为了纯化吡咯，所述的疏水溶剂是 正己烷、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-己基--3-甲基咪 唑六氟磷酸盐或1-癸基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐的任一种；

将1-丁基-3-甲基咪唑四氯化铁、酸掺杂剂加入去离子水，超声，形成溶液，1-丁基-3-甲基 咪唑四氯化铁溶液的浓度是0.012-0.05M；酸掺杂剂是HCl、HClO₄、α-萘磺酸、对氨基苯 磺酸或对苯甲酸的任一种。

(2)将步骤(1)获得的溶液利用滴管小心移至步骤(2)获得的溶液内，形成清 晰的两相界面。吡咯与1-丁基-3-甲基咪唑四氯化铁的摩尔比为5∶1-1∶1，吡咯溶液与1-丁基- 3-甲基咪唑四氯化铁溶液的体积比1∶1；

(3)静置反应4-24h后，收集界面处产物，用水、乙醇反复清洗，烘干，获得聚吡咯膜。 烘干温度是60℃，烘干时间是24h。

与传统的界面聚合技术相比，本发明的优点在于：

1、采用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氯化铁代替传统的过硫酸铵作为引发剂通过界面聚合 可制备具有网络状微观结构的导电聚吡咯膜，在国内外文献中尚未见报道。

2、在常温、静态下进行聚合反应，设备简单、操作容易，无需借助任何模板。

3、本发明中所用正己烷与传统的有机溶剂相比毒性小，离子液体是一种新型的“绿 色溶剂”，具有环保特性。

4、本发明所制备的聚吡咯膜作为超级电容器电极材料具有优异的电化学性能，具有 广泛的应用前景。

附图说明

图1.为本发明实施例1制备的聚吡咯膜的SEM照片，左图为放大400倍的聚吡咯膜SEM 照片，右图为放大3000倍的SEM照片，采用JSM-5610型扫描电镜(日本JEOL公司)进 行测试，样品在测试前镀铂金。由SEM图像可见，聚吡咯表现为纤维网络状结构，纤维直 径为800nm-1.5μm。

图2.为本发明实施例1制备的聚吡咯膜的循环伏安曲线(电解液：1M H₂SO₄，扫速 ＝10mV/s)。由图2可见，实施例1制备的聚吡咯材料的CV曲线形状接近矩形，表现出较理 想的电容特性。

图3.为本发明实施例1制备的聚吡咯膜的充放电曲线(电解液：1M H₂SO₄，电流密 度＝1A/g)。从图3可知，实施例1制备的聚吡咯电极的比电容可根据：计 算，其中C_m为比电容，I为放电电流，Δt为放电时间，m为活性物质的质量，ΔV为放电 过程中的电压降，计算得到实施例1制备的复合材料的比电容可达330F/g。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的上述内容作进一步详细说明。但不应将此理解为 本发明的内容仅限于下述实例。

实施例1

界面聚合制备纤维网络结构导电聚吡咯膜的方法，包括以下步骤：

(1)取70μL吡咯溶于20mL正己烷(溶液浓度为0.05M)，超声，备用；

(2)取0.26g 1-丁基-3-甲基咪唑四氯化铁(购自上海成捷化学有限公司)加入20mL 1M HCl 中，获得浓度为0.038M的1-丁基-3甲基咪唑四氯化铁溶液，超声，备用；吡咯∶1-丁基-3 甲基咪唑四氯化铁＝1.3∶1(摩尔比)；

(3)将步骤(1)获得的吡咯溶液利用滴管沿步骤(2)的容器器壁缓慢注入(滴加速度： 2-5mL/min)，分层，进行界面反应，界面上层透明无色液体为吡咯单体的正己烷溶液，下层 透明亮黄色液体为1-丁基-3甲基咪唑四氯化铁的水溶液。静置反应24h后，上层吡咯单 体、下层离子液体向界面处控制，在界面处聚合为聚吡咯。用去离子水、乙醇反复清洗后， 60℃真空干燥24h得到聚吡咯膜，其为黑色透明薄膜，厚度为0.16mm。

实施例2

界面聚合制备纤维网络结构导电聚吡咯膜的方法，包括以下步骤：

(1)取105μL吡咯溶于20mL 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(购自上海成捷化学有限公司) 中(溶液浓度为0.075M)，超声，备用；

(2)取0.17g 1-丁基-3甲基咪唑四氯化铁(购自上海成捷化学有限公司)加入20mL 1M HClO₄中，获得浓度为0.025M的1-丁基-3甲基咪唑四氯化铁溶液，超声，备用；吡咯∶1-丁基-3 甲基咪唑四氯化铁＝3∶1(摩尔比)；

(3)将步骤(2)获得的1-丁基-3甲基咪唑四氯化铁溶液利用滴管沿步骤(1)的容器器壁缓 慢注入(滴加速度：2-5mL/min)，分层，进行界面反应，界面上层透明亮黄色液体为1-丁 基-3甲基咪唑氯化铁的水溶液，界面下层透明无色液体为吡咯单体在1-丁基-3-甲基咪唑六 氟磷酸盐中的溶液。静置反应18h后，用去离子水、乙醇反复清洗后，60℃真空干燥24h得 到聚吡咯膜，聚吡咯膜厚度为0.22mm。

实施例3

界面聚合制备纤维网络结构导电聚吡咯膜的方法，与实施例2不同之处在于将105μL吡咯变为 35μL(溶液浓度为0.025M)，1M HCl变为0.05M对氨基苯磺酸钠水溶液，0.17g 1-丁基-3 甲基咪唑四氯化铁变为0.08g 1-丁基-3甲基咪唑四氯化铁，吡咯∶1-丁基-3甲基咪唑四氯化 铁＝2∶1(摩尔比)，1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐变为1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，静置 反应时间变为12h。聚吡咯膜的厚度为0.12mm。

实施例4

界面聚合制备纤维网络结构导电聚吡咯膜的方法，与实施例2不同之处在于将105μL吡咯变为 140μL(溶液浓度为0.1M)，1MHCl变为0.028M α-萘磺酸水溶液，0.17g 1-丁基-3甲基咪 唑四氯化铁变为0.14g 1-丁基-3甲基咪唑四氯化铁，吡咯∶1-丁基-3甲基咪唑四氯化铁＝5∶1 (摩尔比)，1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐变为1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，静置反应时 间变为4h。聚吡咯膜的厚度为0.28mm。

实施例5

界面聚合制备纤维网络结构导电聚吡咯膜的方法，与实施例2不同之处在于将1MHCl变为0.05M 对苯甲酸水溶液，1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐变为1-癸基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。聚吡 咯膜的厚度为0.32mm。

实施例1-5制备获得的具有网络结构聚吡咯膜的性能参数图表1所示：

表1