[发明专利]一种纳米有序结构聚苯胺/碳纤维复合材料的合成方法

说明书

技术领域

本发明属于有机高分子化学和纳米复合材料技术领域，具体公开了一种纳米有序结构聚苯胺/碳纤维复合材料的合成方法。

背景技术

能源危机和环境保护是当今世界各国面临的两大难题，全球经济和社会的可持续发展正面临着严峻的挑战。石油资源日趋短缺，并且燃烧石油对环境的污染越来越严重，人们都在积极开发新能源、发展新型储能装置。生物质能、海洋能、燃料电池、化学电池等新型能源及储能装置的开发与研究，取得了一定的成效。但是由于它们效率低、造价昂贵、使用寿命短、污染环境等缺点，也一直没有有效的解决方法。超级电容器的研制成功是储能设备的一次革命，具有较高的功率密度，合适的能量密度，较高的充放电速率。此外，超级电容器还具有控制方便、转换效率高、工作温度范围宽、无污染等优点。因此，世界各国都积极地对超级电容器进行研究与开发。

电极材料的性能好坏制约着超级电容器的发展和应用。常见的电极材料有碳材料（如活性炭、膨胀石墨、碳纳米管、石墨烯、多孔炭等）、过渡金属氧化物（如MnO₂）和导电高分子（如聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等）等。研究表明，聚苯胺（PANI）导电高分子虽然有高的电性能[V. Subramanian, et al., J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 20207]，但由于高分子在电容器充放电过程中的收缩和膨胀，极易导致电极材料的剥脱，从而丧失相应的功能，限制了导电高分子在电极材料方面的应用[A. Sumbojaa, et. al., Electrochim. Acta. 2012, 65, 190]。碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。它作为一种高性能纤维，具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。此外，还具有纤维的柔曲性和可编性。碳纤维既可用作结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。碳纤维常作为电极材料的增强相使用，可以很大的提高复合材料的机械稳定性。

近期，研究发现聚苯胺的纳米有序结构对电极材料的电化学特性有很大的改善作用。聚苯胺颗粒的尺寸越小越有利于缩短电子传输的距离，有序性越高越有利于PANI与电解液的良好接触，从而获得高的电化学特性。[Y. Lin et. al., Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 3665.] 在此之前，模板法被认为是一种制备有序聚苯胺结构行之有效的方法，该方法一般借助氧化铝或介孔炭等多孔性材料为模板[Yong-gang Wang, et al., Adv. Mater. 2006, 18, 2619]，将碳前驱体渗入模板的孔隙或通道中，在一定条件下除去模板即可得到有序结构的聚苯胺，只要制得合理的模板，就能控制有序结构的孔径大小和形状。但该方法也有诸多的限制，如模板的存在会导致复合材料性能的降低，去除模板工艺繁琐，且对环境有害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米有序结构聚苯胺/碳纤维复合材料的合成方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种纳米有序结构聚苯胺/碳纤维复合材料的合成方法：

（1）、将碳纤维、苯胺、过硫酸铵分散在0.5~2mol/L的高氯酸溶液中，保证获得的碳纤维/苯胺/过硫酸铵体系中，苯胺:过硫酸铵的摩尔比为（1~3）：1，并且碳纤维、苯胺和过硫酸铵的最终浓度分别为0.1~0.5mg/ml、0.4656~4.656mg/ml、1.141~11.41mg/ml；

（2）、将碳纤维/苯胺/过硫酸铵体系转移至冰水浴中，保持温度在-10~5℃。恒温搅拌3~14h后，收集干燥，即可获得目标产物。

步骤（1）具体操作过程为：首先将碳纤维均匀分散在高氯酸溶液中得到体系1，待碳纤维分散均匀后，加入苯胺，均匀分散得到体系2；再将过硫酸铵均匀分散在高氯酸溶液中得到体系3；最后，混合体系2与体系3得到碳纤维/苯胺/过硫酸铵体系。

所述分散均为室温条件下的超声分散。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）本发明采用苯胺的水溶液聚合法，其在低温条件下，即可得到纳米有序结构，工艺简单，操作简便，产率高。同时，本发明采用碳纤维作为复合材料的增强材料，由于其本身的高导电率，对复合材料的电化学性能改善有很大的帮助。