[发明专利]一种聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维的连续化制备装置和方法

说明书

本发明提供了一种聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维的制备装置及方法，将含有掺杂剂的苯胺单体溶液和引发剂溶液分别注入到第一容器和第二容器中，并以一定的速度在第一反应管内流动聚合，生成聚苯胺纳米纤维；将吡咯单体和引发剂分别溶解在含有掺杂剂的第三容器和第四容器中，将两溶液以一定的速度持续注入到第二反应管中，在流经第一反应管末端时与聚苯胺纳米纤维接触，并在其表面进行氧化聚合；聚吡咯不断在聚苯胺纳米纤维表面进行包覆，最终汇集到收集容器中；洗涤、抽滤和干燥，得到聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维。本发明操作简单、反应可控、不需要使用任何有机溶剂和模板、重复性高，整个聚合过程在反应管内完成，极大地提高了生产效率。

技术领域

本发明属于纳米复合材料的制备领域，特别涉及一种聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维制备装置和制备方法。

背景技术

能源的开发与使用一直是人类发展的核心主题。在追求能源的高效使用和发展稳定、高效的能量储存技术的背景下，超级电容器的问世具有极大的现实意义。相对于其他储能器件，超级电容器具有快速的充放电能力、超长的循环稳定性、安全的使用性能和环境友好等优点。电极材料作为超级电容器的关键组成部分，是决定其性能的重要指标，其中聚合物电极材料由于自身的特点得到了广泛的关注。研究表明，导电聚合物纳米纤维的储能行为明显优于无序的导电聚合物，其原因可以归结于其聚集态结构高度有序，从而大大提高了其载流子迁移率。在众多聚合物中，聚苯胺和聚吡咯具有导电性高、价格低廉、合成简便等优点。然而，对于单一组分的聚苯胺或聚吡咯而言都存在一定的缺陷，如聚苯胺适于酸性电解液，而聚吡咯适于中性电解液和碱性电解液。因此，将聚苯胺和聚吡咯进行复合制备聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维，实现两者优良性能的有机集成意义重大。

目前，合成一维聚苯胺/聚吡咯复合材料的方法主要分为化学氧化法和电化学聚合法，如东华大学秦宗益等人发明了一种聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维电极材料的制备方法，首先通过快速混合制备出聚苯胺纳米纤维，然后通过吡咯的原位化学氧化聚合将聚吡咯包覆在聚苯胺纳米纤维表面，合成出具有核壳结构的聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维[CN101892530A]；常州纳欧新材料科技有限公司的姚超等人提出了一种聚苯胺/聚吡咯二元复合纳米管的制备方法，首先以棒状硅酸盐粘土为核体，加入造孔剂对其进行处理，然后加入苯胺和吡咯单体进行氧化聚合反应，制备硅酸盐粘土/聚苯胺/聚吡咯复合材料，最后用混酸溶解去除棒状硅酸盐粘土模板，制得聚苯胺/聚吡咯复合纳米管[CN103224704A]；刘博文以纳米纤维素为核体和硬模板，以甲基橙和十二烷基苯磺酸钠为软模板，采用原位聚合法包覆上聚吡咯和聚苯胺层，制备出纳米纤维素/聚吡咯/聚苯胺复合纳米纤维，最后用离子液体将纳米纤维素溶解，得到聚吡咯/聚苯胺复合纳米管[CN108250744A]；此外，有研究表明，利用电化学聚合法首先制备出一维聚苯胺（或聚吡咯），然后以其为模板通过电化学沉积或化学氧化聚合将聚吡咯（或聚苯胺）进行表面包覆，最终制备出一维聚苯胺/聚吡咯复合材料。

然而，目前的这些制备方法都存在一定的局限性，如电化学聚合法需要借助仪器设备，产率主要受限于电极面积；化学氧化法中大多是采用模板法和原位聚合法相结合，制备聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维往往需要分步进行，制备过程较为复杂，并且需要繁琐的后处理工序来去除模板，使规模化应用潜力弱化；虽然有研究人员利用快速混合法代替模板法合成聚苯胺纳米纤维种子，但快速混合法由于聚合过程较难控制，且单体浓度不高，使得最终制备的聚苯胺/聚吡咯纳米纤维的品质不高，产率偏低。基于此，本发明构建了一种聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维的制备装置，提出了一种连续性制备方法，通过在反应管中添置搅拌装置使苯胺和引发剂混合均匀和持续流动，并在稳定流动的过程中产生聚合，生成聚苯胺纳米纤维；然后在流动过程中引入吡咯和引发剂，在持续的流动状态下将聚吡咯在聚苯胺纳米纤维表面进行包覆，最终实现高规整度、性能优异聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维的连续化制备；同时，利用流动驱动力使得复合纳米纤维进行分子取向。本发明不需要使用任何有机溶剂和模板、无需繁琐的后处理工序、成本低廉、操作简单、反应可控、重复性高，整个聚合过程在反应管内完成，生产效率高，是实现高品质聚苯胺/聚吡咯复合纳米纤维规模化连续生产的一种有效途径。

发明内容