一種導(dǎo)電聚合物氣凝膠及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣凝膠材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種導(dǎo)電聚合物氣凝膠材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣凝膠是近年來興起的一種明星材料，它的制備是用氣體取代凝膠中的液體，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保持不變。由于材料自身非常高的孔隙率，很高的比表面積，很低的表觀強度、密度及折射指數(shù)，氣凝膠材料在強激光研究靶材料、隔熱材料、儲能材料、催化材料、吸附材料、切倫科夫閾值探測器等領(lǐng)域表現(xiàn)出極佳應(yīng)用前景。
[0003]在眾多氣凝膠材料中，導(dǎo)電氣凝膠同時具有導(dǎo)電性和氣凝膠本身的優(yōu)秀性能(低密度、高比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙分布等)，在超級電容器、鋰電池、傳感器、人造器官等領(lǐng)域表現(xiàn)出特別的優(yōu)勢，備受人們關(guān)注。由間苯二酚-甲醛有機氣凝膠炭化制得的炭氣凝膠是最早的一類導(dǎo)電氣凝膠，但其力學(xué)性能較差，制備過程復(fù)雜，需使用大量有毒溶劑，難以規(guī)?；a(chǎn)。近年來各種導(dǎo)電氣凝膠相繼出現(xiàn)，如石墨烯氣凝膠、碳納米管氣凝膠、聚合物/導(dǎo)電粒子雜化氣凝膠。這類材料可惜的是，此類導(dǎo)電氣凝膠通常造價極高，石墨烯或碳納米管等昂貴導(dǎo)電材料是必須的，在實際應(yīng)用中受到了較大限制。
[0004]相比炭基氣凝膠，聚合物氣凝膠的成本則極為低廉。而受限于導(dǎo)電聚合物的難溶性，導(dǎo)電聚合物水凝膠的制備較為困難，導(dǎo)致導(dǎo)電聚合物氣凝膠少有報道。Zhang等于2010年首次合成了一種由聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)_聚(苯乙烯磺酸)構(gòu)成的導(dǎo)電聚合物氣凝膠(J.Mater.Chem.，2010, 20, 5080 - 5085)，并應(yīng)用于超級電容器電極材料，但該氣凝膠力學(xué)性能不佳、比電容低較低。目前，造價低廉、力學(xué)性能優(yōu)秀的聚合物導(dǎo)電氣凝膠材料鮮有報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]作為各種廣泛且細(xì)致的研究和實驗的結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用聚苯胺和力學(xué)性質(zhì)優(yōu)異的低酯果膠為原料制備的聚合物氣凝膠具有力學(xué)性能優(yōu)異、導(dǎo)電性高、低密度、高比表面積等優(yōu)點，基于這種發(fā)現(xiàn)，完成了本發(fā)明。
[0006]本發(fā)明的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。
[0007]為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種導(dǎo)電聚合物氣凝膠，所述氣凝膠中含聚苯胺20?80wt%，余量為低酯果膠。
[0008]優(yōu)選的是，所述氣凝膠密度介于0.05?0.2g/cm3，比表面積介于150?500m2/g，壓縮模量介于I?5MPa、導(dǎo)電率介于0.0002-0.lS/m。
[0009]本發(fā)明還提供一種制備上述導(dǎo)電聚合物氣凝膠的方法，包括以下步驟:
[0010]步驟一、將低酯果膠加入去離子水中，攪拌10?30min使其溶解，然后在0_4°C下加入苯胺，繼續(xù)攪拌2?5h使其溶解，得混合溶液；[0011 ] 步驟二、在0-40C下，將過硫酸銨加入步驟一的混合溶液中，攪拌至溶液顏色變?yōu)楹谏?；然后保持溫度不變靜置18?36h，得到水凝膠；
[0012]步驟三、將得到的水凝膠加入裝有新鮮去離子水的容器中進(jìn)行浸泡洗滌，每天更換新鮮去離子水，持續(xù)3?6天；
[0013]步驟四、將浸泡洗滌后的水凝膠干燥，得到導(dǎo)電聚合物氣凝膠。
[0014]優(yōu)選的是，所述低酯果膠的酯化度小于50%。
[0015]優(yōu)選的是，所述步驟一中低酯果膠的質(zhì)量占去離子水質(zhì)量的0.5?6%，苯胺的質(zhì)量占去咼子水質(zhì)量的0.5?6%。
[0016]優(yōu)選的是，所述步驟二中加入的過硫酸銨與苯胺的重量比為1:2?4。
[0017]優(yōu)選的是，所述步驟一和步驟二中攪拌的速度為800?1000r/min。
[0018]優(yōu)選的是，所述干燥采用冷凍干燥或超臨界干燥；所述冷凍干燥的溫度為-190?-200°C ;所述超臨界干燥前將浸泡洗滌后的水凝膠加入裝有新鮮乙醇的容器中進(jìn)行溶劑交換，每天更換新鮮乙醇，持續(xù)5?8天，得到乙醇凝膠；然后將乙醇凝膠進(jìn)行超臨界干燥，超臨界干燥的溫度為45°C，壓力為200Bar。
[0019]優(yōu)選的是，在所述步驟一中施加超聲波。
[0020]優(yōu)選的是，所述超聲波的功率調(diào)節(jié)范圍在800?1500W，超聲頻率在25?50KHz。
[0021]本發(fā)明中，所述步驟一中苯胺在低酯果膠水溶液中，經(jīng)過硫酸銨氧化、原位聚合制備成聚苯胺。
[0022]本發(fā)明至少包括以下有益效果:
[0023](I)本發(fā)明提供的導(dǎo)電聚合物氣凝膠具有較高的機械性能(壓縮模量l_5MPa)、較低的密度(0.05-0.2g/cm3)、較佳的導(dǎo)電率(0.0002-0.lS/m)、發(fā)達(dá)的孔隙分布較高的比表面積(150-500m2/g)，在儲能材料、傳感器等領(lǐng)域具有較佳應(yīng)用前景，此外將該材料作為超級電容器電極材料使用時，在電流密度為lA/g時，表現(xiàn)出較高的比電容(120-260F/g);
[0024](2)在本發(fā)明提供的氣凝膠材料的制備方法中，聚苯胺通過在低酯果膠溶液中聚合誘導(dǎo)形成穩(wěn)定的交聯(lián)凝膠，從而構(gòu)建穩(wěn)定的聚苯胺-低酯果膠交聯(lián)結(jié)構(gòu)，同時賦予氣凝膠優(yōu)秀的物理機械性能和導(dǎo)電性能，為其它導(dǎo)電氣凝膠的制備提供了借鑒。而且該氣凝膠材料的主要原料之一為低酯果膠，是一種價格低廉的可再生生物來源材料，符合當(dāng)今綠色環(huán)保的要求；同時該氣凝膠材料的制備過程中不涉及有毒有機溶劑使用，操作簡單方便，易于控制和工業(yè)化生產(chǎn)。
[0025]本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
【附圖說明】
:
[0026]圖1為本發(fā)明實施例1制備的導(dǎo)電聚合物氣凝膠的紅外光譜圖；
[0027]圖2為本發(fā)明實施例1制備的導(dǎo)電聚合物氣凝膠的掃描電鏡SEM圖。
【具體實施方式】
:
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。
[0029]應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。
[0030]另外，值得說明的是以下實施例所得的氣凝膠材料的密度由材料的質(zhì)量除以體積計算得到，比表面積由全自動吸附儀測得，電導(dǎo)率是通過四探針法測得的，壓縮模量是通過Instron5565萬能材料試驗機測得的，比電容經(jīng)辰華電化學(xué)工作站測得。
[0031]實施例1:
[0032]一種導(dǎo)電聚合物氣凝膠的制備方法，包括以下步驟:
[0033]步驟一、將4g低酯果膠加入10mL去離子水中，以800r/min攪拌1min使其溶解，然后在0°C下加入6g苯胺，繼續(xù)攪拌3h使其溶解，得混合溶液；
[0034]步驟二、在0°C下，將3g過硫酸錢加入步驟一的混合溶液中，以800r/min攪拌至溶液顏色變?yōu)楹谏蝗缓蟊３譁囟炔蛔冹o置24h，得到水凝膠；
[0035]步驟三、將得到的水凝膠加入裝有新鮮去離子水的容器中進(jìn)行浸泡洗滌，每天更換新鮮去離子水，持續(xù)5天；浸泡洗滌過程將水凝膠中的雜質(zhì)除去，使其僅保留聚苯胺和低酯果膠；
[0036]步驟四、將浸泡洗滌后的水凝膠加入裝有新鮮乙醇的容器中進(jìn)行溶劑交換，每天更換新鮮乙醇，持續(xù)7天；得到乙醇凝膠；
[0037]步驟五、將乙醇凝膠進(jìn)行超臨界干燥，干燥溫度為45°C，干燥壓力為200Bar，得到呈暗綠色的導(dǎo)電聚合物氣凝膠；
[0038]該實施例制備的導(dǎo)電聚合物氣凝膠中聚苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60wt%，低酯果膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt%，圖1示出了制備的導(dǎo)電聚合物氣凝膠的紅外光譜圖，在圖中2850-2940、1735、1245、669cm 1處吸收峰為氣凝膠低酯果膠組分吸收峰;1576、1485、1306、1103、800cm 1處吸收峰為氣凝膠聚苯胺組分吸收峰，表明低酯果膠/聚苯胺氣凝膠制備成功。圖2示出了制備的導(dǎo)電聚合物氣凝膠的掃描電鏡圖，從圖中可以看到，該氣凝膠具有致密的多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率發(fā)達(dá)；經(jīng)N2吸附等溫曲線計算，其比表面積高達(dá)234.8m2/go同時該氣凝膠具有較佳的力學(xué)性能，壓縮模量高達(dá)1.44MPa ;電導(dǎo)率可達(dá)到0.lS/m(四探針法測得)；SP實現(xiàn)了獲得造價低廉、力學(xué)性能優(yōu)秀的聚合物導(dǎo)電氣凝膠材料的目標(biāo)。將該氣凝膠作為超級電容器電極材料使用，在電流密度為lA/g時，其比容量可達(dá)180F/g。
[0039]實施例2:
[0040]一種導(dǎo)電聚合物氣凝膠的制備方法，包括以下步驟:
[0041]步驟一、將4g低酯果膠加入96mL去離子水中，以1000r/min攪拌30min使其溶解，然后在4°C下加入4g苯胺，繼續(xù)攪拌3h使其溶解，得混合溶液；
[0042]步驟二、在4°C下，將2g過硫酸錢加入步驟一的混合溶液中，以1000r/min攪拌至溶液顏色變?yōu)楹谏?；然后保持溫度不變靜置24h，得到水凝膠；
[0043]步驟三、將得到的水凝膠加入裝有新鮮去離子水的容器中進(jìn)行浸泡洗滌，每天更換新鮮去離子水，持續(xù)5天；浸泡洗滌過程將水凝膠中的雜質(zhì)除去，使其僅保留聚苯胺和低酯果膠；
[0044]步驟四、將浸泡洗滌后的水凝