一种导电聚合物气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种导电聚合物气凝胶及其制备方法，所述气凝胶由聚苯胺在低酯果胶水溶液中聚合，经诱导形成水凝胶、溶剂洗涤、冷冻干燥或超临界干燥制备而成，气凝胶由聚苯胺和力学性质优秀的低酯果胶通过氢键交联构建，其中气凝胶中含聚苯胺20～80wt％，余量为低酯果胶。本发明专利技术所用原料来源丰富，价格低廉，所得气凝胶具有力学性能优秀、导电性高、低密度、高比表面积等优点，在储能材料、智能响应、数据存储等领域有很好应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种导电聚合物气凝胶及其制备方法
本专利技术属于气凝胶材料制备
，具体涉及一种导电聚合物气凝胶材料及其制备方法。
技术介绍
气凝胶是近年来兴起的一种明星材料，它的制备是用气体取代凝胶中的液体，凝胶网络结构基本保持不变。由于材料自身非常高的孔隙率，很高的比表面积，很低的表观强度、密度及折射指数，气凝胶材料在强激光研究靶材料、隔热材料、储能材料、催化材料、吸附材料、切伦科夫阈值探测器等领域表现出极佳应用前景。在众多气凝胶材料中，导电气凝胶同时具有导电性和气凝胶本身的优秀性能(低密度、高比表面积、发达的孔隙分布等)，在超级电容器、锂电池、传感器、人造器官等领域表现出特别的优势，备受人们关注。由间苯二酚-甲醛有机气凝胶炭化制得的炭气凝胶是最早的一类导电气凝胶，但其力学性能较差，制备过程复杂，需使用大量有毒溶剂，难以规模化生产。近年来各种导电气凝胶相继出现，如石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶、聚合物/导电粒子杂化气凝胶。这类材料可惜的是，此类导电气凝胶通常造价极高，石墨烯或碳纳米管等昂贵导电材料是必须的，在实际应用中受到了较大限制。相比炭基气凝胶，聚合物气凝胶的成本则极为低廉。而受限于导电聚合物的难溶性，导电聚合物水凝胶的制备较为困难，导致导电聚合物气凝胶少有报道。Zhang等于2010年首次合成了一种由聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)构成的导电聚合物气凝胶(J.Mater.Chem.,2010,20,5080–5085)，并应用于超级电容器电极材料，但该气凝胶力学性能不佳、比电容低较低。目前，造价低廉、力学性能优秀的聚合物导电气凝胶材料鲜有报道。专利
技术实现思路
作为各种广泛且细致的研究和实验的结果，本专利技术的专利技术人已经发现，采用聚苯胺和力学性质优异的低酯果胶为原料制备的聚合物气凝胶具有力学性能优异、导电性高、低密度、高比表面积等优点，基于这种发现，完成了本专利技术。本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种导电聚合物气凝胶，所述气凝胶中含聚苯胺20～80wt％，余量为低酯果胶。优选的是，所述气凝胶密度介于0.05～0.2g/cm3，比表面积介于150～500m2/g，压缩模量介于1～5MPa、导电率介于0.0002-0.1S/m。本专利技术还提供一种制备上述导电聚合物气凝胶的方法，包括以下步骤：步骤一、将低酯果胶加入去离子水中，搅拌10～30min使其溶解，然后在0-4℃下加入苯胺，继续搅拌2～5h使其溶解，得混合溶液；步骤二、在0-4℃下，将过硫酸铵加入步骤一的混合溶液中，搅拌至溶液颜色变为黑色；然后保持温度不变静置18～36h，得到水凝胶；步骤三、将得到的水凝胶加入装有新鲜去离子水的容器中进行浸泡洗涤，每天更换新鲜去离子水，持续3～6天；步骤四、将浸泡洗涤后的水凝胶干燥，得到导电聚合物气凝胶。优选的是，所述低酯果胶的酯化度小于50％。优选的是，所述步骤一中低酯果胶的质量占去离子水质量的0.5～6％，苯胺的质量占去离子水质量的0.5～6％。优选的是，所述步骤二中加入的过硫酸铵与苯胺的重量比为1:2～4。优选的是，所述步骤一和步骤二中搅拌的速度为800～1000r/min。优选的是，所述干燥采用冷冻干燥或超临界干燥；所述冷冻干燥的温度为-190～-200℃；所述超临界干燥前将浸泡洗涤后的水凝胶加入装有新鲜乙醇的容器中进行溶剂交换，每天更换新鲜乙醇，持续5～8天，得到乙醇凝胶；然后将乙醇凝胶进行超临界干燥，超临界干燥的温度为45℃，压力为200Bar。优选的是，在所述步骤一中施加超声波。优选的是，所述超声波的功率调节范围在800～1500W，超声频率在25～50KHz。本专利技术中，所述步骤一中苯胺在低酯果胶水溶液中，经过硫酸铵氧化、原位聚合制备成聚苯胺。本专利技术至少包括以下有益效果：(1)本专利技术提供的导电聚合物气凝胶具有较高的机械性能(压缩模量1-5MPa)、较低的密度(0.05-0.2g/cm3)、较佳的导电率(0.0002-0.1S/m)、发达的孔隙分布较高的比表面积(150-500m2/g)，在储能材料、传感器等领域具有较佳应用前景，此外将该材料作为超级电容器电极材料使用时，在电流密度为1A/g时，表现出较高的比电容(120-260F/g)；(2)在本专利技术提供的气凝胶材料的制备方法中，聚苯胺通过在低酯果胶溶液中聚合诱导形成稳定的交联凝胶，从而构建稳定的聚苯胺-低酯果胶交联结构，同时赋予气凝胶优秀的物理机械性能和导电性能，为其它导电气凝胶的制备提供了借鉴。而且该气凝胶材料的主要原料之一为低酯果胶，是一种价格低廉的可再生生物来源材料，符合当今绿色环保的要求；同时该气凝胶材料的制备过程中不涉及有毒有机溶剂使用，操作简单方便，易于控制和工业化生产。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明：图1为本专利技术实施例1制备的导电聚合物气凝胶的红外光谱图；图2为本专利技术实施例1制备的导电聚合物气凝胶的扫描电镜SEM图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。另外，值得说明的是以下实施例所得的气凝胶材料的密度由材料的质量除以体积计算得到，比表面积由全自动吸附仪测得，电导率是通过四探针法测得的，压缩模量是通过Instron5565万能材料试验机测得的，比电容经辰华电化学工作站测得。实施例1：一种导电聚合物气凝胶的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将4g低酯果胶加入100mL去离子水中，以800r/min搅拌10min使其溶解，然后在0℃下加入6g苯胺，继续搅拌3h使其溶解，得混合溶液；步骤二、在0℃下，将3g过硫酸铵加入步骤一的混合溶液中，以800r/min搅拌至溶液颜色变为黑色；然后保持温度不变静置24h，得到水凝胶；步骤三、将得到的水凝胶加入装有新鲜去离子水的容器中进行浸泡洗涤，每天更换新鲜去离子水，持续5天；浸泡洗涤过程将水凝胶中的杂质除去，使其仅保留聚苯胺和低酯果胶；步骤四、将浸泡洗涤后的水凝胶加入装有新鲜乙醇的容器中进行溶剂交换，每天更换新鲜乙醇，持续7天；得到乙醇凝胶；步骤五、将乙醇凝胶进行超临界干燥，干燥温度为45℃，干燥压力为200Bar，得到呈暗绿色的导电聚合物气凝胶；该实施例制备的导电聚合物气凝胶中聚苯胺的质量分数为60wt％，低酯果胶的质量分数为40wt％，图1示出了制备的导电聚合物气凝胶的红外光谱图，在图中2850-2940、1735、1245、669cm-1处吸收峰为气凝胶低酯果胶组分吸收峰；1576、1485、1306、1103、800cm-1处吸收峰为气凝胶聚苯胺组分吸收峰，表明低酯果胶/聚苯胺气凝胶制备成功。图2示出了制备的导电聚合物气凝胶的扫描电镜图，从图中可以看到，该气凝胶具有致密的多孔结构，孔隙率发达；经N2吸附等温曲线计算，其比表面积高达234.8m2/g。同时该气凝胶具有较佳的力学性能，压缩模量高达1.44MPa；电导率可达到0.1S/m(四探针法测得)；即本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导电聚合物气凝胶，其特征在于，所述气凝胶中含聚苯胺20～80wt％，余量为低酯果胶。

【技术特征摘要】
1.一种制备导电聚合物气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将低酯果胶加入去离子水中，搅拌10～30min使其溶解，然后在0～4℃下加入苯胺，继续搅拌2～5h使其溶解，得混合溶液；步骤二、在0～4℃下，将过硫酸铵加入步骤一的混合溶液中，搅拌至溶液颜色变为黑色；然后保持温度不变静置18～36h，得到水凝胶；步骤三、将得到的水凝胶加入装有新鲜去离子水的容器中进行浸泡洗涤，每天更换新鲜去离子水，持续3～6天；步骤四、将浸泡洗涤后的水凝胶干燥，得到导电聚合物气凝胶；所述导电聚合物气凝胶密度介于0.05～0.2g/cm3，比表面积介于150～500m2/g，压缩模量介于1～5MPa、导电率介于0.0002-0.1S/m。2.如权利要求1所述的制备导电聚合物气凝胶的方法，其特征在于，所述低酯果胶的酯化度小于50％。3.如权利要求1所述的制备导电聚合物气凝胶的方法，其特征在于，所述步骤一中低酯果胶的质量占去离子水质量的0.5～6％...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海波，朱家艺，袁磊，付志兵，王朝阳，杨曦，米睿，瞿静，钟铭龙，张厚琼，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51