一种移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维的装置和方法，主要是将苯胺单体和有机溶剂持续注入第一容器，经搅拌混合形成有机相溶液，引发剂和掺杂剂的酸性水溶液持续注入第二容器中，经搅拌混合形成水相溶液；两溶液分别混合均匀后，打开阀门，通过借助搅拌装置提供的离心力使两溶液以一定的速度持续稳定的流经两反应管，并在反应管内形成移动界面，苯胺单体在移动界面区域发生聚合，流动聚合结束后，最终汇集到两收集容器中；将收集容器中的产物进行洗涤、抽滤、干燥，即可得到聚苯胺纳米纤维。本发明专利技术操作简便、成本低廉、反应可控、重复性高，是实现高品质聚苯胺纳米纤维规模化连续生产的一种有效途径。

A Device and Method for Continuous Preparation of Polyaniline Nanofibers by Moving Interface Polymerization

【技术实现步骤摘要】
一种移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维的装置和方法
本专利技术属于纳米纤维材料的制备领域，特别涉及一种聚苯胺纳米纤维的制备方法。
技术介绍
聚苯胺一直是导电高分子材料的研究热点，其不仅具有原料廉价易得、合成简便、电导率较高、环境稳定性较好等优点，而且还具有独特的掺杂机制，能与其他材料结合形成具有独特性能的复合材料。在众多聚苯胺微纳米结构中，聚苯胺纳米纤维具有较高的比表面积、高孔隙率和独特的导电通道，在超级电容器、隐身材料、纳米光电器件、化学和生物传感器等领域表现出较大的应用潜力。聚苯胺纳米纤维的合成方法除了静电纺丝[CN101973713A、CN101967279A、CN100360725C]、机械拉伸等物理方法外，还可以采用电化学法和化学氧化法来合成。电化学法是通过将单体溶于电解液中并直接在惰性电极上发生聚合反应，需要借用昂贵的仪器设备，对电极和电位的要求比较高，并且产率受限于电极面积，不利于大规模加工。化学氧化法主要包括硬模板法、软模板法和无模板法。其中，硬模板法和软模板法都需要模板来对聚苯胺纳米纤维的生长加以诱导[CN101284908A、CN100586987C]，大部分需要较为繁琐的后处理过程去除模板，这会对聚苯胺的微纳米结构造成一定的破坏。无模板法的诞生有效弥补了这一缺陷，其主要包括乳液聚合法[CN102060993A、CN102050947A]、超声聚合法[CN1323199C]和界面聚合法[CN101016660A、CN101710541A、CN101037504A]等。由于乳液聚合反应过程中常采用大量的乳化剂，后处理过程较繁琐；超声聚合法需要借助昂贵的仪器设备，并且难以实现对聚苯胺微纳米结构的精细调控，使得这两种方法的实用化扩展方面受到限制。界面聚合法是目前合成聚苯胺纳米纤维较为常用的方法，该方法中苯胺单体在有机相/水相界面处发生聚合生成聚苯胺，然后向水相进行扩散，有效避免了聚苯胺的二次生长，大大提高了产品品质，是制备高品质聚苯胺纳米纤维的有效方法。然而，传统界面聚合法的产率受限于界面面积，且难以实现大批量连续化生产，因此其合成效率十分有限。同时，所得聚苯胺纳米纤维的形貌、有序结构及性能还有待进一步提高。基于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种新型的移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维的装置和方法，通过构筑流动聚合反应构型，利用搅拌装置转动提供的离心力促进容器中溶质与溶剂充分混合，并持续推动溶液注入反应管中并进行稳定流动；在反应管中创建有机相/水相移动界面，在界面处苯胺单体聚合生成聚苯胺纳米纤维，并通过流动驱动力有效促进聚苯胺纳米纤维的取向生长，进而连续化制备出高品质聚苯胺纳米纤维。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维的装置，包括第一容器和第二容器，第一容器内设有第一搅拌装置，第二容器内设有第二搅拌装置，第一容器底部通过第一连接管与反应管的进料端连通，第二容器底部通过第二连接管与反应管的进料端连通，反应管的出料端与收集容器连通，所述第一连接管与第二连接管上均设有阀门。优选地，所述第一连接管的个数n≥1，第二连接管的个数n≥1，反应管的个数n≥1，且第一连接管的个数＝第二连接管的个数＝反应管的个数。优选地，所述第一连接管的个数n＝2，第二连接管的个数n＝2，反应管的个数n＝2。优选地，所述第一容器和第二容器的内径为10～500mm；所述第一搅拌装置和第二搅拌装置的直径为5～480mm；所述反应管的长度为0.5～20m，内径为1～50mm。利用所述的装置制备聚苯胺纳米纤维的方法，包括以下步骤：(1)将苯胺单体和有机溶剂持续注入到第一容器中，经搅拌混合形成有机相溶液，将引发剂和含掺杂剂的水溶液持续注入到第二容器中，经搅拌混合形成水相溶液；(2)打开阀门，有机相溶液和水相溶液分别通过第一搅拌装置和第二搅拌装置提供的离心力使其以一定的速度在反应管内流动，并形成移动界面，苯胺单体在移动界面上发生聚合，最终汇集到收集容器中；(3)将收集容器中的反应产物洗涤、抽滤、干燥，得到聚苯胺纳米纤维。优选地，所述第一搅拌装置的转速为1～5000r/min，第二搅拌装置的转速为1～5000r/min，且第一搅拌装置与第二搅拌装置的转速比为1:(0.1～10)。优选地，所述步骤(1)中的有机溶剂为四氯化碳、苯、甲苯、二甲苯、二硫化碳或氯仿中的至少一种；所述步骤(1)中的苯胺单体在有机溶剂中的摩尔浓度为0.005～5.0mol/L。优选地，所述步骤(1)中的含掺杂剂的水溶液中的掺杂剂包括盐酸、硫酸、硝酸、高氯酸、磷酸、氟硼酸、乙酸、磺基水杨酸、饱和脂肪酸、偶氮苯磺酸、奈磺酸、樟脑磺酸或十二烷基苯磺酸中的至少一种；掺杂剂的摩尔浓度为0.2～5.0mol/L。优选地，所述步骤(1)中的引发剂为三氯化铁、重铬酸盐、过氧化氢、过硫酸铵或过氧化甲酰中的至少一种。优选地，所述步骤(1)中的苯胺单体和引发剂的摩尔比为1:(0.01～10)。优选地，所述的阀门开启后，第一容器和第二容器中的溶液流入反应管，阀门不需要反复开启，在持续投料的过程中，搅拌装置能够同时实现溶质与溶剂的混合和提供流动驱动力的双重作用；有机相和水相溶液能够通过阀门调节相对流量，进而控制移动界面中有机相与水相溶液的相对含量。优选地，所述的制作搅拌装置和反应管的材质为聚四氟乙烯树脂、酚醛树脂、有机硅单体树脂等耐酸碱材料。优选地，所述的有机相和水相溶液在反应管内形成移动界面，在界面处苯胺单体聚合生成聚苯胺纳米纤维，然后溶于水相溶液中，能够有效避免聚苯胺在界面处发生二次生长，并实现连续化制备过程；流动聚合能够促进聚苯胺沿流动方向发生取向生长，得到高品质聚苯胺纳米纤维。优选地，所述有机相和水相溶液在反应管内的相对含量能够通过阀门和搅拌装置的调节进行0～100％的调控。本专利技术提出通过移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维，借助搅拌装置转动提供的离心力实现反应液的混合配制和持续推动反应液在反应管中进行稳定流动，并创建有机相/水相移动界面聚合区域，通过调控流动驱动力诱导聚苯胺纳米纤维在反应管中进行持续的取向生长，进而连续制备出形貌均一、结构规整、分散良好、取向度高的高品质聚苯胺纳米纤维。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术与现有导电聚苯胺纳米纤维的制备方法相比具有显著特点，本专利技术首次提出了以移动界面聚合连续化制备聚苯胺纳米纤维的方法，克服了现有界面聚合法制备导电聚苯胺纳米纤维合成效率低下、难以连续化批量生产、原料转化率低等不足之处。通过搅拌装置转动提供的离心力促使各反应液均匀混合和推动反应液在反应管中稳定流动；在流动过程中，有机相和水相溶液在反应管中形成稳定的移动界面区域，在该移动界面处苯胺单体聚合生成聚苯胺纳米纤维，并及时向水相中扩散，进而遏制聚苯胺的二次生长；流动驱动力有效促进聚苯胺纳米纤维沿流动方向进行持续取向生长，同时单位体积产生的移动界面远大与传统界面聚合法，有机相/水相的有效接触面积增大，单体利用率得到提高，再加上双向流动构型的设计，大大提高了合成效率。(2)本专利技术的制备装置和方法简便易操作、成本低廉、无需进行反应溶液配制的离线步骤、不需要借助任何模板、反应可控、重复性高，整个聚合过程在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维的装置，其特征在于：包括第一容器(11)和第二容器(12)，第一容器(11)内设有第一搅拌装置(21)，第二容器(12)内设有第二搅拌装置(22)，第一容器(11)底部通过第一连接管(31)与反应管的进料端连通，第二容器(12)底部通过第二连接管(32)与反应管的进料端连通，反应管的出料端与收集容器连通，所述第一连接管(31)与第二连接管(32)上均设有阀门(4)。

【技术特征摘要】
1.一种移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维的装置，其特征在于：包括第一容器(11)和第二容器(12)，第一容器(11)内设有第一搅拌装置(21)，第二容器(12)内设有第二搅拌装置(22)，第一容器(11)底部通过第一连接管(31)与反应管的进料端连通，第二容器(12)底部通过第二连接管(32)与反应管的进料端连通，反应管的出料端与收集容器连通，所述第一连接管(31)与第二连接管(32)上均设有阀门(4)。2.根据权利要求1所述的移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维的装置，其特征在于：所述第一连接管的个数n≥1，第二连接管的个数n≥1，反应管的个数n≥1，且第一连接管的个数＝第二连接管的个数＝反应管的个数。3.根据权利要求1所述的移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维的装置，其特征在于：所述第一连接管的个数n＝2，第二连接管的个数n＝2，反应管的个数n＝2。4.根据权利要求1所述的移动界面聚合连续制备聚苯胺纳米纤维的装置，其特征在于：所述第一容器和第二容器的内径为10～500mm；所述第一搅拌装置和第二搅拌装置的直径为5～480mm；所述反应管的长度为0.5～20m，内径为1～50mm。5.利用权利要求1-4任一所述的装置制备聚苯胺纳米纤维的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将苯胺单体和有机溶剂持续注入到第一容器(11)中，经搅拌混合形成有机相溶液，将引发剂和含掺杂剂的水溶液持续注入到第二容器(12)中，经搅拌...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁浜雷，司建鑫，赵海鹏，郭心欣，张艳花，赵亚奇，冯巧，李翔，史向阳，
申请(专利权)人：河南城建学院，
类型：发明
国别省市：河南,41