聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管及其製備方法
2023-07-09 22:49:51 1
專利名稱：聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種水溶性碳納米管的製備方法，特別是聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管及其製備方法。
背景技術：
碳納米管(Cabon Nanotube，簡稱CNT)是1991年才被發現的一種新型碳結構，是由碳原子形成的石墨烯片層捲成的管體。碳納米管分為單壁碳納米管(Single-wall Nanotube，SWNT)和多壁碳納米管(Multi-wall Nanotube，MWNT)。其製備方法主要有催化熱解、電弧放電、模板法和雷射蒸發等。
由於直徑很小、長徑比大，碳納米管被視為準一維納米材料。現在已經證實碳納米管具有奇特的電學性能、超強的力學性能、很好的吸附性能，因而在材料領域引起了極大重視。現在已經有碳納米管制作的電晶體和顯示器問世。
隨著納米科學和技術的發展，各種具有特定性能的碳納米管逐漸引起人們的興趣。Richard E.Smalley等人在1998年仔細研究了碳納米管的酸處理，得到了不同處理條件下的產物分布情況，這為以後進一步的研究打下了很好的基礎(Science，1998，280(22)1253-1255)。之後，各種各樣的改性碳納米管及其複合結構被製備出來。比如具有溶劑溶解性的碳納米管、具有分子探測功能的碳納米管器件等等。
另一方面，Sawamoto和Matyjaszewski幾乎同時獨立地發現了一種用過渡金屬催化的「活性」可控自由基聚合即原子轉移自由基聚合(ATRP)。這種方法很快就成為國際上高分子化學的研究熱點，並被譽為「21世紀的新研究方法」。此方法在對目標產物的控制和維持較低的分子量分布指數方面大大優於傳統聚合方法，還避免了傳統方法中對聚合環境的苛刻要求。同時，由於引發劑的廣泛性，尤其是帶官能團的引發劑的參與，可在產物中方便地引入官能團，還可合成多種嵌段聚合物。
隨著科學技術的發展，具有獨特結構和功能的納米結構和納米器件逐漸得到了人們的重視，每年都有大量這方面的報導。利用ATRP方法的優勢，結合碳納米管，就可以合成各種具有特定結構的碳納米管器件，這可以大大擴展以上方法和材料的應用，促進本科學和技術領域的發展。
發明內容
本發明的目的在於通過分子設計，利用原子轉移自由基聚合等方法，製備聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管，滿足不同應用領域的需要。
本發明的技術方案如下通過分子設計，對碳納米管表面進行處理，使之帶有ATRP聚合反應所需的活性基團，從而可以引發含雙鍵單體的聚合；然後在催化劑及配體存在下用原子轉移自由基聚合反應引發乙烯基苯磺酸鈉單體聚合，得到聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管。
本發明聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管的具體製備方法如下步驟(a)1重量份乾燥的碳納米管原料和0.1～100重量份強氧化性酸，用0～100kHz超聲波處理0.1～100hr後加熱到20～200℃，反應0.5～100hr，用濾膜抽濾，反覆洗滌多次至中性，0～180℃真空乾燥10～30hr後得到酸化的碳納米管；步驟(b)加入步驟(a)所得酸化碳納米管1重量份和醯化劑1～100重量份，用0～100kHz超聲波處理10～1000min後，加熱到20～200℃，攪拌並回流下反應0.5～100hr，抽濾並反覆洗滌除去醯化劑，得到醯化的碳納米管；步驟(c)加入步驟(b)所得醯化碳納米管1重量份和多元醇或多元胺1～50重量份，密封，反覆抽充氮氣三次，用0～100kHz超聲波處理10～1000min後，在20～200℃下反應1～20hr，抽濾，反覆洗滌後，0～180℃真空乾燥，得到表面帶有羥基或胺基的碳納米管；步驟(d)加入步驟(c)所得表面帶有羥基或胺基的碳納米管1重量份和α-滷代醯滷1～50重量份，密封，反覆抽充氮氣三次，用0～100kHz超聲波處理10～1000min後，在20～200℃下反應1～20hr，抽濾，洗滌後，0～180℃真空乾燥，得到表面帶有引發基團的碳納米管；步驟(e)加入0.01～1重量份催化劑、0.01～5重量份配體，再加入步驟(d)所得的表面帶有引發基團的碳納米管1重量份，溶劑0～50重量份，密封后充Ar或N21～100min，加入乙烯基苯磺酸鈉單體0.01～80重量份，繼續充氮氣或氬氣1～100min，在0～150℃下反應0.01～1000hr，停止反應，過濾，洗滌，0～180℃真空乾燥，得到聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管；其中所得接枝在碳納米管表面的聚合物鏈結構如下 m為重複單元數，取值範圍為5～5000。
本發明方法步驟(a)中所用的碳納米管為催化熱解、電弧放電、模板法以及雷射蒸發方法製備的單壁或多壁碳納米管。
本發明方法步驟(a)所用強氧化性酸包括0.1～70％重量酸濃度硝酸、0.1～100％重量酸濃度硫酸、1/100～100/1摩爾比硝酸和硫酸混合溶液、1/100～100/1摩爾比高錳酸鉀和硫酸混合溶液、1/100～100/1摩爾比高錳酸鉀和鹽酸混合溶液、1/100～100/1摩爾比高錳酸鉀和硝酸混合溶液、1/100～100/1摩爾比H2O2和硫酸混合溶液、1/100～100/1摩爾比H2O2和鹽酸混合溶液或者1/100～100/1摩爾比H2O2和硝酸混合溶液。
本發明方法步驟(b)中所用醯化劑包括三氯化磷、五氯化磷、亞硫醯氯、三溴化磷、五溴化磷或亞硫醯溴。
本發明方法步驟(c)中所用的多元醇或多元胺物質包括乙二醇、乙二胺、丙三醇、丙三胺、1，2-丙二醇，1，2-丙二胺、1，3-丙二醇、1，3-丙二胺、1，4-丁二醇、1，4-丁二胺、1，2-丁二醇、1，2-丁二胺、1，3-丁二醇、1，3-丁二胺、丁三醇、丁三胺、聚乙二醇或聚乙二胺。
本發明方法步驟(d)中所用α-滷代醯滷包括α-溴代丁醯溴、α-溴代異丁醯溴、α-溴代丙醯溴、α-氯代丁醯氯、α-氯代異丁醯氯或α-氯代丙醯氯。
本發明方法步驟(c)、(d)中不使用溶劑或者用二甲基亞碸、N，N-二甲基甲醯胺、N，N-二甲基乙醯胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、氯仿、四氫呋喃、乙酸乙酯、丙酮、乙腈、丁酮、三乙胺、吡啶或二甲胺基吡啶為溶劑或者含有這些溶劑的混合溶劑為反應介質。
本發明方法步驟(e)中所用催化劑為含有Cu(I)、Fe(II)、Mo(V)、Re(V)、Ru(II)、Ni(I)、Pb(II)的金屬化合物如氯化亞銅、溴化亞銅、氯化亞鐵、溴化亞鐵、鉬酸鋰、ReO2I(PPh3)2、RuCl2、Ni(NCN)Br或Pd(OAc)2；所用配體為2-聯吡啶、四甲基乙二胺、五甲基-二乙基三胺、六甲基-三乙基四胺、乙二酸、丙二酸、丁二酸、鄰苯二甲酸、三苯基膦或三正丁基膦；所用溶劑為二甲基亞碸、N，N-二甲基甲醯胺、N，N-二甲基乙醯胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、四氫呋喃、乙酸乙酯、丙酮、丁酮、乙腈、丙醇、乙醇、甲醇或者含有這些溶劑的混合物。
本發明提供的製備方法簡單易行，可控性強；所得聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管由於帶有大量的親水性磺酸根基團，在水中表現出良好的溶解性；這種溶解性大大改善了碳納米管的可加工性，可以作為水溶性高分子材料的特種添加劑；同時由於其納米級的尺寸，可以作為特殊功能的納米器件，構築特定的量子結構；也可以作為不同系統間物質傳遞與轉移的載體，實現特定的目的；從而在納米科學、材料科學和生物醫學諸方面具有廣泛的用途，有著廣闊的應用前景。
圖1聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管1HNMR譜2聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管紅外譜圖
具體實施例方式下面的實施例是對本發明的進一步說明，而不是限制本發明的範圍。
實施例1以催化熱解法製備的多壁碳納米管為最初原料，經過酸化，醯化後，接上乙二醇，再與α-溴代異丁醯溴反應，用ATRP法接枝聚磺化苯乙烯，得到聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管。
步驟(a)在已裝有磁力攪拌轉子的100mL單頸圓底燒瓶中，加入2g乾燥的碳納米管原料和20mL 60％重量比濃度濃硝酸，用40kHz超聲波處理30min後加熱到120℃，攪拌並回流下反應24hr，用φ0.22μm聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用去離子水反覆洗滌多次至中性，80℃真空乾燥24hr後得到酸化的碳納米管；步驟(b)在已裝有磁力攪拌轉子的100mL單頸圓底燒瓶中，加入步驟(a)所得酸化碳納米管1.5g和亞硫醯氯8g，用40kHz超聲波處理30min後，加熱到60℃，攪拌並回流下反應24hr，抽濾並反覆洗滌除去亞硫醯氯，得到醯化的碳納米管；步驟(c)在已裝有磁力攪拌轉子的100mL單頸圓底燒瓶中，加入步驟(b)所得醯化碳納米管1.3g和乙二醇25g，用翻口橡皮塞密封，反覆抽充氮氣三次，用40kHz超聲波處理30min後，在100℃下反應24hr，抽濾除去未反應物和反應副產物，反覆用去離子水洗滌後，80℃真空乾燥，得到表面帶有羥基的碳納米管；步驟(d)在已裝有磁力攪拌轉子的100mL單頸圓底燒瓶中，加入步驟(c)所得表面帶有羥基的碳納米管1.1g和α-溴代異丁醯溴1g，用翻口橡皮塞密封，反覆抽充氮氣三次，用40kHz超聲波處理30min後，在20下反應1～20hr，抽濾除去未反應物和反應副產物，反覆用去離子水洗滌後，80℃真空乾燥，得到表面帶有引發基團的碳納米管；步驟(e)在已裝有磁力攪拌轉子的50mL單頸圓底燒瓶中，加入0.6g CuBr、0.7g配體PMDETA(五甲基-二乙基三胺)，再加入步驟(d)所得的表面帶有引發基團的碳納米管1g，溶劑DMF 10mL，密封后充N210min，加入乙烯基苯磺酸鈉單體10g，繼續充N210min，在100℃下反應20hr，停止反應，加水過濾，洗滌，乾燥，得到聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管2.7g。
圖1給出了聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管1H NMR譜圖，聚合物主鏈(-CH2-δ＝1.5～1.8ppm；-CH-δ＝3.1～3.4ppm)和苯環(δ＝6.4～6.6ppm和δ＝7.2～7.4ppm)的證明了聚磺化苯乙烯的結構。圖2給出了聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管的熱分解曲線，聚合物部分和碳納米管分別在不同的溫度分解，估算出聚合物接枝量大概佔總質量的20％，聚合度大約為20(從核磁結果估算)。
權利要求
1.聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管的製備方法，其特徵在於具體製備方法如下步驟(a)1重量份乾燥的碳納米管原料和0.1～100重量份強氧化性酸，以0～100kHz超聲波處理0.1～100hr後加熱到20～200℃，反應0.5～100hr，以濾膜抽濾，反覆洗滌多次至中性，0～180℃真空乾燥10～30hr後得到酸化的碳納米管；步驟(b)加入步驟(a)所得酸化碳納米管1重量份和醯化劑1～100重量份，以0～100kHz超聲波處理10～1000min後，加熱到20～200℃，攪拌並回流下反應0.5～100hr，抽濾並反覆洗滌除去醯化劑，得到醯化的碳納米管；步驟(c)加入步驟(b)所得醯化碳納米管1重量份和多元醇或多元胺1～50重量份，密封，反覆抽充氮氣三次，以0～100kHz超聲波處理10～1000min後，在20～200℃下反應1～20hr，抽濾，反覆洗滌後，0～180℃真空乾燥，得到表面帶有羥基或胺基的碳納米管；步驟(d)加入步驟(c)所得表面帶有羥基或胺基的碳納米管1重量份和α-滷代醯滷1～50重量份，密封，反覆抽充氮氣三次，以0～100kHz超聲波處理10～1000min後，在20～200℃下反應1～20hr，抽濾，洗滌後，0～180℃真空乾燥，得到表面帶有引發基團的碳納米管；步驟(e)加入0.01～1重量份催化劑、0.01～5重量份配體，再加入步驟(d)所得的表面帶有引發基團的碳納米管1重量份，溶劑0～50重量份，密封后充Ar或N21～100min，加入乙烯基苯磺酸鈉單體0.01～80重量份，繼續充氮氣或氬氣1～100min，在0～150℃下反應0.01～1000hr，停止反應，過濾，洗滌，0～180℃真空乾燥，得到聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管；其中所得接枝在碳納米管表面的聚合物鏈結構如下 m為重複單元數，取值範圍為5～5000。
2.根據權利要求1所述的聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管的製備方法，其特徵在於步驟(a)中所用的碳納米管為催化熱解、電弧放電、模板法以及雷射蒸發方法製備的單壁或多壁碳納米管。
3.根據權利要求1所述的聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管及其製備方法，其特徵在於步驟(a)所用強氧化性酸包括0.1～70％重量酸濃度硝酸、0.1～100％重量酸濃度硫酸、1/100～100/1摩爾比硝酸和硫酸混合溶液、1/100～100/1摩爾比高錳酸鉀和硫酸混合溶液、1/100～100/1摩爾比高錳酸鉀和鹽酸混合溶液、1/100～100/1摩爾比高錳酸鉀和硝酸混合溶液、1/100～100/1摩爾比H2O2和硫酸混合溶液、1/100～100/1摩爾比H2O2和鹽酸混合溶液或者1/100～100/1摩爾比H2O2和硝酸混合溶液。
4.根據權利要求1所述的聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管的製備方法，其特徵在於步驟(b)中所用醯化劑包括三氯化磷、五氯化磷、亞硫醯氯、三溴化磷、五溴化磷、亞硫醯溴。
5.根據權利要求1所述的聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管的製備方法，其特徵在於步驟(c)中所用的多元醇或多元胺物質包括乙二醇、乙二胺、丙三醇、丙三胺、1，2-丙二醇，1，2-丙二胺、1，3-丙二醇、1，3-丙二胺、1，4-丁二醇、1，4-丁二胺、1，2-丁二醇、1，2-丁二胺、1，3-丁二醇、1，3-丁二胺、丁三醇、丁三胺、聚乙二醇、聚乙二胺。
6.根據權利要求1所述的聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管的製備方法，其特徵在於步驟(d)中所用α-滷代醯滷包括α-溴代丁醯溴、α-溴代異丁醯溴、α-溴代丙醯溴、α-氯代丁醯氯、α-氯代異丁醯氯、α-氯代丙醯氯。
7.根據權利要求1所述的聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管的製備方法，其特徵在於步驟(c)、(d)中不使用溶劑或者用二甲基亞碸、N，N-二甲基甲醯胺、N，N-二甲基乙醯胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、氯仿、四氫呋喃、乙酸乙酯、丙酮、乙腈、丁酮、三乙胺、吡啶或二甲胺基吡啶為溶劑或者含有這些溶劑的混合溶劑為反應介質。
8.根據權利要求1所述的聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管的製備方法，其特徵在於步驟(e)中所用催化劑為含有Cu(I)、Fe(II)、Mo(V)、Re(V)、Ru(II)、Ni(I)、Pb(II)的金屬化合物如氯化亞銅、溴化亞銅、氯化亞鐵、溴化亞鐵、鉬酸鋰、ReO2I(PPh3)2、RuCl2、Ni(NCN)Br或Pd(OAc)2；所用配體為2-聯吡啶、四甲基乙二胺、五甲基-二乙基三胺、六甲基-三乙基四胺、乙二酸、丙二酸、丁二酸、鄰苯二甲酸、三苯基膦或三正丁基膦；所用溶劑為二甲基亞碸、N，N-二甲基甲醯胺、N，N-二甲基乙醯胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、四氫呋喃、乙酸乙酯、丙酮、丁酮、乙腈、丙醇、乙醇或甲醇或者含有這些溶劑的混合物。
9.聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管，其特徵在於採用權利要求1-8所述的製備方法獲得的聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管。
全文摘要
本發明提供了一種聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管及其製備方法。將碳納米管處理後使其表面帶有特定引發基團；然後用原子轉移自由基聚合反應引發乙烯基苯磺酸鈉單體聚合，得到聚磺化苯乙烯接枝的水溶性碳納米管。這種製備方法簡單易行，可控性強；所得產品在水中表現出良好的溶解性，可以作為水溶性高分子材料的特種添加劑；同時由於其納米級的尺寸，可以作為特殊功能的納米器件；也可以作為不同系統間物質傳遞與轉移的載體；從而在納米科學、材料科學和生物醫學諸方面有著巨大的應用前景。
文檔編號C08F292/00GK1556124SQ200310121619
公開日2004年12月22日 申請日期2003年12月30日 優先權日2003年12月30日
發明者孔浩, 高超, 顏德嶽, 孔 浩 申請人:上海交通大學