多棱微米结构聚吡咯_PPy_的可控合成
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基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划项目,编号:NCET 20720683;作者简介:冯江涛(19812),男,博士研究生,主要研究导电高分子的合成;3通讯联系人:yanwei @.研究简报多棱微米结构聚吡咯(PPy )的可控合成冯江涛,延 卫3(西安交通大学能源与动力工程学院环境科学与工程系,西安 710049) 摘要:首次通过化学氧化法将α2环糊精分子Π吡咯单体包结物聚合制备得到了一系列具有多棱状微纳米结构形貌的聚吡咯材料。
扫描电镜(SE M )和透射电镜(TE M )结果显示合成的多棱状聚吡咯的微观形貌为各截面边长从210μm 到510μm 不等,棱边长约20μm 的空心棱柱状结构。
合成的聚吡咯的分子结构以红外谱图(FT 2IR )进行表征,证实了得到的聚吡咯分子结构中环糊精的存在。
最后讨论了多棱状聚吡咯的形成机理。
该方法为合成具有特殊形貌的微纳米结构导电高分子材料提供了一种新途径。
关键词:α2环糊精;聚吡咯;包结物;多棱状微米结构具有特殊形貌与尺寸的微纳米结构导电高分子材料具有特殊的性能,在光学器件、微电子、生物芯片、传感技术、太阳能电池、隐形技术、金属防腐、超级电容器、静电屏蔽以及驱动器件等方面都有着重要的应用前景[1,2]。
而要获得具有特定形貌和尺寸的微纳米结构导电高分子材料,就必须有能够控制和限定材料形成的空间因素。
环糊精(Cyclodextrins ,简写为C Ds )是由6~8个D 2吡喃葡萄糖单元(分别对应α、β、γ2C D )通过α21,4糖苷键键合而成的大环状化合物,整个分子呈现“内疏水,外亲水”的锥桶状结构[3]。
环糊精的这种特殊结构使得它能够作为主体分子与许多小分子化合物(客体分子)在一定条件下选择性的形成主客体“包结物”,改善客体化合物的理化性能。
同时环糊精包结物可以形成笼型(cages )、管道型(channel )和层状(layer )三种[4]晶体堆积形态。
环糊精特殊的空腔结构及其包结物所特有的晶体堆砌结构可以形成一种分子微Π纳米管,同时环糊精分子作为一种超分子具有自组装特性,在溶剂中的聚集状态会因为周围环境的不同而不同[5,6]。
环糊精分子的这种分子微Π纳米管特性与不同的聚集态就成为一类可控的能用于限定材料微纳米结构形成的空间因素,以其作为模板应用于聚合物的制备,就可以得到具有特定形貌和尺寸的微纳米结构材料[7~9]。
本文首次以化学氧化法将α2环糊精Π吡咯单体包结物聚合制备得到了一系列具有多棱状微纳米结构形貌的聚吡咯材料。
1 实验部分吡咯单体(浙江台州清泉医药化工有限公司,分析纯),使用前经重新蒸馏,氮气保护,在冰箱中冷藏备用;α2C D (生物级)由礼泉县化工实业有限公司提供,使用前重结晶一次;三氯化铁(FeCl 3,天津市耀华化学试剂有限责任公司,分析纯)配置成110m ol ・L -1的溶液用作氧化剂。
室温下,将01003m ol α2C D 溶于20m L 蒸馏水中磁力搅拌,待α2C D 完全溶解之后,向该溶液中加入01015m ol 的吡咯单体,继续磁力搅拌3h ,然后将得到的溶液转入到带有机械搅拌装置的三口烧瓶中,并将三口烧瓶置于5℃的恒温水浴中,通入氮气保护,边搅拌边缓慢滴加110m ol ・L -1的FeCl 3溶液(15m L ),待FeCl3溶液滴加完毕后停止搅拌,5℃静置聚合反应12h。
抽滤,滤饼经过大量的水洗涤后,60℃真空干燥24h。
改变聚合反应的温度,并按照上述相同条件反应和进行样品处理。
样品的SE M图由J E O L JS M26700F型扫描电子显微镜获得;TE M图由Hitachi J E M2200CX型透射电镜得到;红外谱图由Nicilet,FT2IR6000型傅立叶转换红外光谱仪给出。
2 结果与讨论图1是不同条件下合成的聚吡咯的扫描电镜图。
图1a为5℃条件下,体系中只有吡咯单体时以三氯化铁作为氧化剂氧化聚合12h得到的聚吡咯的扫描电镜照片(其它条件与多棱状聚吡咯的合成过程相同)。
由图可以看到在没有任何辅助试剂存在时吡咯单体被FeCl3氧化得到的是典型的菜花状结构。
而在α2C D存在的条件下,通过改变聚合温度则能够得到具有四棱、五棱、六棱和七棱柱体等一系列具有规则微观形貌的聚吡咯材料,如图1所示。
在有α2C D作为掺杂剂的体系中,0℃时,合成具有四棱的棱柱状结构,棱柱端面边长约5μm,如图1b;5℃时,合成的是具有五条棱的棱柱状结构,棱柱端面边长约为4μm,如图1c;10℃时是具有六棱的棱柱状结构,棱柱端面边长约2μm,如图1d;15℃时聚合成为七棱柱结构,端面边长2~5μm,如图1e。
15℃时合成的多棱状聚吡咯的TE M图在图2中给出,TE M图证明了该棱状聚吡咯为中空结构。
图1 不同条件下合成的PPy样品的SE M照片a:水溶液中无α2CD时合成的PPy;b:0℃α2CD存在时合成的PPy;c:5℃α2CD存在时合成的PPy;d:10℃α2CD存在时合成的PPy;e:15℃α2CD存在时合成的PPyFigure1 SE M images of PPy obtained from different conditionsFT2IR谱图中(见图3,图中曲线a为棱状结构PPy的红外谱图;曲线b为无环糊精包结时合成PPy 的红外谱图)吡咯环的基本振动峰位置在1536和1421cm-1;1299,1091和1032cm-1处为聚吡咯链中吡咯图2 PPy样品的TE M图Figure2 TE M image of PPy环上C2H键的平面伸缩振动峰,1151cm-1为N2H键的伸缩振动峰,这与文献报道一致,说明合成聚吡咯骨架结构与以前报道相同[10,11]。
但是棱状结构PPy的FT2IR谱图(见图3a)中在3500cm-1出现了较明显的吸收峰,这是α2C D环糊精分子中O—H的伸缩振动峰;同时在2900cm-1附近出现了C2H对称振动吸收峰。
这都说明在合成的样品中有α2C D分子的存在。
图3 PPy样品的红外(FT2IR)谱图a:棱状结构PPy的红外谱图;b:无环糊精包结时合成PPy的红外谱图Figure3 FT2IR spectra of PPy由于α2C D和吡咯单体在水溶液中形成的包结物是一种超分子结构,可以形成一定的堆积结构,而且在不同的温度下堆砌方式有所不同,这样在不同温度下氧化聚合所得到的PPy就可能呈现出不同的形貌,如图4所示。
而吡咯单体被α2C D包结时,在α2C D的空腔中具有两种不同的取向,如图5所示[12]。
这种堆积体的有序排列,可能就是导致α2C D掺杂聚吡咯形成多棱状微形貌的原因。
包结物的堆积结构及吡咯单体在α2C D空腔中的不同取向,可以为PPy的聚合提供不同的生长方向,从而在氧化聚合时就可能生成一系列具有多棱状形貌的聚吡咯微结构;而温度的变化使得包结物的反应活性发生变化,同时包结物的堆砌结构也发生变化。
温度越高,反应活性越强,堆砌结构的边数越多,氧化得到的棱柱状的聚吡咯的截面边数就越多,从而导致了在不同温度下得到的聚吡咯具有不同的棱状微结构,温度越高,棱边数越多。
另外,由于聚合得到的聚吡咯分子链有一定的缺陷,所以得到的棱柱截面边长略有不同,这种差异在截面边数较多的棱柱中表现更为明显。
依据已有的实验和文献报道[8]我们认为当温度足够高时,有可能得到圆管状聚吡咯。
3 结论在α2C D存在条件下,通过化学氧化法制备到得了一系列具有多棱状形貌的聚吡咯微结构,聚合过程中α2C D不仅作为掺杂剂而存在,而且与吡咯单体形成包结物,这种包结物堆积体的有序排列最终导致具有多棱状聚吡咯的形成。
这为合成具有特殊形貌的聚吡咯提供了一种新的方法。
Figure4 The formation mechanism chart of multi2row PPy with different m orphologies图5 α2环糊精Π吡咯单体包结物中的两种取向Figure5 T w o orientation ofα2C DΠpyrrole inclusion com plexes参考文献:[1] Akkerman H B,Blom P W M,Leeuw D M,et al.Nature,2006,441(7089):69~721[2] M ortimer R J,Dyer A L.Reynolds J R.Displays,2006,27(1):2~181[3] S zejtli J.Chem Rev,1998,98(5):1743~17541[4] Del Valle E M M.Proc Biochem,2004,39(9):1033~10461[5] Harada A,Akihito H,Y oshinori T.Adv P olym Sci,2006,201:1~431[6] Harada A,Li J,K amachi M.Nature,1993,364(6437):516~5181[7] G rig oras M,C onduruta D G.J Inclusion Phenom M acrocyclic Chem,2006,54(122):101~1071[8] Xue G,Chen W,W an X B,et al.M acrom olecules,2003,36(2):276~2781[9] Li X W,Zhao Y P,Zhuang T,et al.C olloids and Surf,A:Physicochem Eng Aspects,2007,295(123):146~1511[10] Li Y F,Qian R Y.E lectrochim Acta,2000,45(11):1727~17311[11] M athys G I,T ruong V T.Synth M et,1997,89(2):103~1091[12] S torsberg J,Ritter H,Pielartzik H,et al.Adv M ater,2000,12(8):567~5691Controllable Synthesis of Polypyrrole with Multi2row MicrostructureFE NGJiang2T ao,Y AN Wei3 (Department o f Environmental Science and Engineering,Xi′an Jiaotong Univer sity,Xiπan71004,China)Abstract:P olypyrrole(PPy)with multi2row are synthesized by chemical oxidation method via the oxidation of inclusion com plexes ofα2cyclodextrin and pyrrole.Scanning electron microscopy(SE M)and transmission electron microscopy(TE M)results showed that the micro2m orphologies of the prepared multi2row PPy were hollow prisms with the side length being from210μm to510μm,the whole length of the row being about20μm.The m olecular structure of the synthesized PPy was characterized by F ourier trans form infrared spectrometry(FT2IR),which indicated that the existence ofα2cyclodextrin in the structure of the prepared PPy.The formation mechanism of the multi2row PPy was als o discussed.This method introduced a new way to synthesize PPy with special microstructure.K ey w ords:α2Cyclodextrin;P olypyrrole(PPy);Inclusion com plexes;Multi2row microstructure。