本发明属于有机功能高分子材料领域,具体地说,涉及一种聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的制备方法。
背景技术:
2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑聚合物是含有S、N原子的杂环芳香聚合物,可作为高储能阴极材料应用于二次锂离子电池,也可作为电极修饰材料用于高灵敏度、高选择性的电化学探测铅离子、镉离子、桑色素等,同时也是优良的重金属离子吸附剂和抗菌杀毒剂。
在过去的研究中,2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑聚合物的制备方法以电化学聚合法为主,通过循环伏安法制得。美国学者Shouji等人(Shouji E,Buttry D A,An investigation of the effect of pyridine derivatives on the oxidative polymerization process of 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole and its disulfide dimer[J],Journal of Physical Chemistry B,1998,102:1444-1449)使用三电极电解池,以玻碳电极为工作电极、铂丝电极为对电极、Ag/AgCl电极为参比电极,0.2mol L-1LiClO4的乙腈、二甲亚砜或N-甲基吡咯烷酮溶液为电解液,以50mV s-1的扫描速度在-0.8~+1.1V范围内连续循环扫描,制得聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑膜。巴西学者Davoglio等人(Davoglio R A,Biaggio S R,Rocha-Filho R C,Bocchi N,Bilayered nanofilm of polypyrrole and poly(DMcT)for high-performance battery cathodes[J],Journal of Power Sources,2010,195(9):2924-2927)以碳纤维电极作为工作电极,铂片电极作为对电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,以0.1mol L-1LiClO4的乙腈溶液为电解液,电解液中2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的浓度达到饱和,以100mV s-1的扫描速度在-1.0~+0.69V范围内循环扫描30次,得到聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米薄膜。此外,印度学者Varghese等人(Varghese A,Chitravathi S,Munichandraiah N,Electrocatalytic oxidation and determination of morin at a poly(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole)modified carbon fiber paper electrode[J],Journal of The Electrochemical Society,2016,163(8):B471-B477)在含有1mmol L-12,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的磷酸盐缓冲液(pH=9.0)中碳纤维纸电极表面电化学聚合制备了聚合物膜。电化学聚合的优势是可以在电极表面直接成膜,并且膜的厚度可以通过动电位扫描的循环次数(循环伏安法)或者固定通过工作电极的总电量(恒电位法和恒电流法)来控制,缺陷是受电极面积影响不能大规模合成,并且得到产物不够纯净,大量的电解废液会对环境造成污染。
由于2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体分子为五元杂环并且含有3个硫原子和2个氮原子,一方面五元环与强氧化剂作用容易导致开环反应而得不到聚合物,另一方面易与过渡金属盐氧化剂反应只能得到金属络合物;所以迄今为止通过化学氧化聚合法制备得到聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的报道为数不多。也门学者El-Shekeil等人(El-Shekeil A G,Al-Maydama H M,Al-Shuja'a O M,The synthesis,characterization,and DC electrical conductivity of poly[di(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole)-metal]complexes[J],Journal of Applied Polymer Science,2007,106(4):2427-2435)将2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑与钴、镍、铜和锌的氯化物在无水乙醇中回流反应得到了相应的聚[二(2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑)-金属]络合物,其颜色分别为绿色、深棕色、深黄色和白色,产率分别只有38%、30%、63%和33%。类似地,印度学者Tiwari等人(Tiwari M,Gupta S,Prakash R,One pot synthesis of coordination polymer 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole–gold and its application in voltammetric sensing of resorcinol[J],RSC Advances,2014,4:25675-25682)在氮气的保护和室温条件下,将2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑乙醇溶液与四氯金酸乙醇溶液混合反应,最终得到产率为64%的浅黄色的配位聚合物。对于2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的化学氧化聚合,一般以甲醇、水-甲醇(体积比1:1)、水-乙醇(体积比1:2)、或0.1mol L-1醋酸-醋酸钠水溶液为反应介质,碘、过氧化氢、或过硫酸铵为氧化剂,产物为浅黄色,但一般产率较低,聚合物的分子量也不高。并且,迄今为止,尚没有发现采用化学氧化聚合法制备聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的报道。
技术实现要素:
有鉴于此,本发明针对上述的问题,提供了一种聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的制备方法,该方法采用化学氧化聚合法,制备工艺简单。
为了解决上述技术问题,本发明公开了一种聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的制备方法,包括以下步骤:
1)按摩尔体积比1.46~2.61:10mmol/mL将2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体溶于有机溶剂中,制备得到2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体有机溶液;按摩尔体积比3.29~16.46:30mmol/mL将氧化剂溶解在有机溶剂中,制备得到氧化剂有机溶液;将2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体有机溶液和氧化剂有机溶液分别进行平衡;
2)在搅拌和恒温的条件下将氧化剂有机溶液逐滴加入到2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体有机溶液中进行反应,其中2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体在整个反应体系中的终浓度为0.0356~0.0652mol L-1,反应后加入去离子水沉降、离心,沉淀再依次用去离子水和无水乙醇洗涤直至洗涤溶剂无色为止,然后干燥至恒重即得到聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片。
进一步地,溶解2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体和氧化剂的有机溶剂是N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、甲醇、乙醇中的一种。
进一步地,氧化剂有机溶液为I2、(NH4)2S2O8、NaClO、FeCl3、H2O2中一种或几种混合物的有机溶液。
进一步地,I2溶液、(NH4)2S2O8溶液和FeCl3溶液是有机溶液,H2O2溶液和NaClO溶液是直接量取的水溶液或有机溶液。
进一步地,2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体有机溶液和氧化剂有机溶液的平衡时间为10~30min;平衡温度为0~50℃。
进一步地,步骤2)中搅拌时间为10~24h;搅拌温度为0~50℃。
进一步地,步骤2)中氧化剂与2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体固体的摩尔比为0.5:1~7.06:1。
与现有技术相比,本发明可以获得包括以下技术效果:
1)本发明中所述的有机溶剂能很好地溶解2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体和氧化剂,所制得的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑产率较高、聚合效果较好。在众多的氧化剂中过氧化氢、碘、过硫酸铵都对2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑具有较好的聚合效果。
2)本发明得到的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑,其分子链结构重复单元如下:
本发明利用2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑结构单元上的氮和硫原子的负电排斥效应,使其作为内稳定剂在一定程度上有效地阻止了颗粒之间的聚合和团聚,成功地合成出了表面纯净、自稳定好的、纳米片状的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑。
3)本发明方法所制得的聚合物有较高的分子量和产率,同时制得的聚合物具有较高的纯度,通过化学氧化合成的方法,可以对2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑聚合物进行大规模的合成,且有利于获得纳米尺寸的聚合物。
当然,实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明实施例1制备得到的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的透射电镜照片;
图2为本发明实施例1制备得到的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的扫描电镜照片;
图3为本发明实施例1制备得到的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的另一种形式的扫描电镜照片;
图4为本实验实施例2制备得到的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的透射电镜照片;
图5为本实验实施例2制备得到的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的扫描电镜照片;
图6为本发明中25℃时,不同的氧化剂合成的PBT与BT的红外光谱图;
图7为本发明中25℃时,不同的氧化剂合成的PBT与BT的广角X射线衍射图;
图8为本发明实施例3制备得到的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的紫外可见光谱图;
图9为本发明实施例4制备得到的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的紫外可见光谱图;
图10为本实验实施例8制备得到的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的透射电镜照片;
图11为本实验实施例8制备得到的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式,藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1:化学氧化聚合制备聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的方法,具体操作如下:
(1)准确称量2.33mmol(0.3497g)2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体,将其加入到10mL的无水乙醇中超声至完全溶解,配成2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的有机溶液;准确称量6.99mmol(0.8861g)I2单质,将其加入到30mL的无水乙醇中超声至完全溶解,配成I2的有机溶液;
(2)将I2的有机溶液和2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的有机溶液分别置于25℃恒温水浴中平衡20min后,然后用滴管逐滴将氧化剂溶液滴加到2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑有机溶液中,整个过程在磁力搅拌的条件下进行,恒温下反应24h,反应结束后加入200mL去离子水沉降、离心,然后沉淀依次分别用去离子水和无水乙醇洗涤至洗涤溶液为无色为止,然后沉淀置80℃下恒温烘干至恒重,制得聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片,产率为92.91%,其透射电镜如图1所示,可以看出聚合物为纳米片状,其扫描电镜如图2、3,其纳米片厚度大小为89~535nm。溶解性实验发现聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片不溶于去离子水、甲醇、乙醇、1mol L-1HCl水溶液,微溶于DMF、NMP、四氢呋喃(THF),部分溶于1mol L-1氨水,说明具有良好的耐有机溶剂和耐酸性水溶液性质,可推测具有高分子量。
实施例2:化学氧化合成聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的方法,具体操作如下:
本实施例方法同实例1,不同的是氧化剂由I2的有机溶液换成H2O2的有机溶液,所得的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的产率为82.13%,其透射电镜如图4所示,可以看出聚合物为片状,其扫描电镜如图5,其片状厚度大小为133~666nm。
图6为聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑(PBT)和BT单体的红外光谱图,图中显示PBT在1045、1385、1643和3447cm-1处有强烈的吸收峰,而单体BT在713、1045、1255和1498cm-1处有强烈的吸收峰。
图7为聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的广角X射线衍射图,图中显示单体BT与聚合物PBT都在20°到25°呈现多个尖锐的衍射峰,但明显可以看出BT与PBT的衍射峰位置不一样,而两个PBT聚合物的衍射峰都一致,一方面说明BT和PBT不是同一个物质和聚合反应的发生,另一方面说明了生成的聚合物具有类似的结构,同时PBT的尖锐衍射峰又与透射电镜观察到的规整的纳米片结果一致。
实施例3:化学氧化合成聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的方法,具体操作如下:
本实施例方法同实例1,不同的是溶解2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体的溶剂换成DMF、甲醇、80%乙醇,所得的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的产率分别为38.75%、92.23%和73.71%。
不同介质中合成的PBT和单体BT紫外可见光谱见图8,可以看出单体BT分别在267和358nm处有强烈的吸收峰;而PBT都在259和358nm处有强烈的吸收峰,其中以乙醇为反应介质制备的聚合物在421nm处有明显吸收峰。
实施例4:化学氧化合成聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的方法,具体操作如下:
(1)准确称量2mmol(0.3065g)2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体,将其加入到10mL的甲醇中超声至完全溶解,配成2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的有机溶液;而氧化剂分别用4mmol的次氯酸钠、三氯化铁和过氧化氢,溶解在30mL的甲醇中超声至完全溶解,配成各氧化剂的有机溶液;
(2)将氧化剂的有机溶液和2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑分别置于25℃恒温水浴中平衡20min后,然后用滴管逐滴将氧化剂溶液滴加到2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑有机溶液中,整个过程在磁力搅拌的条件下进行,恒温下反应24h,反应结束后加入200mL去离子水沉降、离心,然后沉淀依次分别用去离子水和无水乙醇洗涤5次,至洗涤溶液为无色为止,然后沉淀置80℃下恒温烘干至恒重,以次氯酸钠、三氯化铁和过氧化氢为氧化剂制得聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片,产率分别为18.08%、0.8766%和91.80%。
实施例4的紫外可见光谱图见图9,看图可得出单体2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的吸收峰在270和355nm处;聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的吸收峰在255和364nm处。
实施例5:化学氧化合成聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的方法,具体操作如下:
本实施例方法同实例1,单体的量不变,但是不同的是改变氧化剂用量,即:改变氧化剂与单体的摩尔比,分别为0.5:1、1:1、3:1、4:1和7.06:1,所得的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的产率分别为8.72%、68.56%、98.47%、96.45%和93.16%。
实施例6:化学氧化合成聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的方法,具体操作如下:
本实施例方法同实例1,氧化剂与单体的摩尔比不变,改变单体浓度,单体浓度分别是0.03065、0.04375、0.05和0.06525mol L-1,所得的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的产率分别为8.72%、68.56%、80.20%和96.45%。
实施例7:化学氧化合成聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的方法,具体操作如下:
本实施例方法同实例1,不同的是反应温度由最初的25℃分别变为0℃、5℃、40℃和50℃,平衡温度与反应温度相同,所得的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的产率分别为31.17%、72.17%、77.85%和56.18%。
实施例8:化学氧化合成聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的方法,具体操作如下:
(1)准确称量2.33mmol(0.3497g)2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑单体,将其加入到10mL的DMF中超声至完全溶解,配成2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的有机溶液;准确称量6.99mmol(1.5971g)过硫酸铵,将其加入到30mL的DMF中超声至完全溶解,配成过硫酸铵的有机溶液;
(2)然后用滴管逐滴的将过硫酸铵的有机溶液滴加到2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的有机溶液中,整个过程在磁力搅拌的条件下进行,25℃恒温下反应24h,反应结束后加入200mL去离子水沉降、离心,然后沉淀依次分别用去离子水和无水乙醇洗涤,至洗涤溶液为无色为止,然后80℃恒温烘干至恒重,制得聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片,产率为80.42%,其透射电镜如图10所示,可以看出聚合物为片状,其扫描电镜如图11,其片状厚度大小为30~333nm。
实施例9
本实施案例与实施例1相同,不同的是平衡时间由最开始的20min变成10min和30min,所得的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的产率由92.91%变为87.64%和92.75%。
实施例10
本实施案例与实施例1相同,不同的是反应时间由最开始的24h变成10h和18h,所得的聚2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑纳米片的产率分别为84.15%和90.32%。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例,但如前所述,应当理解发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围,则都应在发明所附权利要求的保护范围内。