自組裝合成超疏水聚苯胺片狀多級結(jié)構(gòu)*

鐘文斌，熊昌倫

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

自組裝合成超疏水聚苯胺片狀多級結(jié)構(gòu)*

鐘文斌?，熊昌倫

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

采用無模板-化學(xué)氧化聚合法，在全氟辛酸(PFOA)的水溶液中以過硫酸銨(APS)為氧化劑聚合苯胺(Ani)自組裝合成超疏水聚苯胺(PANI)片狀多級結(jié)構(gòu).利用SEM，F(xiàn)T-IR，XRD和UV-vis對其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.當(dāng)PFOA濃度為0.002 4 mol/L，聚合溫度為25 ℃時(shí)，氧化劑APS的量與苯胺相同；Ani濃度為0.022 mol/L時(shí)，合成的PANI為長幾十微米寬大約為2～5 μm的片狀結(jié)構(gòu)，該片狀結(jié)構(gòu)表面由長大約1 μm直徑約為100 nm的PANI纖維組成；而Ani濃度為0.044 mol/L時(shí)，合成的PANI長為20 μm左右寬大約為2～3 μm的片狀結(jié)構(gòu)，該片表面布滿短而粗的不規(guī)整纖維，并且發(fā)現(xiàn)它們的水接觸角分別為149°和151°，表明該材料具有超疏水性能.

聚苯胺；超疏水；自組裝；多級結(jié)構(gòu)

超疏水表面具有許多獨(dú)特的性能，如自清潔、防腐蝕、抗氧化等，因此超疏水在國防和民用生活中有著廣泛的應(yīng)用前景，如在衛(wèi)星天線、船舶防污、微流體傳輸、擋風(fēng)玻璃等方面都有廣泛應(yīng)用.因此，研究人員在超疏水理論研究方面做了大量的工作.對于此方面的研究開始于20世紀(jì)50年代，自Wenzel[1]和Baxter等[2]報(bào)道了液相、固相實(shí)際接觸面積分率與接觸角之間的關(guān)系以及粗糙表面上粗糙度之后，關(guān)于超疏水表面理論的研究日漸增多.Barthlott和Neinhuis[3-4]等通過對荷葉表面自清潔現(xiàn)象的研究，認(rèn)為荷葉表面上的粗糙微米結(jié)構(gòu)的乳突以及表面蠟狀物的存在共同引起自清潔的發(fā)生.王景明等人[5]發(fā)現(xiàn)在荷葉表面微米結(jié)構(gòu)的乳突上還存在著納米結(jié)構(gòu)，他們認(rèn)為自清潔的根本原因是微米結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)引起表面強(qiáng)疏水性.隨著人們對超疏水理論的深入研究發(fā)現(xiàn),材料表面自由能和表面形態(tài)是影響材料疏水性能的兩個(gè)主要因素[6].因此，通常有兩種途徑制備超疏水性表面：一種是在具有一定粗糙度的表面上涂覆表面能低的物質(zhì)；另一種是通過改變材料的表面形態(tài)和表面粗糙度來實(shí)現(xiàn).目前，已研究出多種可以制備超疏水表面的方法，主要包括：等離子體處理技術(shù)、模板印刷法、相分離法、溶膠-凝膠法、刻蝕法、電紡法和電化學(xué)法等[7-8].但是，這些方法有著成本高、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此，制備工藝簡單、成本低廉、性能優(yōu)良以及大面積的超疏水表面是現(xiàn)如今超疏水表面技術(shù)的主要研究目標(biāo)之一.

聚苯胺(PANI)因具有物理化學(xué)性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)多樣等優(yōu)點(diǎn)[9-10]而備受關(guān)注.PANI摻雜機(jī)理獨(dú)特，不同摻雜質(zhì)子酸可導(dǎo)致合成的PANI結(jié)構(gòu)不同，并且在用質(zhì)子酸摻雜時(shí)，PANI鏈上的電子數(shù)不發(fā)生變化.雖然目前有關(guān)于PANI疏水性方面的研究報(bào)道[11-13]，然而采用全氟辛酸(PFOA)做摻雜劑制備超疏水PANI片狀多級結(jié)構(gòu)還未見報(bào)道.

本文在無表面活性劑的條件下，利用PFOA作摻雜劑，過硫酸銨(APS)為氧化劑化學(xué)氧化制備超疏水PANI，探討了Ani濃度、摻雜劑PFOA和反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物形貌的影響，并用SEM，F(xiàn)T-IR，XRD，UV-vis以及水接觸角實(shí)驗(yàn)對產(chǎn)物進(jìn)行了表征和分析.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料、儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

苯胺(AR)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，經(jīng)減壓蒸餾使用；全氟辛酸(AR)，進(jìn)口；過硫酸銨(AR)，天津恒興試劑有限公司.

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

采用日本日立公司的S-4800 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察材料的形貌；日本島津公司的IRAffinity-1 傅里葉紅外光譜儀，德國西門子公司的D8 AdvanceX-ray衍射儀和日本Jasco公司紫外光譜儀表征材料的結(jié)構(gòu)；日本Kyowa公司的G-1測試材料水接觸角.

1.2 PANI片狀多級結(jié)構(gòu)的制備及表征

具體的制備方法如下：把一定量的PFOA加入含100 mL去離子水的三口燒瓶中，攪拌待PFOA完全溶解后加入Ani單體，在室溫下(25 ℃)攪拌2 h后，把APS(APS與Ani的摩爾比為1∶1)加入到上述混合液中， 5 s后停止攪拌.反應(yīng)保持24 h，反應(yīng)完成后對產(chǎn)品進(jìn)行離心分離，并用去離子水洗滌，直至上層清液無色，得到PANI產(chǎn)物.

2 結(jié)果與討論

2.1 PANI的形貌表征

2.1.1 Ani的濃度對PANI微/納米結(jié)構(gòu)的影響

PFOA作為一種有機(jī)強(qiáng)酸可與苯胺反應(yīng)形成既具有親水基團(tuán)又具有疏水基團(tuán)的PFOA/Ani膠束，該膠束指導(dǎo)合成PANI微/納米結(jié)構(gòu)[14].當(dāng)PFOA濃度為0.002 4 mol/L，Ani濃度分別為0.022 mol/L和0.044 mol/L時(shí)，采用與Ani等摩爾量的APS在25 ℃進(jìn)行氧化聚合.產(chǎn)物的形貌如圖1所示，當(dāng)Ani濃度為0.022 mol/L，合成的PANI長為幾十微米寬大約為2～5 μm的片狀結(jié)構(gòu)，該片狀結(jié)構(gòu)表面由長大約1 μm、直徑約為100 nm的PANI纖維組成(圖1(a),(b)).當(dāng)Ani濃度為0.044 mol/L，形成的PANI為長約20 μm、寬約為2～3 μm的片狀結(jié)構(gòu)，且發(fā)現(xiàn)該片表面布滿短而粗的不規(guī)整纖維(圖1(c)，(d)).該體系合成的PANI形貌明顯與全氟辛烷磺酸(PFOSA)體系合成的PANI不同[15].另外，我們對合成的PANI的表面潤濕性能進(jìn)行了表征，它們的水接觸角分別為149°(圖1(b))和151°(圖1(d)),這表明該材料具有超疏水性能.這個(gè)結(jié)果可能歸結(jié)以下兩個(gè)原因：1)PFOA具有低的表面能，從而使經(jīng)PFOA摻雜的PANI的表面能降低；2)合成的PANI具有微/納米結(jié)構(gòu).此兩方面因素共同導(dǎo)致了合成的PANI具有優(yōu)異的超疏水性能.另外，當(dāng)苯胺的濃度增加，合成PANI的水接觸角增大，表明適當(dāng)增加苯胺單體濃度可以提升其超疏水性能.

圖1 PANI的SEM圖，[PFOA]=0.002 4 mol/L， (a，b)[Ani]=0.022 mol/L，(c，d)[Ani]=0.044 mol/LFig.1 The SEM images of PANI，[PFOA]=0.002 4 mol/L， (a，b)[Ani]=0.022 mol/L，(c，d)[Ani]=0.044 mol/L

2.1.2 PFOA的量對PANI形貌的影響

圖2展示了在其他聚合條件一致的情況下， PFOA不同的量對PANI形貌的影響.從圖中可以觀察到，當(dāng)PFOA濃度為0.001 mol/L時(shí)，生成的PANI為粒子和片狀結(jié)構(gòu)，并且該片狀結(jié)構(gòu)容易斷裂；仔細(xì)觀察該粒子由PANI纖維構(gòu)成；另外，部分片狀產(chǎn)物彎曲(圖2(a)，(b)).當(dāng)PFOA濃度為0.001 9 mol/L時(shí)，產(chǎn)物為大量的片狀結(jié)構(gòu)，該片狀結(jié)構(gòu)長約幾十微米和寬為2～5 μm；并且部分片狀結(jié)構(gòu)表面由許多PANI納米纖維組成(圖2(c)，(d))；明顯的當(dāng)PFOA濃度為0.002 4 mol/L時(shí)，產(chǎn)物長為幾十微米寬大約為2～5 μm的片狀結(jié)構(gòu)，該片狀結(jié)構(gòu)表面由長大約1 μm直徑約為100 nm的PANI纖維組成，該微/納米結(jié)構(gòu)的規(guī)整性比在其他PFOA濃度合成的PANI好(圖2(e)，(f)).

圖2 PANI的SEM圖，[Ani]=0.022 mol/L， (a，b)[PFOA]=0.001 mol/L，(c，d)[PFOA] =0.001 9 mol/L，(e，f)[PFOA]=0.002 4 mol/LFig.2 The SEM images of PANI，[ Ani]=0.022 mol/L， (a，b)[PFOA]=0.001 mol/L，(c，d)[PFOA]= 0.001 9 mol/L，(e，f)[PFOA]=0.002 4 mol/L

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對PANI形貌的影響

從圖3可以看出在其他反應(yīng)條件相同的情況下，聚合反應(yīng)時(shí)間直接影響多級結(jié)構(gòu)PANI的形貌.從圖3中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，產(chǎn)物全部為竹葉狀或片狀的PANI，該片的寬度為0.5～1.3 μm.而反應(yīng)時(shí)間為24 h時(shí)，形成的PANI長為20 μm左右寬大約為2～3 μm的片狀結(jié)構(gòu)，且該片表面含不規(guī)整的纖維.由此可知，PANI的微/納米結(jié)構(gòu)的形成分兩步：1)Ani在少量的PFOA(0.002 4 mol/L)體系中，首先形成片狀PANI低聚物[16]，由于Ani的濃度遠(yuǎn)大于PFOA的濃度，從而反應(yīng)液的pH較高，在較高pH條件下聚合苯胺有利于片狀結(jié)構(gòu)的形成[17]；2)隨著聚合反應(yīng)時(shí)間的延長，溶液的pH降低，有利于PANI纖維的形成[18].

圖3 PANI的SEM圖，[PFOA]=0.002 4 mol/L， [Ani]=0.044 mol/L，(a，b)30 min，(c，d)24 hFig.3 The SEM images of PANI，[PFOA]=0.002 4 mol/L， [Ani]=0.044 mol/L，(a，b) 30 min，(c，d) 24 h

2.2 PANI的結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 PANI的FT-IR和XRD分析

通過對Ani濃度為0.044 mol/L和PFOA濃度為0.002 4 mol/L時(shí)獲得的超疏水PANI進(jìn)行傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析(圖4(a)).據(jù)文獻(xiàn)[19]報(bào)道，本征態(tài)PANI的FTIR經(jīng)分析認(rèn)為：1 590 cm-1是醌式結(jié)構(gòu)中C=C的吸收振動峰；1 499 cm-1是芳香烴結(jié)構(gòu)中環(huán)內(nèi)C=C的特征峰；1 379 cm-1和1 302 cm-1峰是芳香胺結(jié)構(gòu)(C-N)引起的吸收峰；1 161 cm-1峰為苯醌環(huán)式振動所致；830 cm-1是苯環(huán)的面外彎曲振動吸收峰，同時(shí)因?yàn)?30 cm-1處只有一個(gè)吸收峰，說明苯胺的聚合是對位聚合，505 cm-1是芳環(huán)彎曲振動導(dǎo)致的吸收峰.與本征態(tài)聚苯胺相比，本實(shí)驗(yàn)所得摻雜態(tài)聚苯胺(圖4(a))的特征峰向低頻有不同程度的移動，1 590 cm-1峰移到1 570 cm-1；3 220 cm-1處對應(yīng)于亞氨基形成的不同類型的分子內(nèi)氫鍵的N—H伸縮振動吸收峰，1 500 cm-1的吸收峰對應(yīng)PANI分子中苯環(huán)結(jié)構(gòu)中C=C的伸縮振動吸收峰，1 301 cm-1峰是芳香胺C—N 的吸收所致，694 cm-1為N—H面外彎曲擺動峰，831 cm-1為苯環(huán)上取代基的振動峰；在1 043 cm-1處的峰為質(zhì)子化特征峰.1 155 cm-1和1 250 cm-1處的峰歸結(jié)于CF2的對稱和非對稱伸縮振動，這進(jìn)一步表明了聚苯胺被PFOA摻雜[15].摻雜態(tài)聚苯胺特征峰形和峰位變化主要源于兩個(gè)方面的原因：一方面可能是正電荷一部分離域到芳環(huán)上，使其電子云密度下降，振動頻率降低，峰向低頻移動；另一方面可能是PANI經(jīng)摻雜后，電子云重排，在整個(gè)大分子鏈上形成共軛結(jié)構(gòu).從而合成的超疏水有機(jī)酸摻雜PANI結(jié)構(gòu)中的吸收峰發(fā)生了一定的紅移.

為了進(jìn)一步明白合成的超疏水PANI的分子結(jié)構(gòu)，我們對所合成的產(chǎn)物進(jìn)行了XRD表征.從圖4(b)中可以觀察到，在2θ=6.2°和2θ=25.4°處有明顯的峰，而2θ=6.4°處的尖峰表明PANI分子鏈具有好的層狀結(jié)構(gòu)；2θ=25.4°歸結(jié)于PANI鹽的有序結(jié)構(gòu)[20]；而2θ=17°～19°的3個(gè)尖峰可能與反應(yīng)形成的有序吩嗪單元有關(guān)[16].從以上結(jié)果可知：合成的超疏水PANI具有好的結(jié)晶結(jié)構(gòu).

圖4 PANI的FT-IR和XRD圖譜Fig.4 FT-IR and XRD spectras of the PANI

2.2.2 PANI的UV-vis分析

圖5為不同時(shí)間產(chǎn)物在水溶液中的紫外光譜吸收圖.從圖中可以清楚地看到，不同時(shí)間PANI的紫外吸收光譜無太大的變化.由圖5(a)發(fā)現(xiàn)，在303 nm和447 nm處有中等吸收峰，這是PANI鏈上苯環(huán)的π-π*躍遷所致，這可能是由于PANI鏈的氧化程度較大，引起紫外吸收向長波移動；圖5(b)中反應(yīng)24 h后產(chǎn)物的紫外吸收光譜顯示，303 nm處的吸收峰已移至328 nm，同時(shí)447 nm處的吸收峰沒有移動，可能是后一階段PANI分子量增大，雖然產(chǎn)物中苯式結(jié)構(gòu)單元比例增大，但鏈上醌式結(jié)構(gòu)單元數(shù)增多，醌環(huán)的π-π*躍遷增強(qiáng)的原因.700 nm以后，曲線(b)呈遞增的趨勢，而曲線(a)為遞減趨勢，表明反應(yīng)24 h獲得的PANI導(dǎo)電性比反應(yīng)30 min的要強(qiáng)，因隨反應(yīng)時(shí)間的延長，溶液的pH降低，從而合成的PANI被更好的摻雜.

3 結(jié) 論

本文采用PFOA作為摻雜劑和APS為氧化劑，PFOA作為長鏈有機(jī)酸與Ani單體反應(yīng)形成膠束，該膠束指導(dǎo)合成PANI微/納米結(jié)構(gòu).具體結(jié)論如下：

1)當(dāng)PFOA濃度為0.002 4 mol/L，Ani濃度分別為0.022 mol/L和 0.044 mol/L時(shí)，合成的PANI為超疏水的PANI微/納米結(jié)構(gòu).

2)在含PFOA的體系中聚合苯胺，得到的PANI具有較好的結(jié)晶性能.

3)通過觀察聚合反應(yīng)過程，該體系的PANI存在兩次成核增長，第一步形成片狀結(jié)構(gòu)，第二步PANI納米纖維在片狀結(jié)構(gòu)表面生長.

[1] WENZEL R N.Surface roughness and contact angle[J].J Phys Chem,1949，53 (9)：1466-1467.

[2] BAXTER S，CASSIE A B D.Wettability of porous surfaces[J].Trans Faraday Soc,1944，40：546-551.

[3] BARTHLOTT W，NEINHUIS C.Purity of the sacred lotus，or escape from contamination in biological surfaces[J].Planta,1997，202(1):1-8.

[4] NEINHUIS C W.Characterization and distribution of water-repellent，self-cleaning plant surfaces[J].Annals of Botany，1997，79(6)：667-677.

[5] 王景明，王軻，江雷,等.荷葉表面納米結(jié)構(gòu)與浸潤性的關(guān)系[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(8)：1596-1599.

WANG Jingming,WANG Ke,JIANG Lei,etal.Effects of chemical compositionand nano-structureson the wetting behaviour of lotus leaves[J].Chemical Journal of Chinese Universities，2010，31(8)：1596-1599.(In Chinese)

[6] LIU B，WANG W，JIANG G,etal. Study on hierarchical structured PDMS for surface super-hydrophobicity using imprinting with ultrafast laser structured models[J].Appl Surf Sci，2016，364：528-538.

[7] 石璞，陳洪，龔惠青,等.超疏水表面的制備方法[J].功能高分子學(xué)報(bào)，2008，21(2)：230-236.

SHI Pu,CHEN Hong,GONG Huiqing,etal.Methods to prepare superhydrophobic surface[J].Journal of Functional Polymers,2008,21(2):230-236.

[8] 代學(xué)玉，冷寶林，高蘭玲,等.超疏水表面的制備方法[J].廣東化工，2014，41(20)：90-91.

DAI Xueyu，LENG Baolin，GAO Lanling,etal. Peparation of the surface with superhydrophobicity[J].Guangdong Chemical Industry，2014，41(20)：90-91.(In Chinese)

[9] BHADRA S，KHASTGIR D，SINGH N K,etal.Progress in preparation，processing and applications of polyaniline[J].Prog Polym Sci,2009，34：783-810.

[10] OLEJNIK P，GNIADEK M，PALYS B.Layers of polyaniline nanotubes deposited by langmuir-blodgettmethod[J].J Phys Chem C，2012，116：10424-10429.

[11] ZHOU C，GONGA X，QU Y,etal.Hydrophobic and high adhesive polyaniline layer of rectangular microtubes fabricated by a modified interfacial polymerization[J].Appl Surf Sci，2016，379：124-131.

[12] FAN H，WANG H，GUO J,etal.SDBS-assisted preparation of novel polyaniline planar-structure：Morphology，mechanism and hydrophobicity[J].J Colloid Interf Sci，2014，414：46-49.

[13] ZHU Y，LI J，WAN M,etal. 3D-boxlike polyaniline microstructures with super-hydrophobic and high-crystalline properties[J].Polymer，2008，49：3419-3423.

[14] LUO C，PENG H，ZHANG L，etal.Formation of nano-/microstructures of polyaniline and its derivatives[J].Macromolecules，2011，44：6899-6907.

[15] ZHU Y,HU D，WAN M X，etal.Conducting and superhydrophobicrambutan-like hollow spheres of polyaniline[J].Adv Mater,2007，19：2092-2096.

[16] ZHOU C,HAN J,SONG G,etal.Polyaniline hierarchical structures synthesized in aqueous solution：micromats of nanofibers[J].Macromolecules，2007，40 (20)：7075-7078.

[17] LASLAU C，ZUJOVIC Z D，ZHANG L，etal. Morphological evolution of self-assembled polyanilinenanostuctures obtained by pH-stat phemical oxidation[J].Chem Mater，2009，21(5)：954-962.

[18] CHIOU N R，EPSTEIN A J.Polyanilinenanofibers prepared by dilute polymerization[J].Adv Mater,2005，17：1679-1683.

[19] WANG T，ZHONG W，NING X，etal. Facile synthesis of polyaniline “sunflowers” with arrays of oriented nanorods[J].J Colloid Interf Sci，2009，334：108-112.

[20] TANG Q，WU J，SUN X，etal.Templateless self-assembly of highly oriented polyanilinearrays[J].Chem Commun，2009，16(16)：2166-2167.

Self-assembled Synthesis of Super-hydrophobic Polyaniline with Hierarchical Structure

ZHONG Wenbin?，XIONG Changlun

(College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)

In this paper，super-hydrophobic polyaniline with hierarchical structure has been synthesized via a “soft template chemical oxidation” method with aniline as monomer，ammonium persulfate as oxidant in the solution of perfluorocaprylic acid (PFOA).The morphologies and structures of the polyaniline were further proved by SEM，F(xiàn)T-IR，XRD and UV-vis.When [PFOA] = 0.002 4 mol/L，[ANI] = 0.022 mol/L，T= 25 ℃，[APS] = [ANI]，the synthesized PANI was a sheet structure about tens of micrometers in length and 2～5 μm in width，in which the surface of sheet structure was composed of PANI fiber (about 1 μm in length with a diameter ca.100 nm).When [ANI]= 0.044 mol/L，the synthesized PANI was a sheet structure of about 20 μm in length and 2～3 μm in width，in which the surface was covered with short thick irregular fibers.The water contact angles of both structures were 149° and 151°，respectively.These results demonstrate that the as-prepared PANIs exhibit excellent hydrophobic properties.

polyaniline; super-hydrophobic; self-assembled; hierarchical structure

1674-2974(2017)12-0069-05

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.12.011

2016-12-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51273061，51473049)，National Natural Science Foundation of China(51273061, 51473049)

鐘文斌(1970—)，男，湖南長沙人，湖南大學(xué)教授?通訊聯(lián)系人，E-mail： wenbinzhong@163.com

O631

A