一种水溶性PEDOT-PSS分散液及其均相聚合制备方法技术

本发明专利技术公开一种水溶性PEDOT-PSS分散液及均相聚合制备方法，该制备方法的优势在于：制备过程中以去离子水和某些有机溶剂的混合物作为反应体系的溶剂，使得油溶性单体EDOT和水溶性高分子聚苯乙烯磺酸钠都可以溶解于反应体系，形成透明溶液，发生均相聚合反应。聚合反应结束后，反应所得混合液经渗析等处理后即为本发明专利技术水溶性PEDOT-PSS分散液。依照本方法制备的水溶性PEDOT-PSS分散液具有优良的分散性、较好的电性能和成膜性能，可应用于柔性透明电极材料、抗静电材料以及电致变色材料等领域，该制备方法简单易行，适合工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种水溶性PEDOT-PSS分散液及其均相聚合制备方法
本专利技术涉及导电高分子功能材料领域。更具体地，涉及一种水溶性PEDOT-PSS分散液的均相聚合制备方法。
技术介绍
近些年来，导电聚合物以其优异的电学、光学特性受到很大关注，其中最引人注意的是聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯三大类导电聚合物。其中，聚噻吩的衍生物聚(3,4-二氧乙基噻吩)(PEDOT)以其高电导率、高透光率、优良的热稳定性和化学稳定性最为引人注意，但PEDOT具有不溶不熔的特点，直接限制了其应用。US2009/02947735公开了一种有机溶剂体系的导电聚合物溶液，包括聚噻吩等含有π共轭结构的导电聚合物、含有至少一个阴离子基团或吸电子基团的水溶性高分子、铵盐等相转变催化剂、树脂、苯等有机溶剂，但是该分散液仅以有机溶剂作为分散介质，含有大量挥发性有机化合物，其应用范围受到大幅限制。CN103937170A公开了一种PEDOT-PSS分散液及其制备方法，专利技术具体为一种以磺酸型共轭聚电解质为模板制备PEDOT-PSS水分散体系，但该水分散体系中PEDOT-PSS胶粒的分散性较差，容易沉降，形成的涂层粗糙度和雾度较大，限制了其在光学薄膜领域的应用。目前，已经公开的制备PEDOT-PSS分散液的各种方法中，绝大多数都选用或优先选用水作为反应溶剂，例如US005300575A公开了一系类聚噻吩分散液的制备方法，均选用水作为反应溶剂，同时分散EDOT、聚苯乙烯磺酸钠、氧化剂以及催化剂并完成反应；CN102731923A公开了一种高电导率PEDOT-PSS溶液的制备方法，该方法以水作为反应溶剂，形成了乳白色分散体系进行反应。实验证明，仅以水作为反应溶剂，很难大量分散EDOT，最终只能形成乳白色分散液进行氧化聚合反应，导致大量难溶于水的颗粒生成，形成的PEDOT-PSS薄膜表面粗糙，给实际应用带来诸多不利。由于单体EDOT难以大量在水中稳定分散，因此以水作为溶剂制备电导率高且分散性优良的PEDOT-PSS分散液难度较大，随着PEDOT-PSS分散液的应用范围不断扩大，现如今制备既具有水溶性又具有优良电性能的PEDOT-PSS分散液显得更加重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题在于提供一种水溶性PEDOT-PSS分散液，该分散液具有优良的分散性、较好的电性能和成膜性能，可应用于柔性透明电极材料、抗静电材料以及电致变色材料等领域。本专利技术所要解决的第二个技术问题在于提供一种水溶性PEDOT-PSS分散液的均相聚合制备方法，该方法以去离子水和某些有机溶剂的混合物作为反应体系的溶剂，使得油溶性单体EDOT和水溶性高分子聚苯乙烯磺酸钠都可以溶解于反应体系，形成透明溶液，发生均相聚合反应。聚合反应结束后，反应所得混合物经渗析等后处理除去无机盐、有机溶剂等，得到水溶性PEDOT-PSS分散液。该制备方法简单易行，适合工业化生产。为解决上述第一个技术问题，本专利技术采用下述技术方案：一种水溶性PEDOT-PSS分散液，所述水溶性PEDOT-PSS分散液中，PEDOT-PSS的含量为1.0wt％-5.0wt％，余量为水；PEDOT-PSS胶粒的粒径≤1000nm，其形成的薄膜干燥后，雾度≤0.5％，室温电导率≥10-2S·cm-1。为解决第二个技术问题，本专利技术采用下述技术方案：一种水溶性PEDOT-PSS分散液的均相聚合制备方法，该方法包括以下步骤：a)制备聚苯乙烯磺酸溶液：称取有机溶剂和去离子水，形成混合溶剂，向混合溶剂中加入聚苯乙烯磺酸钠，搅拌并调节pH值，得到聚苯乙烯磺酸溶液；b)加入EDOT单体：将EDOT加入到步骤a)制备的聚苯乙烯磺酸溶液中，搅拌得到聚苯乙烯磺酸、EDOT的透明溶液；c)加入氧化剂：将氧化剂加入到步骤b)形成的透明溶液中，得到含有氧化剂、聚苯乙烯磺酸和EDOT的透明溶液；d)加入催化剂：将催化剂加入到步骤c)形成的透明溶液中，形成均相聚合反应体系，搅拌得到深蓝色混合液；e)步骤d)得到的深蓝色混合液，经过渗析除去混合液中的无机盐和有机溶剂等，即得所述水溶性PEDOT-PSS分散液，所述水溶性PEDOT-PSS分散液中，PEDOT-PSS的含量为1.0wt％‐5.0wt％，余量为水；PEDOT-PSS胶粒的粒径≤1000nm，其形成的薄膜干燥后，雾度≤0.5％，室温电导率≥10-2S·cm-1。优选地，所述步骤a)至步骤d)的反应温度为0-60℃。优选地，步骤a)所述有机溶剂选自乙腈、二甲基亚砜、二甲基砜、乙二醇、丙三醇、正丙醇、异丙醇、四氢呋喃和二甲基甲酰胺中的一种或几种。优选地，步骤a)所述混合溶剂中有机溶剂和去离子水的摩尔比为1:3-1:25；有机溶剂过少时，溶解EDOT的能力下降，有机溶剂过多时，溶解聚苯乙烯磺酸钠的能力下降，均不能形成透明溶液，优选地所述混合溶剂中有机溶剂和去离子水的摩尔比为1:5-1:15。优选地，步骤a)所述聚苯乙烯磺酸钠的重均分子量为10,000-1,000,000，聚苯乙烯磺酸钠的重均分子量较低时，产物分散液成膜性较差，薄膜电性能较差，优选重均分子量为300,000-1,000,000。优选地，步骤a)所述聚苯乙烯磺酸钠溶液通过加入酸调节其pH值，所述酸选自盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢溴酸、氢碘酸、甲酸、乙酸、丙酸、甲基磺酸、乙基磺酸和对甲基苯磺酸中的一种或几种。优选地，步骤a)所述聚苯乙烯磺酸溶液的pH值为1-2.5，pH值较低时，反应速度过快，反应过程难以控制，pH值较高时，反应速度过慢，反应时间过长，不具有经济性，优选地所述pH值为1.3-2.0。优选地，步骤a)所述聚苯乙烯磺酸溶液的质量浓度为0.5-10％；聚苯乙烯磺酸浓度较低时，产率较低，不具有经济性，聚苯乙烯磺酸浓度过高时，反应体系粘度过大，增加工艺难度，优选地所述聚苯乙烯磺酸溶液的质量浓度为1-5％。优选地，步骤b)所述EDOT单体的摩尔浓度为0.02-0.2mol/L，EDOT的浓度过低时，产率较低，产物电性能较差，不具有经济性，EDOT浓度过高时，超出溶剂溶解能力，不能形成透明溶液，优选地所述EDOT单体的摩尔浓度为0.05-0.15mol/L。优选地，步骤c)所述氧化剂选自过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、碘酸钾、碘酸钠、溴酸钾、溴酸钠、氯酸钾和氯酸钠中的一种或几种。优选地，步骤c)在含有氧化剂、聚苯乙烯磺酸和EDOT的透明溶液中，氧化剂的摩尔浓度为0.03-0.3mol/L，氧化剂浓度较低时，反应速度慢，不具有经济性，氧化剂浓度过高时，反应速度过快，反应过程难以控制，优选地所述氧化剂的摩尔浓度为0.05-0.2mol/L；并且氧化剂与EDOT单体的摩尔比为0.5:1-5:1，氧化剂与EDOT单体的摩尔比过低时，氧化程度不足，氧化剂与EDOT的摩尔比过高时，易发生过氧化，均会影响导电性能，优选地所述氧化剂与EDOT单体的摩尔比为1:1-3:1。优选地，步骤d)所述催化剂选自硫酸铁、硫酸亚铁、三氯化铁、氯化亚铁和对甲基苯磺酸铁中的一种或几种。优选地，步骤d)中加入催化剂后均相聚合反应时间为10-50小时。优选地，步骤d)所述均相聚合反应体系中，催化剂的摩尔浓度为1.0-20.0×10-4mol/L，优选地所述催化剂的摩尔浓度为3.0-10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水溶性PEDOT‑PSS分散液，其特征在于：所述水溶性PEDOT‑PSS分散液中，PEDOT‑PSS的含量为1.0wt％‑5.0wt％，余量为水；PEDOT‑PSS胶粒的粒径≤1000nm，其形成的薄膜干燥后，雾度≤0.5％，室温电导率≥10‑2S·cm‑1。

【技术特征摘要】
1.一种水溶性PEDOT-PSS分散液的均相聚合制备方法，其特征在于：所述水溶性PEDOT-PSS分散液中，PEDOT-PSS的含量为1.0wt％-5.0wt％，余量为水；PEDOT-PSS胶粒的粒径≤1000nm，其形成的薄膜干燥后，雾度≤0.5％，室温电导率≥10-2S·cm-1；所述水溶性PEDOT-PSS分散液的均相聚合制备方法，由如下步骤组成：a)制备聚苯乙烯磺酸溶液：称取有机溶剂和去离子水，形成混合溶剂，向混合溶剂中加入聚苯乙烯磺酸钠，搅拌并调节pH值，得到聚苯乙烯磺酸溶液；b)加入EDOT单体：将EDOT加入到步骤a)制备的聚苯乙烯磺酸溶液中，搅拌得到聚苯乙烯磺酸、EDOT的透明溶液；c)加入氧化剂：将氧化剂加入到步骤b)形成的透明溶液中，得到含有氧化剂、聚苯乙烯磺酸和EDOT的透明溶液；d)加入催化剂：将催化剂加入到步骤c)形成的透明溶液中，形成均相聚合反应体系，搅拌得到深蓝色混合液；e)步骤d)得到的深蓝色混合液，经过渗析除去混合液中的无机盐和有机溶剂，即得所述水溶性PEDOT-PSS分散液；步骤a)所述混合溶剂中有机溶剂和去离子水的摩尔比为1:3-1:25；步骤a)所述有机溶剂选自二甲基亚砜、二甲基砜、四氢呋喃和二甲基甲酰胺中的一种或几种。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)至步骤d)的反应温度为0-60℃。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)所述聚苯乙烯磺酸钠的重均分子量为10,000-1,000,000。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周树云，潘飞，严峻，孙兴明，胡秀杰，孙承华，陈萍，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11