[發明專利]一種粉末狀炭氣凝膠及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201310390643.7
• 申請日: 2013-08-30
• 公開（公告）號: CN103449406A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 吳丁財;許靜;符若文
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;C08F212/08;C08F212/36;C08F2/24;H01G11/42;A61K47/04;B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉

技術領域

本發明屬于氣凝膠材料技術領域，特別涉及一種粉末狀炭氣凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

炭氣凝膠材料一經出現，即引起世界各國研究工作者的濃厚興趣。近年來，人們已經在廉價原料開發、工藝簡化（尤其是干燥工藝）、結構控制、性能表征和應用開發等方面進行了大量的研究工作。但時至今日，氣凝膠材料無論是在基礎理論研究方面，還是在實際生產應用方面，都仍然處于探索階段。

目前這類材料的合成通常基于酚醛溶液的溶膠-凝膠反應。這種制備方法存在多種問題：（1）由溶膠反應得到酚醛樹脂納米顆粒單元，緊接著利用凝膠化反應將這些單元交聯形成三維納米網絡再炭化后形成的納米炭顆粒單元都是無孔的或準無孔的。（2）溶膠-凝膠化反應通常是在靜置的密閉容器內完成，導致聚合過程中的熱量難以迅速導出，工藝放大過程中會發生危險的爆聚。（3）大部分溶膠-凝膠化反應后得到的炭氣凝膠前驅體力學強度低，無法承受常壓下溶劑干燥過程中所產生的強烈的毛細管收縮力，因此通常需采用工藝繁瑣、成本昂貴的超臨界干燥或冷凍干燥等技術去除溶劑。（4）經過溶膠-凝膠化反應得到的氣凝膠材料一般呈塊狀，無法滿足應用的多樣化需求。例如，炭氣凝膠經常被用作超級電容器電極材料，這時就得把塊狀氣凝膠球磨成微米級粉末（～10μm），不僅費時費力，還費錢。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種粉末狀炭氣凝膠。

本發明另一目的在于提供一種上述粉末狀炭氣凝膠的制備方法。

本發明再一目的在于提供上述粉末狀炭氣凝膠在制備電極材料、藥物控釋材料和吸附材料中的應用。

本發明的目的通過下述方案實現：

一種粉末狀炭氣凝膠，由粒徑為20～300nm的炭納米球構筑單元交聯堆疊而成，炭納米球表面有大量微孔，其比表面積為294～2472m²/g。

上述粉末狀炭氣凝膠的炭納米球球間交聯與堆疊形成大量中孔與大孔，各孔道間相互貫穿連通，形成具有獨特的、三維相連通的層次化納米網絡孔道結構，各層次納米孔道之間具有協同效應。

上述粉末狀炭氣凝膠的制備方法，包含以下具體步驟：

（1）聚苯乙烯-二乙烯基苯（PSDVB）納米球的制備：將表面活性劑加入水中，攪拌至完全溶解，加入St單體和二乙烯基苯（DVB），分散均勻后加入引發劑，加熱聚合反應；醇沉，離心、洗滌、干燥后，得到PSDVB納米球；

（2）將步驟（1）所得PSDVB納米球加入無水四氯化碳中，攪拌溶脹；加入無水三氯化鋁，攪拌加熱交聯反應；加入丙酮/鹽酸/水混合溶劑終止反應，過濾、洗滌、干燥后，得到有機氣凝膠；惰氣氛圍下，高溫炭化，得到粉末狀炭氣凝膠。

步驟（1）中所述表面活性劑的用量為每160mL水使用0.9～18.3g表面活性劑。

（微）乳液聚合反應是以水作溶劑的環境友好溫和可控的一類聚合反應。在乳化劑的作用下并借助于機械攪拌，單體在水中分散成乳狀液，在水介質中生成的自由基進入膠束或乳膠粒中引發其中單體進行聚合。采用適當種類和濃度的乳化劑，可形成穩定均一的膠束，從而合成出均一的產品。本發明制備過程中采用（微）乳液聚合的方法有利于合成粒徑均一球形度好的單分散納米球，使后續制備的氣凝膠擁有形貌均勻的炭納米球構筑單元。同時在（微）乳液聚合的過程中加入一定量的DVB，可使制備的PSDVB納米球具有一定的預交聯度從而具有一定的機械強度，可避免在之后形成氣凝膠的過程中結構的塌陷。并且通過調節乳化劑的種類和濃度，可控制膠束的大小從而控制PSDVB納米球以及進一步的炭納米球的尺寸。改變乳液聚合的條件，可使得到的納米球粒徑分布在20～300nm之間，使炭氣凝膠的構筑單元多樣化。

優選地，所述表面活性劑的用量為每160mL水使用18.3g表面活性劑。

步驟（1）中所述表面活性劑指聚環氧乙烷-聚環氧丙烷-聚環氧乙烷三嵌段共聚物（P123）、十二烷基硫酸鈉（SDS）和十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）中的至少一種。

當所述表面活性劑為SDS時，還需要加入助表面活性劑，如乙醇或正戊醇。

所用助乳化劑的量為每100ml溶劑加入3g助乳化劑。

優選地，所述的表面活性劑指P123。

步驟（1）中所述的引發劑指過硫酸鉀（KPS）或偶氮二異丁腈（AIBN）。

優選地，所述的引發劑指KPS。

步驟（1）中所用St：DVB：引發劑：表面活性劑的質量比為4:（0.2～4）:（0.04～0.08）:（0.16～18.3）。