[發明專利]高性能石墨烯/纖維素復合水凝膠和氣凝膠及其制備方法

無效

• 申請號: 201410174197.0
• 申請日: 2014-04-28
• 公開（公告）號: CN103937010A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 王小慧;徐曼曼;孫潤倉;黃權波
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C08J3/075
• 分類號: C08J3/075;C08J3/00;C08L1/02;C08K9/04;C08K9/00;C08K3/04
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 宮愛鵬

技術領域

本發明涉及石墨烯/纖維素復合水凝膠和氣凝膠以及其制備方法，屬于材料科學領域。

背景技術

石墨烯是sp2雜化碳原子排列的蜂窩狀六角平面晶體，厚度僅為單層原子的新型碳納米材料。研究表明石墨烯的比表面積可以高達2600m²/g,楊氏模量約為1100Gpa,斷裂強度為125Gpa,機械強度為1060Gpa,熱導率5000W/m.K,并且具有優越的電子傳輸能力，石墨烯自發現以來，引起了科學界極大的興趣，成為研究最熱門的“明星材料“之一。但是因為范德華力的存在，石墨烯極易團聚，很難分散。這就大大限制了石墨烯的應用。

通過與高分子材料復合的方法，不僅可以實現石墨烯在宏觀條件下均勻分散，而且可以通過石墨烯與基底材料的相互作用實現整體材料性能的大幅提高，從而獲得具有優異機械性能、電學性能和熱學性能的新材料。因此，關于石墨烯聚合物復合材料的研究已引起人們的廣泛關注。

纖維素，作為世界上最豐富的天然高分子，具有可再生性，生物可降解性，相容性，特殊的機械性能等優點。如果纖維素和石墨烯復合，石墨烯能夠鑲嵌在纖維素網絡中，這也有利于阻止石墨烯的團聚。但纖維素的難溶解性是制約纖維素材料發展的關鍵原因。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高機械性能的石墨烯/纖維素復合水凝膠和氣凝膠及其制備方法。

本發明采用的技術方案如下：

石墨烯/纖維素復合水凝膠和氣凝膠，所述復合材料是由下法制得：將還原氧化石墨烯的離子液體溶液和纖維素在離子液體中的溶解液混合，攪拌。將得到的混合液脫泡，再生，洗滌，得到石墨烯/纖維素復合水凝膠，再將復合水凝膠冷凍干燥或超臨界CO₂干燥，得到復合氣凝膠。

一種高性能石墨烯/纖維素復合水凝膠的制備方法，包括如下步驟：

(1)將氧化石墨加入到離子液體中，超聲分散，得到氧化石墨烯的離子液體溶液；并制備質量分數為4％～6wt％的纖維素離子液體溶液；

(2)將還原劑加入到氧化石墨烯離子液體溶液中，80～100℃，還原2-24h，得到還原氧化石墨烯離子液體混合液；

(3)再將還原氧化石墨烯離子液體混合液與纖維素離子液體溶液混合；

(4)將所得到的最終混合液進行脫泡，用凝固浴再生，洗滌，得到石墨烯/纖維素復合水凝膠。

步驟(1)所述離子液體為BmimCl，所述氧化石墨經過Hummers或改進的Hummers法制備得到。

步驟(2)所述還原劑為抗壞血酸，水合肼等。

步驟(4)脫泡的方法包括用超聲波清洗器超聲(50～60℃，80～100W，3～6h)、真空脫泡(50～60℃，放置一夜)、離心脫泡，也可直接在50～60℃的烘箱里直接靜置脫泡等。

所述再生用凝固浴為水、無水乙醇、丙酮、5wt％H₂SO₄、3wt％HOAc、5wt％H₂SO₄/5wt％Na₂SO₄、5wt％Na₂SO₄或5wt％(NH₄)₂SO₄。

步驟(1)所述離子液體先在80～110℃油浴中溶解，加入氧化石墨后，磁力攪拌15-20min；所述超聲分散用超聲波清洗器或者細胞破碎儀超聲分散，超聲波清洗器的參數條件為：50～60℃，80～100W超聲2～4h；細胞破碎儀的參數條件為30～60℃，400～600W超聲10～30min。

步驟(3)氧化石墨烯的離子液體溶液中，氧化石墨和離子液體的質量比為1％～3％；氧化石墨和纖維素的質量比為0.1％～50％。

步驟(1)纖維素離子液體溶液的制備方法：將離子液體在80～110℃油浴中溶解，纖維素按質量分數為5％加入，通氮氣4～5min，80～110℃加熱，攪拌，直到纖維素完全溶解。

步驟(3)中所述的纖維素是棉短絨、針葉木紙漿、闊葉木紙漿或微晶纖維素，其中棉短絨、針葉木紙漿、闊葉木紙漿在使用前經過球磨，磨成粉末狀。

一種高性能石墨烯/纖維素復合氣凝膠的制備方法，將上述制備的水凝膠干燥后，得到復合氣凝膠。

可以通過改變混合液容器的形狀，來改變復合水凝膠和氣凝膠的形狀，可獲得薄膜、柱形、方形等多種形狀的水/氣凝膠。

干燥的方式可以是冷凍干燥，也可以是溶劑交換后利用超臨界二氧化碳干燥。