[發明專利]一種聚苯乙烯修飾的三維石墨烯泡沫的制備方法

有效

• 申請號: 201610066486.8
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105600777B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 曲良體;張盼盼;趙揚
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 楊志兵,仇蕾安

技術領域

本發明涉及一種聚苯乙烯修飾的三維石墨烯泡沫的制備方法，屬于功能材料領域。

背景技術

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是一種只有一個碳原子厚度的二維材料。因為只有一層原子，石墨烯中電子的運動被限制在一個平面上，因此石墨烯也有著全新的電學屬性。石墨烯是世界上導電性最好的材料，石墨烯中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。石墨烯具有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20％。同時，石墨烯具有超大的比表面積，較低的摩擦系數以及較高的熱導率。聚合物修飾的三維石墨烯泡沫因為具有多孔結構、優異的機械性能、電化學性能和導熱性能，成為目前石墨烯相關材料最為熱門的材料之一。另外，聚合物修飾的三維石墨烯泡沫在驅動器、能源儲存與轉換(鋰離子電池、燃料電池、超級電容器等)、彈性導體、壓力傳感器和可穿戴器件等方面的應用吸引了國內外研究者的廣泛關注。

目前，制備聚合物修飾的三維石墨烯泡沫的方法主要是商業泡沫模板法、有機溶膠-凝膠法、滲透-蒸發-固化法和化學還原法。但是上述方法所制備的三維石墨烯泡沫存在一定的缺點，比如商業泡沫模板法以商業聚氨酯泡沫為骨架浸泡在石墨烯溶液中制備的三維石墨烯泡沫，其壓縮性主要依賴于聚氨酯泡沫骨架，而且負載在聚氨酯泡沫上的石墨烯片子容易脫落；滲透-蒸發-固化法是將制備的石墨烯骨架浸潤在聚合物溶液中，在滲透過程中，聚合物容易在石墨烯骨架外面堆疊和團聚，不能很好的分散在石墨烯骨架中，在蒸發固化過程中，石墨烯片子收縮嚴重，破壞了它的多孔結構，影響了石墨烯泡沫的機械性能。目前，大量制備具有多孔結構、超壓縮性能、質量輕和電化學性能優異的聚合物修飾的三維石墨烯泡沫仍然具有很大的挑戰。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種聚苯乙烯修飾的三維石墨烯泡沫的制備方法，所述方法制備過程簡單、環境友好、成本低且適合大規模生產；采用所述方法制備得到的聚苯乙烯修飾的三維石墨烯泡沫具有有序的蜂窩狀結構、質量輕、超壓縮性能和優異的電化學性能等特點。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

一種聚苯乙烯修飾的三維石墨烯泡沫的制備方法，所述方法步驟如下：

步驟1.制備濃度為5～14mg/mL的氧化石墨烯溶液；

步驟2.在3000～6000r/min的攪拌速率下，先將聚苯乙烯的環己烷溶液加入到氧化石墨烯溶液中，再加入十二烷基磺酸鈉的水溶液，繼續攪拌5～20min，得到混合均勻的溶液；

步驟3.將步驟2得到的混合均勻的溶液放入液氮中冷凍，得到聚苯乙烯修飾的三維石墨烯水凝膠；

步驟4.將聚苯乙烯修飾的三維石墨烯水凝膠進行冷凍干燥，得到聚苯乙烯修飾的三維石墨烯氣凝膠；

步驟5.在氫氬混合氣的保護氣氛下，將聚苯乙烯修飾的三維石墨烯氣凝膠在200℃下退火處理1～2h，得到所述聚苯乙烯修飾的三維石墨烯泡沫。

步驟1優選采用氧化剝離石墨法(Hummers法)制備氧化石墨烯溶液。

步驟1中，氧化石墨烯溶液的濃度優選7mg/mL。

步驟2中，聚苯乙烯的環己烷溶液的濃度優選為2.5～10mg/mL。

步驟2中，聚苯乙烯的質量與氧化石墨烯的質量比為1:2.3～9。

步驟2所得的混合均勻的溶液中，十二烷基磺酸鈉的濃度為2.5～4mg/mL。

所述氫氬混合氣中，氬氣的體積與氫氣的體積比為3～5:1。

有益效果

(1)本發明所述制備方法中使用的氧化石墨烯溶液以及聚苯乙烯簡單易得，成本低，合成技術成熟，適合大批量生產；使用毒性很小的環己烷作為溶劑，環境友好。

(2)本發明所述制備方法簡單、易操作，適于規模化生產；通過改變攪拌速率以及十二烷基磺酸鈉的加入量，可以調節聚苯乙烯修飾的三維石墨烯泡沫的密度。

(3)本發明所述方法得到的聚苯乙烯修飾的三維石墨烯泡沫，具有有序的蜂窩狀結構、質量輕、超壓縮性能和優異的電化學性能等特點，并且維持了宏觀上泡沫的結構，便于收集和使用；所制備的聚苯乙烯修飾的三維石墨烯泡沫可應用于吸油污材料、驅動器、彈性導體、壓力傳感器以及能源儲存和轉換材料方面。

附圖說明

圖1為實施例1制備的聚苯乙烯修飾的三維石墨烯泡沫的透射電子顯微鏡(TEM)圖。