[發明專利]一種氧化石墨烯摻雜二氧化硅氣凝膠的制備方法

在審

• 申請號: 201610253077.9
• 申請日: 2016-04-22
• 公開（公告）號: CN107304052A
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發明（設計）人: 陳曉紅;雷堯飛;宋懷河
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C01B33/157
• 分類號: C01B33/157
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及氣凝膠技術領域，特別涉及一種氧化石墨烯摻雜二氧化硅氣凝膠的制備方法。

背景技術

二氧化硅氣凝膠是一種由納米顆粒組成的三維網絡結構的多孔材料，不足10%的固體骨架構成的納米級孔道中，含有多達90%以上的空氣，因而被形象地稱為“固體煙霧”，二氧化硅氣凝膠在高溫隔熱，建筑保溫，催化，聲學，以及高能物理中太空粒子的捕獲等領域都有著不可替代的優勢和廣闊的應用前景，（Ai Du，et al. Materials. 2013，6：941–968），特別是其優越的隔熱性能在高溫隔熱領域的巨大優勢一直是二氧化硅氣凝膠制備和性能研究的重點。

二氧化硅氣凝膠廣闊的應用前景和巨大的實用價值，但在應用過程中存在一個瓶頸：由于純二氧化硅的氣凝膠的固含量很低，且骨架是納米級顆粒組成的結構，純的二氧化硅的機械強度很低，宏觀表現為脆性，在實用過程中的機械加工性很差，這對應用過程中構件尺寸的匹配以及異形構件的需求都存在巨大的挑戰，所以增強二氧化硅氣凝膠的機械性能，滿足氣凝膠實用過程中強度要求，并保持氣凝膠優越的隔熱性能一直以來是氣凝膠的熱點。

目前二氧化硅氣凝膠主要通過與各種纖維氈或者纖維編織體復合，或者引入高分子鏈增強增韌二氧化硅氣凝膠的納米骨架結構，來實現增強二氧化硅氣凝膠的目的（張賀新，郝曉東等，材料工程，2007，1：94-97；Sudhir Mulik，et al. Chem. Mater. 2008，20：5035–5046），通過與纖維氈或者或纖維編織體進行復合達到了增強氣凝膠的目的，但是依然存在的問題就是，由于外加纖維的尺寸是微米級的，相對于二氧化硅氣凝膠的納米級網絡骨架是存在尺寸差的，這樣微觀的結合性不強，會存在受力過程中纖維脫拔造成的機械性能下降，同時由于微米級的纖維骨架結構的加入，復合材料的熱橋效應明顯增強，固相熱導率也相應提高，所以復合后的二氧化硅氣凝膠的隔熱性能下降；通過高分子增強二氧化硅氣凝膠網絡骨架來提高其機械性能，雖然可以很好的保持二氧化硅氣凝膠的隔熱性能，也可以起到提高氣凝膠的強度的作用，但是高分子材料普遍的耐溫性相對于無機材料的二氧化硅來說，明顯低了很多，在一定溫度條件下會氧化分解，機械強度瞬間降低，對于二氧化硅氣凝膠隔熱材料的高溫應用有很大的限制。

針對以上提到的兩種在盡量保持或者不會大大降低二氧化硅氣凝膠隔熱性能的基礎上，提高其機械強度的方法各自的優缺點，添加納米填料來達到相同目的也是目前在研究的方向，納米填料相對于微米級的纖維和二氧化硅氣凝膠骨架結構不會存在尺寸差效應，在微觀界面有更好的界面結合力，同時，納米填料在添加過程中可以參與化學反應，從而形成化學鍵的結合，有的納米填料在復合氣凝膠中可以起到紅外遮蔽劑的作用，也可以降低氣凝膠的高溫紅外輻射傳熱，對隔熱性能有益（吳會軍，彭程等.廣州大學學報（自然科學版），2012，6:32-37），但是效果有待進一步提高。

發明內容

本發明解決的技術問題在于提供一種氧化石墨烯摻雜二氧化硅氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：將正硅酸乙酯（TEOS）,乙醇以摩爾比為1:4~1:7加入到燒杯中，再加入去離子水4ml~9ml和0.01mol/L的草酸溶液2.5ml~5.5ml，在磁力攪拌條件下混合，直到溶液由渾濁變澄清；

步驟二：利用改良的Hummers法，用強氧化劑KMnO₄將石墨粉進行氧化處理，及后續處理，得到9.6mol/ml的氧化石墨烯懸濁液；

步驟三：將0.25ml~5ml的氧化石墨烯懸濁液滴加到澄清的混合液中，攪拌10min后，將混合液在超聲分散機中進行超聲，溶液呈棕色透光，然后繼續在攪拌條件下進行水解24h；

步驟四：在水解的溶液中加入0.1mol/L的氨水溶液2ml~7ml，進行凝膠化，凝膠后用乙醇進行保護，同時老化和溶劑置換24h~72h，然后在乙醇超臨界狀態下進行干燥。

優選的，所述氣凝膠制備時，加入氧化石墨烯的混合溶液，要在pH=2~4。

優選的，所述氣凝膠制備時，氧化石墨烯在溶液中的超聲分散的時間在10min~30min。

優選的，所述氣凝膠制備時，氧化石墨烯在溶液中的超聲功率在超聲機功率85%~ 100%。

優選的，所述氣凝膠制備時，進行超臨界干燥時，超臨界干燥釜內的壓力要控制在8.1MPa~10.4MPa,溫度要控制在263.7℃~283.7℃。