[發明專利]一種3D打印超多孔彈性石墨烯氣凝膠的方法

在審

• 申請號: 201711368901.6
• 申請日: 2017-12-18
• 公開（公告）號: CN108046241A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 江林;彭美文;梁志強;孫迎輝
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;B33Y80/00;B33Y10/00
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 孫仿衛

本發明涉及一種3D打印超多孔彈性石墨烯氣凝膠的方法，它包括以下步驟：(a)將氧化石墨烯、抗壞血酸和去離子水混合形成石墨烯水凝膠墨水；(b)加熱得微孔石墨烯水凝膠墨水；(c)將所述微孔石墨烯水凝膠墨水轉移至3D打印機中；(d)將所述3D氧化石墨烯水凝膠進行冷凍干燥，隨后加熱使氧化石墨烯和抗壞血酸反應，用去離子水中浸泡過夜去除可溶性雜質，再冷凍干燥得還原氧化石墨烯氣凝膠；(e)將所述還原氧化石墨烯氣凝膠在惰性氣體條件下進行高溫煅燒即可。這樣能夠獲得具有較低密度的同時具有優秀的彈性、抗疲勞性能和抗壓性的3D打印石墨烯氣凝膠。

技術領域

本發明屬于石墨烯氣凝膠領域，涉及一種超多孔彈性石墨烯氣凝膠的制備方法，具體涉及一種3D打印超多孔彈性石墨烯氣凝膠的方法。

背景技術

石墨烯是一種超薄二維(2D)碳材料，擁有很高的比表面積、優異的彈性、良好的化學穩定性以及優良的導電、導熱性能。上述優良的物理化學性能使石墨烯在納米光電子器件、傳感器、催化、復合材料、能源儲存和生物醫藥支架等領域均有極為廣泛的應用前景。大范圍組裝二維石墨烯納米片，使其形成三維(3D)結構的同時保留其原有的物理化學性能是進一步擴展石墨烯材料在宏觀尺度各種應用的先決條件。

基于化學合成的還原氧化石墨烯(RGO)氣凝膠是一種最常見的三維石墨烯結構。使用氧化石墨烯前驅體制備3D多孔石墨烯網絡結構主要通過水熱還原、化學還原和直接交聯等方法實現石墨烯片的自組裝或凝膠化，氣凝膠的成型受限于模板的形狀，結構過于單一和簡單。發展一種可控、易操作的方法制備結構可精確控制的3D石墨烯材料仍存在重大挑戰。

近年來，一種叫做墨水直寫成型(direct ink writing)的擠出式3D打印技術被用于構筑多孔彈性體結構等復雜結構。在室溫條件下，利用三軸運動的機械臂配合微噴嘴持續擠出“墨水”絲，并按設計好的形狀層層堆疊裝配3D結構。墨水直寫成型技術需要具有剪切變稀和快速假塑性的粘彈性膠狀墨水，在壓力下呈現流動性，撤掉壓力沉積后迅速膨脹恢復并保留預先設計的形狀。研究表明，氧化石墨烯水溶液在高濃度時，由于氧化石墨烯二維納米片的緊密堆積和良好的保水性，會呈現出非常好的剪切變稀性質、快速假塑性和粘彈性，非常適用于墨水直寫成型技術。但是，使用氧化石墨烯墨水打印的3D石墨烯材料在微觀上處于石墨烯二維納米片緊密堆積的狀態，抑制了石墨烯二維納米片內在優異的物理化學性能。為了解決這一致命的問題，開發一種使用墨水直寫成型3D打印技術構建的3D石墨烯材料在微觀上具備多孔結構的方法顯得極為重要。

發明內容

本發明目的是為了克服現有技術的不足而提供一種3D打印超多孔彈性石墨烯氣凝膠的方法。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種3D打印超多孔彈性石墨烯氣凝膠的方法，它包括以下步驟：

(a)將氧化石墨烯、抗壞血酸和去離子水混合形成石墨烯水凝膠墨水，所述氧化石墨烯和所述抗壞血酸的質量比1：1～10；

(b)將所述石墨烯水凝膠墨水至于40～80℃加熱1～3小時得微孔石墨烯水凝膠墨水；

(c)將所述微孔石墨烯水凝膠墨水轉移至3D打印機中，設定3D打印機參數后以玻璃片為基底進行3D打印得3D氧化石墨烯水凝膠；

(d)將所述3D氧化石墨烯水凝膠進行冷凍干燥，隨后加熱使氧化石墨烯和抗壞血酸反應，在去離子水中浸泡過夜去除可溶性雜質，再冷凍干燥得還原氧化石墨烯氣凝膠；

(e)將所述還原氧化石墨烯氣凝膠在惰性氣體條件下進行高溫煅燒即可。

優化地，步驟(c)中，將所述微孔石墨烯水凝膠墨水轉移3D打印機的針筒中，配以直徑為100～500μm的打印針頭，通過機械臂帶動所述打印針頭移動。

優化地，步驟(d)中，所述高溫煅燒是在管式爐內以5～20℃/min的升溫速度升溫至900～1200℃煅燒。