[發明專利]一種石墨烯-有機硅復合氣凝膠的制備方法

在審

• 申請號: 202010971027.0
• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112138612A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 鄭正;王海濤
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于氣凝膠的制備技術領域，具體為一種石墨烯?有機硅復合氣凝膠的制備方法。本發明方法是使用有機硅氧烷為前軀體，在前軀液中加入石墨烯材料，通過溶膠?凝膠法，在50~95℃溫度下反應12~168h，再通過常壓干燥，得到石墨烯?有機硅復合氣凝膠。制備的氣凝膠的孔隙率為80~95%，比表面為2~100 m²/g，楊氏模為20~500kPa，導熱系數為10~50mW/m·K。本發明通過在有機硅氧烷前軀體中原位引入石墨烯，實現有機硅氣凝膠機械性能和熱穩定性能的大幅提升，并具有一定的導電性。本發明無需使用冷凍干燥和超臨界二氧化碳干燥等手段即可制備得到高孔隙率、良好機械性能的氣凝膠，大幅降低了氣凝膠的制備成本。

技術領域

本發明屬于氣凝膠制備技術領域，具體涉及一種石墨烯-有機硅復合氣凝膠的制備方法。

背景技術

氣凝膠是一類低密度的固體物質，具有高孔隙率，高比表面積的特點，擁有良好的隔音隔熱性能，被廣泛應用于催化、組織工程、建筑材料和航空航天等領域。按照構成材料的類型，氣凝膠可分為硅基氣凝膠、碳基氣凝膠、聚合物基氣凝膠、金屬基氣凝膠和金屬氧化物基氣凝膠。

傳統的氣凝膠，以二氧化硅氣凝膠為例，往往機械性能較差，易碎易破裂，極大限制了其實際應用。且二氧化硅氣凝膠的制備往往涉及超臨界二氧化碳干燥步驟，成本較高，不易推廣。用三官能度或雙官能度的有機硅氧烷作為前驅體，通過溶膠-凝膠法制備有機硅氣凝膠，從而顯著改善傳統二氧化硅基氣凝膠的機械性能。此外，硅基氣凝膠通常功能性比較單一，通過引入納米碳材料，可以有效實現硅基氣凝膠的功能化。

石墨烯擁有極為出色的機械性能，電性能和熱穩定性。具體應用石墨烯材料時，需要構筑其宏觀尺寸，其中石墨烯氣凝膠備受關注。石墨烯氣凝膠是一類特殊的石墨烯材料，具有三維結構，是密度最低的一類物質，具有隔熱隔音、導電性、超疏水性等特點。但石墨烯高昂的制備成本限制了石墨烯氣凝膠的大規模生產和應用。

本發明提供了一種溶膠-凝膠法制備石墨烯-有機硅復合氣凝膠的方法，不僅改善了傳統硅基氣凝膠脆性的特點，而且簡化了后處理步驟，通過常壓干燥即可獲得性能優異的復合氣凝膠，大大降低了氣凝膠的制備成本。

發明內容

本發明的目的在于針對現有的技術不足，提供一種石墨烯-有機硅復合氣凝膠的制備方法，以簡化工藝流程，降低原材料成本，減少能源的消耗。

本發明提供的石墨烯-有機硅復合氣凝膠的制備方法，是用三官能度和/或雙官能度的有機硅氧烷作為前軀體，加入石墨烯水分散液，通過溶膠-凝膠法，最后經由常壓干燥制備得到氣凝膠，具體步驟為：

（1）有機硅氧烷的水解：將去離子水、酸、表面活性劑和有機硅氧烷，在10~50℃溫度下，混合攪拌5~60 min；有機硅氧烷水解后得到均一的溶液；

（2）加入石墨烯材料：使用經表面改性或未經表面改性的石墨烯，配成濃度為1~20 mg/mL的石墨烯水分散液；將其加入到步驟（1）得到的溶液中，得到混合溶液；其中石墨烯或改性石墨烯的量是硅氧烷總質量的0.01~10wt%；

（3）凝膠-老化：通過超聲和攪拌工藝將步驟（2）的溶液混合均勻；加入堿作為催化劑，倒入密閉容器中加熱，至溫度為50~95 ℃，反應12~168 h，溶膠發生凝膠并老化；

（4）干燥：將步驟（3）制得的經老化的濕膠，直接常壓干燥，或進行溶劑置換之后，再進行常壓干燥，得到復合氣凝膠；

氣凝膠的孔隙率在80~95%，比表面積在2~100 m²/g，楊氏模量在20~500kPa，導熱系數在10~50mW/m·K。

步驟（1）中，所述的酸不受特別限制，可以是甲酸、乙酸、鹽酸、草酸、硫酸、氫氟酸、氫碘酸、抗壞血酸的一種或多種。