[发明专利]一种氧化石墨烯多孔复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯多孔复合材料及其制备方法，属于功能性材料科学领域。

背景技术

        多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成的网络结构状材料，具备孔道结构有序、物质传输性高、比表面积大、质量轻等优点，正因其显著的物理机械性能而备受关注，被广泛应用于药物输送、化工石油催化、污水处理、降噪吸声和组织工程等领域。但是，单组分的多孔材料性能比较单一，经实践证明，已不能满足市场需求，而多孔复合材料可以将各组分优势结合在一起，材料的性能得到优化和提高，正受到广泛关注。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积构成的二维蜂窝状结构的新型碳基材料，具有较高的比表面积(理论值高达2600m²/g)及优越的力学性能(1060GPa)，它是目前世界上最薄且强度最高的材料。氧化石墨烯是石墨烯的一种重要派生物。本方法中的氧化石墨烯是采用改进的Hummers法制备，即在强酸等强氧化剂作用下，氧原子插层进入石墨层间，通过超声剥离，得到含有-C=O、-C-OH、-COOH等含氧官能团的氧化石墨烯，这些丰富的氧基官能团为氧化石墨烯复合材料的制备提供了充足的反应位点，而较大的比表面积使其具备良好的光催化性能和吸附性能，可用于有机污染物的降解和污水处理，有望成为环保领域的一颗新星。此外，报道显示，氧化石墨烯还具有良好的抑菌性和生物相容性(Adv. Mater. , 2008, 20, 3558)，这使得其可以作为一个理想的载体构建新型的抑菌体系，同时，有望作为医用吸附材料及组织工程支架材料。

明胶是一种胶原水解多肽，一般是动物的皮、骨等表皮组织或结缔组织中的胶原经部分水解和热变性而得到的大分子蛋白质。明胶可溶于热水(40℃~70℃)，溶于水后，其大分子链相互交错，叠加，随着温度下降逐渐凝聚，形成可逆性凝胶。基于其优良的物化性质，明胶被广泛应用于生物医用材料、食品添加剂、吸附载体材料等。中国发明专利(CN100566817C)“一种吸附重金属的生物吸附剂及其制备方法”中，公开了一种吸附重金属的生物吸附剂及其制备方法，采用海藻酸钠和明胶胶液为载体材料，对海带粉进行包埋，随后浸入包埋液氯化钙溶液中，形成凝胶微粒，冷冻干燥可制备粒径为1.5～3mm的生物吸附剂，但此方法制备的颗粒状生物吸附剂仅适合处理低浓度(≤100mg/L)的重金属污水。

海藻酸钠是一种从天然海藻中提取出的线性多糖，由1,4键合的β-D-甘露糖醛酸(M单元)和α-L-古洛糖醛酸(G单元)组成的嵌段共聚物，它具有良好的高吸湿成胶性、生物相容性、凝结性、可生物降解性等。海藻酸钠遇到钙离子可迅速发生离子交换，形成凝胶，利用这种性质，将含有钙离子的水溶液加入海藻酸钠溶液中，海藻酸钠中的G单元与钙离子生成“蛋盒”结构，从而转化为水凝胶(Nature Letter, 2012, 489, 134)。有关海藻酸钙水凝胶应用于重金属吸附以及组织工程的报道和研究不在少数，中国发明专利(CN102274540A)“一种复合海绵材料及其制备方法”中，即公开了一种复合海绵材料及其制备方法。关于聚乙烯醇、海藻酸钙和果胶复合海绵材料的制备，具体方法是先将聚乙烯醇配成一定浓度的溶液，海藻酸钠和果胶配成一定浓度的溶液，然后将海藻酸钠和果胶的混合溶液加入到聚乙烯醇溶液中，匀浆后冻干成膜，加入氯化钙溶液浸泡、冲洗、冷冻干燥即制得复合海绵材料，该专利所述方法操作简便，制备效率高，吸附量相对较大。

过往的研究和实践中，以上几种材料大都是单独使用或部分复合，还具有进一步研究改进的空间，以得到综合性能更优越的复合材料。

发明内容

本发明的技术目的是在现有技术的基础上，将氧化石墨烯、海藻酸钠及明胶结合在一起，使各组分优势互补。氧化石墨烯作为一种具有二维层状结构的碳基材料，可被用作多孔复合材料制备，其层状结构的边缘含有羧基、羟基、环氧基等含氧基团，海藻酸钠多糖分子中含有丰富的羧基和羟基，而明胶分子结构上具有大量的氨基和羧基。氧化石墨烯、海藻酸钠和明胶三种材料之间可以通过酯键、酰胺键、静电引力等作用力产生牢固结合。同时，采用钙离子与海藻酸钠离子交换的方法形成不可逆凝胶，作为复合材料的三维骨架结构可明显提高其机械性能，可以制得综合性能较好的多孔复合材料。

为实现上述技术目的，本发明所提供的技术方案为：

一种氧化石墨烯多孔复合材料，其特征在于，包括以下组分，且各组分的重量份数比为：

氧化石墨烯0.5-4份；

海藻酸钠2-8份；

明胶2-8份。