[发明专利]高性能石墨烯/纤维素复合水凝胶和气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯/纤维素复合水凝胶和气凝胶以及其制备方法，属于材料科学领域。

背景技术

石墨烯是sp2杂化碳原子排列的蜂窝状六角平面晶体，厚度仅为单层原子的新型碳纳米材料。研究表明石墨烯的比表面积可以高达2600m²/g,杨氏模量约为1100Gpa,断裂强度为125Gpa,机械强度为1060Gpa,热导率5000W/m.K,并且具有优越的电子传输能力，石墨烯自发现以来，引起了科学界极大的兴趣，成为研究最热门的“明星材料“之一。但是因为范德华力的存在，石墨烯极易团聚，很难分散。这就大大限制了石墨烯的应用。

通过与高分子材料复合的方法，不仅可以实现石墨烯在宏观条件下均匀分散，而且可以通过石墨烯与基底材料的相互作用实现整体材料性能的大幅提高，从而获得具有优异机械性能、电学性能和热学性能的新材料。因此，关于石墨烯聚合物复合材料的研究已引起人们的广泛关注。

纤维素，作为世界上最丰富的天然高分子，具有可再生性，生物可降解性，相容性，特殊的机械性能等优点。如果纤维素和石墨烯复合，石墨烯能够镶嵌在纤维素网络中，这也有利于阻止石墨烯的团聚。但纤维素的难溶解性是制约纤维素材料发展的关键原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高机械性能的石墨烯/纤维素复合水凝胶和气凝胶及其制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

石墨烯/纤维素复合水凝胶和气凝胶，所述复合材料是由下法制得：将还原氧化石墨烯的离子液体溶液和纤维素在离子液体中的溶解液混合，搅拌。将得到的混合液脱泡，再生，洗涤，得到石墨烯/纤维素复合水凝胶，再将复合水凝胶冷冻干燥或超临界CO₂干燥，得到复合气凝胶。

一种高性能石墨烯/纤维素复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨加入到离子液体中，超声分散，得到氧化石墨烯的离子液体溶液；并制备质量分数为4％～6wt％的纤维素离子液体溶液；

(2)将还原剂加入到氧化石墨烯离子液体溶液中，80～100℃，还原2-24h，得到还原氧化石墨烯离子液体混合液；

(3)再将还原氧化石墨烯离子液体混合液与纤维素离子液体溶液混合；

(4)将所得到的最终混合液进行脱泡，用凝固浴再生，洗涤，得到石墨烯/纤维素复合水凝胶。

步骤(1)所述离子液体为BmimCl，所述氧化石墨经过Hummers或改进的Hummers法制备得到。

步骤(2)所述还原剂为抗坏血酸，水合肼等。

步骤(4)脱泡的方法包括用超声波清洗器超声(50～60℃，80～100W，3～6h)、真空脱泡(50～60℃，放置一夜)、离心脱泡，也可直接在50～60℃的烘箱里直接静置脱泡等。

所述再生用凝固浴为水、无水乙醇、丙酮、5wt％H₂SO₄、3wt％HOAc、5wt％H₂SO₄/5wt％Na₂SO₄、5wt％Na₂SO₄或5wt％(NH₄)₂SO₄。

步骤(1)所述离子液体先在80～110℃油浴中溶解，加入氧化石墨后，磁力搅拌15-20min；所述超声分散用超声波清洗器或者细胞破碎仪超声分散，超声波清洗器的参数条件为：50～60℃，80～100W超声2～4h；细胞破碎仪的参数条件为30～60℃，400～600W超声10～30min。

步骤(3)氧化石墨烯的离子液体溶液中，氧化石墨和离子液体的质量比为1％～3％；氧化石墨和纤维素的质量比为0.1％～50％。

步骤(1)纤维素离子液体溶液的制备方法：将离子液体在80～110℃油浴中溶解，纤维素按质量分数为5％加入，通氮气4～5min，80～110℃加热，搅拌，直到纤维素完全溶解。

步骤(3)中所述的纤维素是棉短绒、针叶木纸浆、阔叶木纸浆或微晶纤维素，其中棉短绒、针叶木纸浆、阔叶木纸浆在使用前经过球磨，磨成粉末状。

一种高性能石墨烯/纤维素复合气凝胶的制备方法，将上述制备的水凝胶干燥后，得到复合气凝胶。

可以通过改变混合液容器的形状，来改变复合水凝胶和气凝胶的形状，可获得薄膜、柱形、方形等多种形状的水/气凝胶。

干燥的方式可以是冷冻干燥，也可以是溶剂交换后利用超临界二氧化碳干燥。