[发明专利]一种高弹性石墨烯气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高弹性气凝胶及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)制备氧化石墨烯溶胶的步骤；(2)制备石墨烯水凝胶的步骤；(3)干燥步骤，其特征在于，在步骤(2)和步骤(3)之间还包括：(i)增强骨架的步骤；所述步骤(i)按照如下方式进行：(a)将高分子化合物溶于良溶剂中，配制成高分子溶液；(b)将步骤(2)制得的石墨烯水凝胶浸泡于所述高分子溶液中，得到石墨烯凝胶；(c)将所述石墨烯凝胶浸泡于不良溶剂中。本发明采用高分子链对石墨烯片层进行包裹连接，从而提高骨架交联点和骨架强度，可有效提高石墨烯气凝胶的弹性，制备力学性能优异的高弹性石墨烯气凝胶材料。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种高弹性石墨烯气凝胶及其制备方法。

背景技术

气凝胶材料也称“固体烟”，是目前世界上已知密度最低的固体材料，其微观结构上由纳米颗粒堆积而成，形成纳米多孔结构，具有密度低、比表面积高、热导率低的特点，作为隔热材料、吸附材料等有广泛的应用前景。

目前研究最为广泛、技术最为成熟的气凝胶材料为二氧化硅气凝胶，其由溶胶-凝胶法再经超临界干燥制备而成，拥有极高的孔隙率(≥85％)、极大的比表面积(250～800m²/g)、较低的密度(0.03～0.50g/cm³)和较低的导热系数(0.01～0.03W/(m·K))。然而包括二氧化硅气凝胶在内的绝大部分气凝胶均由颗粒堆积而成，颗粒之间接触面积小、相互作用力弱，因而宏观上表现出易掉粉、脆性大的特点，限制了其在弹性隔热材料领域的应用。

石墨烯是由单个碳原子层组成的片状结构碳材料，具有优异的力学性能和电性能。由于其特殊的片层结构，石墨烯有一定的可弯折性和柔性，使得其十分适合作为弹性气凝胶材料的组成单元。石墨烯片层结构之间可通过π-π相互作用相连，形成可调的相互作用力，有利于形成具有整体结构的三维凝胶。申请公布号为CN101941693A、CN102910625A、CN102887508A的专利申请文件中均涉及了氧化石墨烯气凝胶材料的制备，但对其弹性性能的调控及表征尚未提及。在受力条件下，石墨烯片层之间易发生位移，从而移动到新的平衡位置上形成新的稳定状态，表现出石墨烯受力后不具有弹性或弹性较弱的特点。

在提高氧化石墨烯材料的弹性方面，目前已有的方法包括：选用弱还原剂还原氧化石墨烯、增大气凝胶结构单元壁厚和添加交联剂。哈尔滨工业大学李惠课题组选用乙二胺为还原剂、四硼酸钠为交联剂制备了弹性石墨烯气凝胶(Xiang Xu,Qiangqiang Zhang,Yikang Yu,Wenli Chen,Han Hu and Hui Li.Naturally Dried Graphene Aerogels withSuperelasticityand Tunable Poisson's Ratio.Adv.Mater.28,9223-9230(2016).)；大连理工大学邱介山课题组选用微波还原方式制备了弹性石墨烯气凝胶(Han Hu,ZongbinZhao,Wubo Wan,Yury Gogotsi,and Jieshan Qiu.Ultralight and Highly CompressibleGraphene Aerogels.Adv.Mater.25,2219-2223(2013).)。申请公布号为CN105692607A的专利申请文件选用γ-氧代-1-芘丁酸为黏结剂制备了一种石墨烯可压缩气凝胶。

以上所述方式均对还原剂体系、交联体系有一定的要求，通过对石墨烯气凝胶体系进行改性，研发出一种适用于多种体系的高弹性石墨烯气凝胶材料的普适方法暂未报道。

发明内容

(一)要解决的技术问题