[发明专利]石墨烯/纤维素复合气凝胶及其制造方法

说明书

本发明提供一种石墨烯/纤维素复合气凝胶及其制造方法，该石墨烯/纤维素复合气凝胶包含经聚多巴胺改质的石墨烯及以非共价键结至聚多巴胺上的交联纤维素。本发明的石墨烯/纤维素复合气凝胶具有良好的结构、可压缩性及支撑强度，故可有效用于净水工业。

技术领域

本发明有关于一种石墨烯/纤维素复合气凝胶及其制造方法，尤其是关于一种具有良好支撑性的石墨烯/纤维素复合气凝胶及其制造方法。

背景技术

石墨烯是一种二维平面结构的碳纳米材料，其特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质，其透光、导电、抗电磁波、高机械强度的特性，已可广泛用于电子元件、燃料电池、触媒、传感器等相关应用上，以及医药技术的药物载体。

由于石墨烯的机械性质、超大比表面积、稳定的化学性及对重金属离子、有机染料等具有高吸附性等，其适宜做为净水处理的材料，例如民生净水处理及工业用水的净化等。但因石墨烯表面的疏水性质及片层间的堆栈作用，使得石墨烯不易制成过滤分离介质。在此领域中，已建议使用氧化石墨烯，利用氧化石墨烯表面的大量极性含氧官能基，例如羟基、环氧基，及在边缘的例如羧基、羰基等赋予亲水性制备氧化石墨烯分散液，再以真空抽滤、浸涂法、旋涂法、喷涂法及层自组(Self-Assembly)法等于基材上形成氧化石墨烯薄膜以用于水处理中，但依此等方法形成的石墨烯膜皆需要额外的基材支撑，且因膜厚度受限，造成膜稳定性及强度不足。

在相关石墨烯应用技术中，亦已提出具3D结构的石墨烯以提供较高的比表面积、大的孔洞体积、强机械强度及快速的质量与电子传输，例如于金属基材上以化学气相沉积形成的石墨烯发泡体、以在层自组氧化石墨烯/石墨烯膜间加入交联剂形成石墨烯海绵、或以溶胶-凝胶法还原石墨烯氧化物以形成高交联的石墨烯凝胶并进一步冷冻干燥以形成气凝胶等。此等3D结构可应用于触媒系统、吸收剂、传感器、医疗药物系统等。但因石墨烯本身的性质，在制备3D结构的石墨烯材料的制程上较为复杂。在习知技术中已揭露氧化石墨烯与多巴胺在碱性环境与氧存在下于氧化石墨烯片层表面间形成聚多巴胺层的海绵，但依此法形成的海绵机械强度不足，容易产生崩解。在中国专利公开号CN102443180A专利中公开一种纤维素复合气凝胶的制法，该方法包括将纤维素溶于氢氧化钠/硫脲水溶液、氢氧化钠/尿素水溶液等溶剂配制，并加入碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯等，将得到的凝胶进行溶剂交换，再通过干燥获得纤维素复合凝胶，但此方法制程繁杂且需要使用多种溶剂，增加制程上的困难度。

有鉴于此，一种制程简易且具有良好的强度及可压缩性的石墨烯/纤维素复合气凝胶乃业界殷切期待。因此，本发明乃提供一种新颖的石墨烯/纤维素复合气凝胶及其制造方法，且本发明的石墨烯/纤维素复合气凝胶具有良好的支撑强度及可压缩性，可用于做为净水处理的滤体。

发明内容

本发明提供一种新颖的石墨烯/纤维素复合气凝胶及其制造方法。本发明的石墨烯/纤维素复合气凝胶具有良好的结构、可压缩性及支撑强度，故可有效用于净水工业。

本发明的一态样为提供一种石墨烯/纤维素复合气凝胶，其包含经聚多巴胺改质的石墨烯及以非共价键结至聚多巴胺上的交联纤维素。

在本发明的一实施例中，该交联纤维素为一种利用交联剂交联的纤维素，且该纤维素为羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose，CMC)、纤维素纳米纤维(cellulosenanofiber，CNF)或二者的组合。

在本发明的一实施例中，石墨烯/纤维素复合气凝胶中每100重量份的石墨烯使用5重量份至50重量份的纤维素，较佳为每100重量份的石墨烯使用10 重量份至45重量份的纤维素。

本发明的另一态样为提供一种石墨烯/纤维素复合气凝胶的制造方法，其步骤包含：提供石墨烯及聚多巴胺溶液；将该石墨烯加至聚多巴胺溶液中以形成石墨烯/聚多巴胺凝胶；在该石墨烯/聚多巴胺凝胶中加入纤维素水溶液及交联剂以形成反应溶液，并加热搅拌之；冷冻干燥该反应溶液以形成石墨烯/纤维素复合气凝胶。