[发明专利]一种导电聚合物增强的柔性碳气凝胶的制备方法

说明书

本发明提出了一种导电聚合物增强的柔性碳气凝胶的制备方法，采用方法的要点是将纤维素纳米线（CNF）干燥制备具有三维多孔结构的纤维素气凝胶，经惰性气体环境下碳化之后获得碳气凝胶，然后利用原位聚合的方法在碳气凝胶骨架的表面形成导电高分子，在提高碳气凝胶机械稳定性的同时，提高其导电性。该方法制备的碳气凝胶具有较低密度、高比表面积、机械性能优良、导电性好、导热性好等优点，在柔性传感、柔性电池、光热转换、热电转换等领域具有广泛的应用前景。

本发明属于气凝胶领域，特别涉及导电高分子增强的柔性碳气凝胶的制备方法。

背景技术

碳气凝胶是一种新型轻质纳米多孔无定型碳素材料，是密度最低的固态材料。碳气凝胶孔隙率高达80-90％，比表面积高达500-1000m²/g，密度变化范围广，结构可调，在电学、热学、光学等方面具有特殊的性能，在电极材料、靶材料、催化剂、水处理等领域有广阔的应用前景。由于制备周期比较漫长，长期以来气凝胶的制备与实际应用并没有引起人们的兴趣。随着其独特的声、光、电、热性质得到先后挖掘，其制备受到全世界研究者的强烈关注，关于气凝胶的研究开始活跃起来，并逐步渗入物理、化学、材料、电子等各学科领域。由于其均一可控的纳米级结构、较低的电阻率、巨大的比表面积，使之具有广阔的商业化前景。

导电高分子具有导电性好、电导率可调、防腐蚀性强、空气稳定性良好、环境友好、无毒性、生物相容性好、比重轻和可逆的氧化还原性等特点，在电子工业、化学仪器、电化学传感器、光学器件、电致变色材料、抗静电材料、导电材料、防腐蚀材料和场发射器件等领域具有广阔的应用前景，受到研究者的广泛关注。

导电高分子的机械性能难以支撑其单独作为导电材料，因此，往往会选择具有一定的三维立体结构的其他材料与其复合，常见的为水凝胶、气凝胶。近年来，由于其可更新性，广泛的可用性和多孔性，纤维素气凝胶广泛被用作导电高分子材料的多孔基材，赋予了导电高分子材料所欠缺的机械柔韧性能。同时，经过碳化得到的碳气凝胶与导电高分子材料在导电方面相互促进，增强性能。

以碳化后的CNF气凝胶作为基底聚合吡咯得到复合材料。本发明以碳化后的纤维素纳米纤维作为骨架，通过得到导电高分子/碳气凝胶。CNF作为生物高分子具有优异的生物相容性和可再生优点，导电高分子也具有环境友好性、生物相容性，所得复合碳气凝胶良好的导电性以及优良的机械性能，因此可以用于柔性传感，柔性电池、光热转换、热电转换等领域。本发明制备过程简单，所得材料具有更好的导电性、更稳定的机械性能，同时生物相容性也较好。未来可在柔性传感、光热转换、热电转换、工业生产等领域具有广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导电聚合物增强的柔性碳气凝胶的制备方法，该方法制备简单，操作简便，成本低廉，且方便大规模生产。

一种导电聚合物增强的柔性碳气凝胶的制备方法，其具体步骤如下：

(1)取适量浓度的CNF悬浮液，超声、搅拌，得到悬浮液；

(2)将步骤(1)得到的悬浮液转移至模具，冷冻、干燥，得到气凝胶；

(3)将步骤(2)得到的气凝胶置于管式炉中在惰性气体保护下、一定温度下碳化，得到碳气凝胶；

(4)将导电高分子聚合到步骤(3)得到的碳气凝胶上反应，烘干，得到导电聚合物增强的碳气凝胶。

所述步骤(1)中所述适量浓度为1.5-2wt％，搅拌30-40min。

所述步骤(2)中所述冷冻干燥方法中冷冻是自下而上冷冻，在冷冻干燥机中冷冻干燥时长为48-72h；常压干燥所用置换溶剂为丙酮，置换时长为24-36h，在50-60℃烘箱中干燥8-12h。

所述步骤(3)中所述惰性气体为氮气，碳化温度为800-1000℃，升温速率为5-10℃/min，1000℃时保温1-2h。