[发明专利]一种具有火灾预警和高压缩性能碳基气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有火灾预警和高压缩性能碳基气凝胶及其制备方法，通过选定具有热还原性质和力学性能优异的氧化石墨烯和碳纳米管搭建所述气凝胶的主体结构，通过氨基碳纳米管对氧化石墨烯纳米片的表面增强和四氧化三铁纳米颗粒的界面交联双重作用，构建连续网络，从而实现高压缩性能和火灾预警过程。本发明制备得到的碳基复合气凝胶能够应用于隔热、消防、储能和力学器件等领域。

技术领域

本发明涉及功能纳米复合材料技术领域，具体涉及一种具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶及其制备方法。

背景技术

2D石墨烯纳米片具有优异的柔性、弹性、拉伸及压缩强度，但通过弱相互作用直接、无规组装制备的石墨烯气凝胶在压缩和拉伸时往往表现出明显的脆性，难以满足应用要求。目前主要有两种策略来克服碳基复合气凝胶的脆性，一种是通过3D打印或其他协同组装技术，产生分级结构、增强气凝胶的韧性；如郭及其同事(Highly stretchable carbonaerogels.Nat.Commun.2018,9,881)采用智能3D墨水打印技术，制备了具有四级分层结构的高延展性石墨烯/多壁碳纳米管复合气凝胶，具有低能耗、高抗疲劳性和优异的环境稳定性。但是受3D打印技术的限制，该方法对合成技术要求较高，且无法实现气凝胶材料的量产。另一种是将弹性聚合物或小分子作为交联剂引入基体中；如邱等人(Ultralight andhighly compressible graphene aerogels.Adv.Mater.2013,25,2219-2223)基于石墨烯气凝胶的还原制备，提出了一种集功能化、组装和后续微波辐射处理于一体的工艺制备高压缩性的超轻石墨烯气凝胶。但该气凝胶分子间相互作用较弱，在严苛的化学或物理条件下稳定性较差。

基于此，如何利用简便的合成工艺增强气凝胶分子间的相互作用，制备具有火灾预警及高压缩性多功能碳基复合气凝胶仍然存在一定挑战，需要进一步深入探索。

发明内容

针对目前上述技术问题，本发明的提供了一种具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶及其制备方法。

为了实现本发明的发明目的，提出如下技术方案：

一种具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶，所述碳基复合气凝胶由氨基碳纳米管和氧化石墨烯纳米片通过表面吸附及Fe₃O₄纳米颗粒界面交联作用而实现自组装，然后经冷冻干燥制备而成。

所述氨基碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或组合。

所述Fe₃O₄纳米颗粒为预先合成的氨基四氧化三铁纳米(Fe₃O₄@NH₂)颗粒或石墨烯片原位共沉淀生长Fe₃O₄纳米颗粒，粒径为5-200nm。

作为优选，在所述复合气凝胶中所述氧化石墨烯纳米片与氨基碳纳米管的质量比为1:(50～150)；在所述气凝胶中所述Fe₃O₄纳米颗粒和氧化石墨烯纳米片的质量比为1:4-1:1。

一种所述的具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳纳米管在氧化石墨烯片的表面吸附：在氧化石墨烯纳米片的水溶液中加入N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)形成混合溶液进行活化羧基，然后将该混合溶液缓慢加入到碳纳米管分散液中，利用氨基和羧基间的相互作用，将碳纳米管吸附在氧化石墨烯纳米片的表面。