具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法，属于新材料技术领域。该制备方法以磁性聚合物纳米纤维为调控因子，通过冰模版法并借助磁场取向技术和定向冷冻技术形成磁性聚合物纳米纤维与石墨烯片层有序交联并取向排列的三维网络结构，从而实现了微观结构有序的磁性石墨烯基气凝胶材料的结构构筑。该有序结构石墨烯气凝胶材料有望应用于力场、电场、磁场或复杂场下具有传感、驱动等功能的器件。

Magnetic graphene based aerogel with ordered structure and preparation method thereof

The invention discloses a magnetic graphene based aerogel with ordered structure and a preparation method thereof, belonging to the technical field of new materials. The preparation method takes magnetic polymer nanofibers as the control factor. Through the ice template method, with the help of magnetic field orientation technology and directional freezing technology, the three-dimension network structure of magnetic polymer nanofibers and graphene lamellae orderly cross-linked and aligned is formed, thus realizing the microstructure and construction of magnetic ordered graphene based aerogel with microscopic structure and order. The ordered structure graphene aerogel material is expected to be applied to devices with sensing and driving functions in force field, electric field, magnetic field or complex field.

【技术实现步骤摘要】
具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法
本专利技术涉及石墨烯气凝胶材料，属于新材料
，具体地涉及一种具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的具有蜂窝状结构且仅仅为单个原子层厚度的二维薄片。气凝胶材料是采用特殊工艺把湿凝胶中的液体用气体置换，并且不显著改变凝胶网络的结构和体积，从而得到的具有低密度和高比表面积的三维多孔材料。现有的石墨烯气凝胶主要应用于催化、吸附、隔热、能量转化等领域，充分利用的是石墨烯优异的电性能以及气凝胶高比表面积的特点。但是石墨烯气凝胶的制备过程中由于石墨烯水凝胶骨架内部溶剂存在表面张力，在干燥下会发生骨架的塌陷及结构破坏，导致石墨烯气凝胶内部三维空间结构无法得到有效控制，同时制备出的石墨烯气凝胶性能局限于电化学性能以及吸附性能，使石墨烯气凝胶的应用得到了限制。因此，在石墨烯基气凝胶的制备过程中同时实现对结构的调控和功能化成为制约石墨烯基气凝胶材料发展的瓶颈。例如：中国专利技术专利申请(申请公开号：CN106006615A，申请公开日：2016-10-12)公开了一种石墨烯气凝胶自然干燥的制备方法。该专利技术提供了一种以乙二胺为还原剂将氧化石墨烯溶液和硼砂混合后再使用自然干燥制备石墨烯气凝胶的制备方法。该专利技术利用硼酸根交联作用提升气凝胶的刚度并降低干燥过程中的毛细力。该方法制备过程简单易于控制，得到石墨烯气凝胶力学性能优异，生产成本低，易于批量生产。但是该方法受外界自然条件影响较大，需要外部环境处于一种相对稳定并且适宜的条件，难以在全国或全球范围内得到有效推广应用。同时该气凝胶没有表现出良好的电学性能，在应用方面具有局限性。中国专利技术专利申请(申请公开号：CN106044752A，申请公开日：2016-10-26)公开了一种高取向石墨烯气凝胶的制备方法：将石墨烯或氧化石墨烯分散液置于带电极的容器中，通过外加电场取向的方法，获得高取向的石墨烯或氧化石墨烯分散液，继续保持电场作用，在液氮中冷冻凝固，通过冷冻干燥或超临界干燥后获得高取向石墨烯气凝胶。此方法是通过电场作用诱导石墨烯片层发生取向排列，对制备石墨烯片层质量要求较高，同时对不导电或导电性较差的材料无法得到有效应用。中国专利技术专利申请(申请公开号为CN103977748A，申请公开日：2015-10-28)公开了一种磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法：以氧化石墨烯为载体负载四氧化三铁磁性纳米粒子，以碳纳米管为骨架或借助钙离子交联作用增强其形态稳定性，经冷冻干燥得到氧化石墨烯磁性气凝胶，得到石墨烯磁性石墨烯基气凝胶，但是得到的磁性石墨烯基气凝胶内部结构呈现无规律分布状态，导致其各项性能不佳。中国专利技术专利申请(申请公开号为CN107140620A，申请公开日：2017-09-08)公开了一种磁性石墨烯基气凝胶的制备方法：以多巴胺修饰氧化石墨烯与铁离子交联后，通过加热还原，自组装成三维石墨烯水凝胶结构，经过冷冻干燥和热处理，还原得到磁性石墨烯基气凝胶材料。该方法制备过程复杂且磁性因子种类单一，无法针对不同磁性因子达到有效应用效果，制备得到的磁性石墨烯基气凝胶材料功能较为单一。由于石墨烯气凝胶拥有大比表面积、孔隙率高的特点，在吸附领域得到了有效应用，如中国专利技术专利申请(申请公开号为CN106006616A，申请公开日：2016-10-12)公开了一种高吸附性能石墨烯气凝胶的制备方法。该专利技术利用氨硼烷与硫酸亚铁配合还原氧化石墨烯制备石墨烯气凝胶。该专利技术利用氨硼烷与硫酸亚铁加快了恒温水热反应的还原速度，并且操作简便，制备方法简单，并且对燃料罗丹明B的吸附效果高。该专利技术虽然针对染料(罗丹明B)有较好的吸附性，但是对于其他种类染料、色素等污染物的吸附性能如何还没有验证，无法保证其具有良好的吸附性能。中国专利技术专利申请(申请公开号为CN106006620A，申请公开日：2016-10-12)公开了一种石墨烯氧化物及石墨烯气凝胶的制备方法。该专利技术利用改进Hummer法合成氧化石墨烯溶液并合成石墨烯气凝胶，并在环境方面可以有效应用。该专利技术所制备的石墨烯气凝胶对亲水性污染物(罗丹明B)和疏水性污染物都具有较好的吸附特性。但是该方法的制备过程较为繁琐，条件要求也较为苛刻，对样品进行处理时对各项参数要求较高，限制其批量生产和生产成本，在工业化方面难以得到有效推广。另外，气凝胶由于其优异的保温性能，加之石墨烯耐热性，使石墨烯气凝胶在隔热领域有良好的应用前景，如中国专利技术专利申请(申请公开号为CN105923641A，申请公开日：2017-05-03)，公开了一种耐高温抗氧化导热氧化铝/石墨烯泡沫复合材料的制备方法。该专利技术通过将氧化铝粉末与石墨烯气凝胶在溶剂中复合，再进行冷冻干燥制得氧化铝/石墨烯气凝胶。制备出的复合材料在空气环境下经800℃烧蚀5小时热失重低于60％，热导率高于9W/m.K。但是该制备石墨烯气凝胶材料的方法复杂，由于没有交联剂或支撑材料，只有无机离子，制备出的石墨烯气凝胶材料结构松散，易碎，不易实现其价值。综上，现有技术中并未有关于内部微观结构有序且可调控的磁性石墨烯基气凝胶材料的报道。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法。该制备方法将石墨烯片层包覆于磁性纳米纤维表面，并经磁场取向技术、定向冷冻技术处理后，包覆有磁性聚合物纳米纤维的石墨烯片层在磁场力作用下发生定向排布，并在定向冷冻过程中继续沿冰晶生长方向发生定向排列形成明显的有序三维框架结构，最终实现石墨烯气凝胶微观结构的各向异性和功能化。为实现上述目的，本专利技术公开了一种具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料，其内部结构为磁性聚合物纳米纤维与石墨烯片层有序交联并取向排列形成的三维网络结构，所述磁性石墨烯基气凝胶材料在不同宏观物理方向上其物理性能具备各向异性特征。具体的，上述有序交联是指石墨烯片层、磁性聚合物纳米纤维分别通过交联剂作用而呈现具有规律性的相互连接，形成连续的石墨烯大片层和磁性聚合物纳米纤维束，同时将石墨烯片层与磁性聚合物纳米纤维相互连接，构筑成为完整、连续的结构体系。具体的，上述取向排列是指通过电磁场取向技术诱导磁性聚合物纳米纤维沿磁场方向发生取向排列，并由磁性聚合物纳米纤维带动石墨烯片层在内部空间中发生取向排列，共同形成取向排列的三维网络结构。具体的，所述磁性聚合物纳米纤维与石墨烯片层在在磁性石墨烯基气凝胶材料的内部微观结构中呈现的取向排列可以为定向排列、部分有序排列、梯度排列或渐变排列。具体的，定向排列方式为控制外部条件诱导石墨烯片层间或磁性聚合物纳米纤维朝某一方向排列，石墨烯片层的朝向与磁性聚合物纳米纤维的朝向可不必保持相同。具体的，部分有序排列方式是指内部结构为局部有序结构，可以为石墨烯片层和磁性聚合物纳米纤维束其中单一组分材料发生有序排列，或在整体范围内存在有无序区域，其有序程度低于定向排列。同时其对外部诱导条件的要求较定向排列更低、实验过程更便捷。具体的，梯度排列方式或渐变排列方式是指石墨烯片层和磁性聚合物纳米纤维的尺寸大小、厚度、含量、排列方向、排列角度及连接方式等特点共同或分别呈现出相同的变化趋势及规律特征。进一步地，电磁场定向处理的不同及定向冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料，其内部为磁性聚合物纳米纤维与石墨烯片层有序交联并取向排列形成的三维网络结构，所述磁性石墨烯基气凝胶材料在不同宏观物理方向上其物理性能具备各向异性特征。

【技术特征摘要】
1.一种具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料，其内部为磁性聚合物纳米纤维与石墨烯片层有序交联并取向排列形成的三维网络结构，所述磁性石墨烯基气凝胶材料在不同宏观物理方向上其物理性能具备各向异性特征。2.根据权利要求1所述具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料，其特征在于：所述磁性聚合物纳米纤维与所述石墨烯片层在磁性石墨烯基气凝胶材料的内部微观结构中呈梯度排列、渐变排列、部分有序排列或定向排列。3.根据权利要求1或2所述具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料，其特征在于：所述磁性聚合物纳米纤维为受磁性因子调控的纳米纤维，所述磁性因子为锶铁氧体、镍铁氧体、钴铁氧体、四氧化三铁或铁钴镍金属中的一种。4.一种权利要求1所述具备有序结构的磁性石墨烯基气凝胶材料的制备方法，它包括如下步骤：1)将聚合物纳米纤维母粒与经退磁处理的磁性聚合物纳米颗粒混合，经熔融挤出、乳化、剪切制得磁性聚合物纳米纤维分散液；2)取磁性聚合物纳米纤维分散液、氧化石墨烯水溶液与PVA水溶液混合均匀得混合液，将混合液置于电磁场中静置并进行定向处理，将经电磁场取向处理后的混合液采用液氮进行定向冷冻处理，继续冷冻干燥制得内部微观结构有序排列的磁性氧化石墨烯气凝胶；3)取磁性氧化石墨烯气凝胶置于密闭条件下的水合肼气氛中进...

【专利技术属性】
技术研发人员：王栋，刘琼珍，贺晓伟，陈佳慧，孙灯明，刘轲，王雯雯，李沐芳，王跃丹，鲁振坦，蒋海青，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42