具备强韧结构的石墨烯基气凝胶材料及其制备方法技术

技术编号:20338915 阅读:22 留言:0更新日期:2019-02-16 08:29
本发明专利技术公开了一种具备强韧结构的石墨烯基气凝胶材料及其制备方法,通过在石墨烯片层中引入聚合物纳米纤维和PVA交联剂,最终制备得到具有全新“框架‑梁柱‑粘合剂”三维孔道结构的石墨烯基气凝胶,其中在三维孔道内定向排布有用于支撑石墨烯片层的聚合物纳米纤维,该聚合物纳米纤维的柔性与韧性赋予了复合石墨烯基气凝胶优异的压缩回弹性,可承受上万次的循环压缩,有效克服了纯石墨烯气凝胶结构脆弱的缺点。此外,该石墨烯基气凝胶不仅具有良好的力学性能,同时也保持了良好的电学性能,因此该石墨烯基气凝胶可应用于高灵敏度、精微压力传感器,在人工智能和可穿戴设备等前沿领域具有较大的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
具备强韧结构的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强韧结构的石墨烯基气凝胶材料及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道构成的六角型蜂巢晶格的二维单层片纳米碳材料,具有许多独特的物理化学性质。气凝胶是一种具有超低密度、超高比表面积和孔隙率的三维网络交联结构的纳米多孔固体材料。石墨烯气凝胶集成了石墨烯优异的力学、电学和热学等性能的同时兼具了气凝胶三维多孔的结构特性,实现了石墨烯由二维纳米结构向三维宏观结构组装,在能量存储、吸附和传感等领域有巨大的应用潜力。目前,纯石墨烯气凝胶主要以氧化石墨烯为原料通过水热还原法、冰模版法等技术制备。然而,随着氧化石墨烯片层部分含氧官能团(-OH、-COOH)的还原以及冷冻干燥过程中冰晶升华导致的大量氢键的破坏,石墨烯片层间缺乏足够的交联与结合力,因而在受压或者变形时,石墨烯片层间在较强的π-π堆叠作用、范德华力的双重作用下将发生严重的堆叠而无法恢复其原有的结构,从而导致三维结构的坍塌。结构的脆弱极大的限制了石墨烯气凝胶材料的实际应用,因而如何增强其力学性能是石墨烯气凝胶研究的重点。为了获得结构强韧的石墨烯气凝胶材料并拓展其应用,国内外研究者大多以多价态金属离子的纳米颗粒/纳米线、碳纳米管、石墨烯纳米带或带有氨基、羧基或羟基等活性官能团的小分子化学物或聚合物纳米纤维等作为结构强化椅子进行石墨烯力学性能增强的研究。聚合物纳米纤维具有高柔性、高长径比和高比表面积的优点,在溶液中能提供更大的空间位阻,可有效实现对石墨烯片层的分散。且聚合物纳米纤维分子链上的羟基、羧基、氨基等活性官能团使纳米纤维可通过分子内和分子间的氢键进行自交联和缠结,在凝胶化过程中可与石墨烯片形成交联的三维网络,像弹簧一样支撑起石墨烯片层的网络骨架,从而强化石墨烯气凝胶的力学性能。力学性能弱的缺点制约着石墨烯气凝胶材料的应用领域与应用前景,因此具有导电性的力学强韧的石墨烯气凝胶材料的研究具有重要意义。中国专利技术专利申请(申请公布号: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。这种方法解决了石墨烯气凝胶不易大规模生产的问题,制备出了具有一定力学性能的自然干燥的石墨烯气凝胶。但是自然干燥的石墨烯气凝胶对氧化石墨烯的制备要求较高,需要制备出片层较大,无过分卷曲的石墨烯片层,对原材料要求较高。中国专利技术专利申请(申请公布号:CN107686107A,申请公开日:2018-02-13)公开了一种弹性疏水碳纳米管-石墨烯复合气凝胶的制备方法,在该方法中通过引入羧基碳纳米管和少量交联剂,对石墨烯片层进行缠绕与包覆,使石墨烯片层不易发生堆叠,进而提高其机械能,在一定程度上解决了石墨烯类气凝胶结构脆弱的问题。但是碳纳米管价格相对昂贵,制备工艺复杂,且存在难以长期有效分散的问题,并且其中所用部分交联剂价格昂贵,该制备方法难以得到实际应用,无法进行大规模生产。中国专利技术专利申请(申请公布号:CN107099117A,申请公开日:2017-08-29)公开了一种纤维增强气凝胶-聚合物复合材料及其制备方法,该方法所述复合材料主要是以纤维增强的气凝胶为强化材料,以聚合物为基体,并在气凝胶的三维纳米孔洞结构中填充进聚合物。在气凝胶材料的研究领域中,该方法为有机纤维材料与无机材料相结合、制备多样性复合气凝胶材料做出了一定的启示。中国专利技术专利申请(申请公布号:CN106006615A,申请公开日:2018-04-06)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,同时该石墨烯气凝胶没有表现出良好的电学性能,在应用方面具有一定的局限性。中国专利技术专利申请(申请公布号:CN103131039A,申请公开日:2013-06-05)公开了一种纳米纤维素气凝胶的制备方法。该方法介绍了一种纳米纤维素气凝胶的制备,这种方法解决了纤维素气凝胶在有机溶剂中不易均匀分散等问题,制备出了性能良好的有机气凝胶。但是纤维素气凝胶的化学稳定性差,不耐腐蚀,所以使纤维素气凝胶的应用领域受到了很大的限制。同时纤维素气凝胶在制备过程一般使用溶胶-凝胶法,溶胶-凝胶法中的化学反应是影响气凝胶网络结构形成的关键,该方法不仅过程复杂,同时制备而成的气凝胶的结构难以调控,容易坍塌,所以纤维素类气凝胶的制备也有很大的局限性。综上所述,目前尚未有报道同时具备强韧结构且具有良好电学性能的石墨烯气凝胶材料。
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强韧结构的石墨烯基气凝胶材料及其制备方法,该制备方法获得的石墨烯基气凝胶材料在压力传感领域显示出较大的应用潜力,能对微细压力快速的响应与监测。为实现上述目的,本专利技术公开了一种具备强韧结构的石墨烯基气凝胶材料,它由按照质量百分比分别为90%~50%、25%~5%、25%~5%的石墨烯、聚合物纳米纤维及PVA(聚乙烯醇)交联剂制得,所述石墨烯的若干个片层搭接构成气凝胶材料内部的三维孔道,在三维孔道内定向排布有用于支撑石墨烯片层的聚合物纳米纤维,所述聚合物纳米纤维包括PVA-co-PE(乙烯乙烯醇共聚物)、PA6(尼龙6)、PA66(尼龙66)中的一种,或其与POE(聚烯烃弹性体)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PPT(聚对苯二甲酸丙二醇酯)中任一种组合的混合物。具体而言,石墨烯片层、聚合物纳米纤维与PVA交联剂间相互作用共同构筑成为一种具有全新“框架-梁柱-粘合剂”的三维孔道结构,其中,石墨烯片层在PVA交联剂的作用下相互连接并平行生长,形成狭长的三维孔道框架,部分聚合物纳米纤维定向垂直排列并被PVA交联剂与石墨烯片层限阈在构建起来的三维孔洞框架中用于起支撑作用;其中,聚合物纳米纤维与石墨烯片层形成类似于“荷叶与荷茎”的关系,对石墨烯片层起到结构支撑作用。由于聚合物纳米纤维具有良好的柔性与韧性,在石墨烯片层受到外力时能够起到支点作用,类似于“弹簧”一样为石墨烯片层分摊压力,压力的转移不会引起石墨烯片层的坍塌,此外,外力消失后,聚合物纳米纤维带动石墨烯气凝胶材料回复至原来模样,实现循环压缩的力学性能,而PVA交联剂的加入也会增强石墨烯气凝胶材料的机械强度。优选的,所述聚合物纳米纤维为PVA-co-PE。优选的,所述聚合物纳米纤维为PA6。优选的,所述聚合物纳米纤维为PA66。优选的,所述聚合物纳米纤维为PVA-co-PE与POE的混合物。优选的,所述聚合物纳米纤维为PVA-co-PE与PET的混合物。优选的,所述聚合物纳米纤维为PVA-co-PE与PPT的混合物。优选的,所述聚合物纳米纤维为PA6与POE的混合物。优选的,所述聚合物纳米纤维为PA6与PET的混合物。优选的,所述聚合物纳米纤维为PA6与PPT的混合物。优选的,所述聚合物纳米本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种具备强韧结构的石墨烯基气凝胶材料,它由按照质量百分比分别为90%~50%、25%~5%、25%~5%的石墨烯、聚合物纳米纤维及PVA交联剂制得,所述石墨烯的若干个片层搭接构成气凝胶材料内部的三维孔道,在三维孔道内定向排布有用于支撑石墨烯片层的聚合物纳米纤维,所述聚合物纳米纤维包括PVA‑co‑PE、PA6、PA66中的一种,或其与POE、PET、PPT中任一种组合的混合物。

【技术特征摘要】
1.一种具备强韧结构的石墨烯基气凝胶材料,它由按照质量百分比分别为90%~50%、25%~5%、25%~5%的石墨烯、聚合物纳米纤维及PVA交联剂制得,所述石墨烯的若干个片层搭接构成气凝胶材料内部的三维孔道,在三维孔道内定向排布有用于支撑石墨烯片层的聚合物纳米纤维,所述聚合物纳米纤维包括PVA-co-PE、PA6、PA66中的一种,或其与POE、PET、PPT中任一种组合的混合物。2.根据权利要求1所述具备强韧结构的石墨烯基气凝胶材料,其特征在于:所述石墨烯基气凝胶材料在承受最大压缩量达到60~80%时内部仍保持完整的孔洞结构并在外力消除后回复至原形。3.根据权利要求1所述具备强韧结构的石墨烯基气凝胶材料,其特征在于:所述石墨烯基气凝胶材料在弹性模量为10~500kPa,经上万次循环压缩后内部仍保持完整的孔洞结构。4.根据权利要求1或2或3所述具备强韧结构的石墨烯基气凝胶材料,其特征在于:所述石墨烯基气凝胶材料在压缩时最终电阻值可缩小至其初始电阻值的1/450。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘琼珍王栋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

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