一种明胶-氧化石墨烯复合膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种明胶‑氧化石墨烯复合膜的制备方法，属于复合材料技术领域。本发明专利技术先将氧化石墨烯分散液和纳米稻壳纤维分散液超声分散后，抽滤，得滤饼，再于惰性气体保护下，缓慢升温炭化，得预处理氧化石墨烯；再将明胶分散液用内肽酶酶解，得明胶酶解液；随后调节明胶酶解液pH至明胶等电点，再依次加入预处理氧化石墨烯和对苯二甲醛，加热搅拌反应后，浓缩，成膜，干燥，即得明胶‑氧化石墨烯复合膜。本发明专利技术技术方案制备的明胶‑氧化石墨烯复合膜具有优异的力学性能的特点，在复合材料技术行业的发展中具有广阔的前景。

【技术实现步骤摘要】
一种明胶-氧化石墨烯复合膜的制备方法
本专利技术公开了一种明胶-氧化石墨烯复合膜的制备方法，属于复合材料

技术介绍
石墨烯是由碳原子组成的具有单原子厚度的二维晶体材料。结构完整的石墨烯具有优异的力学、电学、光学和热学性质，但是溶解性差，很难进行溶液加工。化学修饰石墨烯，包括氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO），不仅具有可加工性，而且保留了部分石墨烯的优异性质。因而在复合材料、能量存储、催化和传感等领域具有广阔的应用前景。具有二维片状结构的化学修饰石墨烯是独特的构筑基元，可组装成各种功能性薄膜。早在19世纪，人们就已经发现以石墨为原料通过氧化过程获得氧化石墨，即通过强酸性或强氧化性的化学试剂与石墨进行氧化反应即可获得氧化石墨。氧化石墨与石墨一样都具有六元环的层状结构，但是氧化石墨相对于石墨多了许多含氧官能团如：羧基、羟基、环氧基等，若将氧化石墨通过机械剥离、热剥离等处理手段就可以得到具有单层结构的氧化石墨烯。氧化石墨烯膜在液体和气体分离方面都具有优异的选择性以及较高的通量，石墨烯膜主要通过在石墨烯基体上引入纳米孔或者人为的制造层与层堆叠的结构，就可以制备出具有高选择性和高通量的分离膜。同时由于氧化石墨烯表面具有丰富的亲水官能团（羧基、羟基和环氧基等），制备得到的膜对水分子具有良好的选择透过性。研究发现氧化石墨烯膜在海水淡化，污水处理，过滤等领域都表现出了潜在的应用价值。而传统的明胶-氧化石墨烯复合膜力学性能不足给实际应用带来一定的困难，因此这也是目前在氧化石墨烯复合膜方面急需解决的问题。故研究、开发力学性能优异的明胶-氧化石墨烯复合膜非常重要。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是：针对传统明胶-氧化石墨烯复合膜力学性能不佳的缺点，提供了一种明胶-氧化石墨烯复合膜的制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种明胶-氧化石墨烯复合膜的制备方法，具体制备步骤为：（1）将氧化石墨烯分散液和纳米稻壳纤维分散液超声分散后，抽滤，得滤饼，再于惰性气体保护下，缓慢升温炭化，得预处理氧化石墨烯；（2）将明胶分散液用内肽酶酶解，得明胶酶解液；（3）按重量份数计，依次取10～15份预处理氧化石墨烯，80～100份明胶酶解液，3～5份对苯二甲醛，先调节明胶酶解液pH至明胶等电点，再依次加入预处理氧化石墨烯和对苯二甲醛，加热搅拌反应后，浓缩，成膜，干燥，即得明胶-氧化石墨烯复合膜。步骤（1）所述氧化石墨烯分散液是由氧化石墨烯和水按质量比为1：8～1：10超声分散得到。步骤（1）所述纳米稻壳纤维分散液制备过程为：将稻壳用氢氧化钠溶液浸泡后，过滤，再用液氮冷冻研磨，经解冻后，与水按质量比为1：10～1：15超声分散，得纳米稻壳纤维分散液。步骤（1）所述惰性气体为氩气或氮气中的任意一种。步骤（1）所述缓慢升温炭化为：于炭化炉中，以0.3～0.5℃/min速率程序升温至550～600℃，保温炭化2～4h后，继续以0.6～0.8℃/min速率程序升温至1480～1520℃，保温炭化3～5h。步骤（2）所述明胶分散液是由等电点为5.5～6.0的明胶和水按质量比为1：15～1：20配制而成。步骤（2）所述内肽酶为胰蛋白酶、糜蛋白酶或弹性蛋白酶中的任意一种。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术技术方案首先将氧化石墨烯和纳米稻壳纤维超声分散，在超声过程中，氧化石墨烯片层结构得以剥离，形成单片层结构，从而有利于单片层的氧化石墨烯和纳米稻壳纤维在体系中随机分散，在抽滤过程中，单片层的氧化石墨烯重新结合，并将纳米稻壳纤维嵌入氧化石墨烯层间结构中，由于稻壳纤维表面天然覆盖着一层角质化的二氧化硅层，可作为支撑体，在后续缓慢升温炭化过程中，内部有机质和水分受热分解挥发，留下中空壳层支撑结构和部分焦油，在后续进一步升温过程中，稻壳纤维因收缩量和热应力较大，支撑结构难以维持，使纤维的中空壳层破损形成裂纹，并沿受到剪切应力的面蔓延形成螺旋形结构，以释放应力，从而制得中空螺旋状的炭化稻壳纤维，且纤维中二氧化硅和碳在高温条件下，形成Si-C化学键合，且部分Si-C化学键位于中空螺旋状的炭化稻壳纤维和氧化石墨烯的界面结合处，从而使两者牢固结合，在受力过程中，有效避免氧化石墨烯层间结构之间发生相对滑移，从而提高其力学性能，另外，中空结构的存在，也可起到良好的缓冲效果，有利于内部应力的释放，再者，炭化过程中残留的少量焦油的存在，可起到增粘和增塑效果，使产品力学性能得到进一步提升；（2）本专利技术技术方案通过添加明胶，并辅以对苯二甲醛作为交联剂，从而在预处理氧化石墨烯的空间结构中引入刚性结构的苯环，苯环刚性结构的引入，有利于内部形成π-π键，从而有利于产品力学性能的进一步提升，而明胶在交联剂作用下，在体系内部形成交联网络，也有利于力学性能的提升，同时，明胶可与氧化石墨烯分子结构中的极性基团形成大量的氢键，从而提高氧化石墨烯层间结构物之间的相互作用力，进一步避免在受力过程中发生滑移，随着体系内部交联网络密度的增加，以及氢键，π-π键和Si-C化学键的形成，使产品的综合力学性能得到有效提升。具体实施方式将氧化石墨烯和水按质量比为1：8～1：10混合倒入1号烧杯中，并加入氧化石墨烯质量0.03～0.05倍的聚乙烯吡咯烷酮，再将1号烧杯移入超声分散仪中，于温度为55～65℃，超声频率为45～50kHz条件下，恒温超声分散45～60min，得氧化石墨烯分散液；按质量比为1：5～1：10将稻壳和质量分数为10～20%的氢氧化钠溶液倒入2号烧杯中，再将烧杯置于水浴锅中，于温度为55～65℃条件下，保温浸泡30～40min后，过滤，得滤渣，将所得滤渣转入冷冻研磨机中，以液氮为研磨介质，研磨45～60min后，出料，解冻，得解冻研磨料，再将所得解冻研磨料和水按质量比为1：10～1：15超声分散20～30min，得纳米稻壳纤维分散液；将等电点为5.5～6.0的明胶和水按质量比为1：15～1：20混合倒入3号烧杯中，用玻璃棒搅拌混合10～15min后，于室温条件下静置溶胀3～5h，待溶胀结束，将3号烧杯中物料加热至65～70℃，保温搅拌溶解30～45min，得明胶分散液；先将氧化石墨烯分散液和纳米稻壳纤维分散液按质量比为10：1～20：1混合倒入4号烧杯中，于温度为45～50℃，频率为50～60kHz条件下，恒温超声分散1～2h后，抽滤，得滤饼，再将所得滤饼转入烘箱中，于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得干燥滤饼，随后将干燥滤饼转入炭化炉中，以80～150mL/min速率向炉内通入惰性气体，于惰性气体保护状态下，以0.3～0.5℃/min速率程序升温至550～600℃，保温炭化2～4h后，继续以0.6～0.8℃/min速率程序升温至1480～1520℃，保温炭化3～5h，随炉冷却至室温，出料，得预处理氧化石墨烯；将明胶分散液和内肽酶按质量比为100：1～100：3混合后，于温度为30～35℃，转速为400～600r/min条件下，恒温搅拌酶解45～60min，再加热升温至90～95℃，保温灭酶10～15min后，冷却，得明胶酶解液；按重量份数计，依次取10～15份预处理氧化石墨烯，80～100份明胶酶解液，3～5份对苯二甲醛，先将明胶酶解液倒入反应釜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种明胶‑氧化石墨烯复合膜的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）将氧化石墨烯分散液和纳米稻壳纤维分散液超声分散后，抽滤，得滤饼，再于惰性气体保护下，缓慢升温炭化，得预处理氧化石墨烯；（2）将明胶分散液用内肽酶酶解，得明胶酶解液；（3）按重量份数计，依次取10～15份预处理氧化石墨烯，80～100份明胶酶解液，3～5份对苯二甲醛，先调节明胶酶解液pH至明胶等电点，再依次加入预处理氧化石墨烯和对苯二甲醛，加热搅拌反应后，浓缩，成膜，干燥，即得明胶‑氧化石墨烯复合膜。

【技术特征摘要】
1.一种明胶-氧化石墨烯复合膜的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）将氧化石墨烯分散液和纳米稻壳纤维分散液超声分散后，抽滤，得滤饼，再于惰性气体保护下，缓慢升温炭化，得预处理氧化石墨烯；（2）将明胶分散液用内肽酶酶解，得明胶酶解液；（3）按重量份数计，依次取10～15份预处理氧化石墨烯，80～100份明胶酶解液，3～5份对苯二甲醛，先调节明胶酶解液pH至明胶等电点，再依次加入预处理氧化石墨烯和对苯二甲醛，加热搅拌反应后，浓缩，成膜，干燥，即得明胶-氧化石墨烯复合膜。2.根据权利要求1所述的一种明胶-氧化石墨烯复合膜的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述氧化石墨烯分散液是由氧化石墨烯和水按质量比为1：8～1：10超声分散得到。3.根据权利要求1所述的一种明胶-氧化石墨烯复合膜的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述纳米稻壳纤维分散液制备过程为：将稻壳用氢氧化钠溶液浸泡后，过滤，再用液...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷国辉，许永博，吴庆梅，
申请(专利权)人：常州五荣化工有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32