一种洋葱碳/石墨烯复合气凝胶及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种洋葱碳/石墨烯复合气凝胶及其制备方法，是以氧化石墨烯为前驱体，分散在去离子水中得到分散液，加入洋葱碳分散均匀，再加入还原剂柠檬酸铵，水热反应完成自组装形成洋葱碳/石墨烯复合凝胶，经透析、冷冻干燥后，制备得到洋葱碳与石墨烯片层互为支撑的三维网络结构洋葱碳/石墨烯复合气凝胶。以本发明专利技术方法制备的复合气凝胶不仅具有超低密度和良好的机械性能，还具有低的热导率和优异的阻燃隔热保温性能，可以作为阻燃剂应用。

Onion / carbon / graphene composite aerogel and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种洋葱碳/石墨烯复合气凝胶及其制备和应用
本专利技术属于纳米复合材料制备
，涉及一种复合气凝胶的制备方法，特别是涉及一种基于洋葱碳和石墨烯的复合气凝胶的制备方法。
技术介绍
众所周知，阻燃隔热保温材料是指具有绝热性能、可以对热流起到屏蔽作用的材料或材料复合体。阻燃隔热保温材料本身燃烧极其困难，能够阻止其他易燃物品的燃烧，通常具有质轻、疏松、多孔、导热系数小等特点，可用于有效隔热和主动散热，广泛应用于服装、石油、化工、冶金、造船、消防、国防等领域。目前市场上的阻燃隔热保温材料一般都要加入多种助剂（含卤或锑等），对环境具有一定的污染性，且阻燃效果并不理想。石墨烯具有二维sp2共轭碳原子结构，由于石墨烯具有高的比表面积、出色的阻燃特性、良好的力学性能等，被认为是构建三维多孔结构的最重要选择之一。目前，超轻可压缩石墨烯气凝胶作为一种新兴的高效阻燃隔热保温材料，逐渐受到人们的关注。研究表明，将石墨烯气凝胶与其它材料进行复合，是改善石墨烯气凝胶综合性能的一个重要途径。CN109824942A公开了一种有机-无机杂化材料复合阻燃剂，由GO-PDA、C3N4-B-Si、ODOPB混合得到。将环氧树脂分散于无水乙醇中，加入所述有机-无机杂化材料复合阻燃剂和多聚磷酸胺，可以制备得到复合阻燃材料。该复合阻燃剂可以改善环氧树脂的阻燃性能，但制备工艺繁杂、生产成本高。更为重要的是，多聚磷酸胺在阻燃材料中的分散性能较差，势必会产生团聚，严重影响阻燃材料的机械强度。Wang等(Ultralight,highlycompressibleandfire-retardantgrapheneaerogelwithself-adjustableelectromagneticwaveabsorption[J].Carbon,2018,139:1126-1135.)采用原位自组装和热退火工艺，成功制备出了密度超轻、阻燃性良好的三维多孔可压缩(75%)石墨烯气凝胶。但该气凝胶的强度较低、易开裂，从而造成阻燃性能的降低。CN108342004A公开了一种石墨烯阻燃弹性复合材料，由0.5～10%石墨烯微片，20～35%阻燃剂，10～30%热塑性弹性体，30～60%溶剂和0.1～1.5%助剂制备得到。以该复合材料制备的石墨烯阻燃弹性复合膜具有阻燃、高导电、可弯折及高附着等特性，但其制备成本高，限制了其的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种洋葱碳/石墨烯复合气凝胶及其制备方法，以本专利技术方法制备的复合气凝胶不仅具有超低密度和良好的机械性能，还具有低的热导率和优异的阻燃隔热保温性能。本专利技术所述洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的制备方法是以氧化石墨烯为前驱体，将其分散在去离子水中得到分散液，加入洋葱碳分散均匀，再加入还原剂柠檬酸铵，水热反应完成自组装形成洋葱碳/石墨烯复合凝胶，经透析、冷冻干燥后，制备得到洋葱碳与石墨烯片层互为支撑的三维网络结构洋葱碳/石墨烯复合气凝胶。本专利技术上述制备方法中，所述氧化石墨烯与洋葱碳的用量质量比为1∶(0.1～1)。进而，所述还原剂柠檬酸铵的用量为氧化石墨烯质量的0.1～10倍。本专利技术上述制备方法中，优选采用超声处理方式将所述氧化石墨烯分散在去离子水中形成水分散液。进一步地，本专利技术是优选将氧化石墨烯分散在去离子水中制备浓度为2～5mg/mL的氧化石墨烯水分散液。本专利技术上述制备方法中，所述水热反应是在120～180℃下进行的。优选地，所述水热反应时间为3～12h。本专利技术对上述形成的洋葱碳/石墨烯复合凝胶进行透析净化处理，用以除去复合凝胶中剩余的还原剂和其他副产物。具体方法是将复合凝胶用无水乙醇和去离子水反复洗涤，再浸泡于乙醇去离子水混合溶液中反复透析，直至混合溶液变至无色透明。所述乙醇去离子水混合溶液中，乙醇与去离子水的体积比为1∶(10～20)。进一步地，所述复合凝胶在混合溶液中的透析时间优选为24～72h。本专利技术将透析后的复合凝胶进行冷冻干燥以最终得到洋葱碳/石墨烯复合气凝胶。所述冷冻干燥具体是将复合凝胶先在-78℃下预冻24～48h，再置于冷冻干燥机中，在温度-80℃、真空度8Pa条件下进行冷冻干燥，干燥时间24～48h。本专利技术上述方法制备的洋葱碳/石墨烯复合气凝胶作为一种超轻材料，其材料密度仅为4.21～16.19mg/cm3。对所制备的洋葱碳/石墨烯复合气凝胶施以外力作用，使其形变量分别达到60%、90%、95%，撤去外力后，复合气凝胶均能恢复至初始形态，表现出优异的压缩回弹性。同时以外力作用于洋葱碳/石墨烯复合气凝胶，使其形变量达到50%，如此反复100次，复合气凝胶的尺寸仅有4～7%的衰减，显示出优异的循环稳定性。洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的机械性能良好。本专利技术制备的洋葱碳/石墨烯复合气凝胶还具有优异的阻燃隔热保温性能，可以作为阻燃剂应用。本专利技术首次采用水热还原法制备得到了洋葱碳/石墨烯复合气凝胶，该复合气凝胶中洋葱碳与石墨烯纳米片完美结合，形成均匀完整的大尺寸孔结构，所制备的复合气凝胶不仅结构规整，而且回弹性好，可以压缩形变高达95%并回弹，极大地提高了复合气凝胶的可使用范围和舒适性能。本专利技术通过简易的水热还原法，借助冷冻干燥工艺制备洋葱碳/石墨烯复合气凝胶，不仅制备工艺简单，可操控性强，而且对生产设备要求低，适合于工业化大规模生产。本专利技术制备的洋葱碳/石墨烯复合气凝胶无毒、无刺激，不会对其后续应用和性能造成影响，稳定性和安全性好。附图说明图1是实施例1制备洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的SEM扫描电镜形貌图。图2是实施例1制备洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的TEM扫描电镜形貌图。图3是实施例1制备洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的X射线衍射强度图谱。图4是实施例1制备洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的红外光谱图。图5是实施例1制备洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的机械压缩测试图。图6是实施例1制备洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的阻燃性能测试照片。具体实施方式下述实施例仅为本专利技术的优选技术方案，并不用于对本专利技术进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本专利技术可以有各种更改和变化。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。实施例1。取30mg氧化石墨烯，加入到10ml去离子水中，于超声仪中以频率59KHz超声分散20min，得到浓度为3mg/mL的氧化石墨烯分散液。取5mL氧化石墨烯分散液，加入7.5mg洋葱碳，以频率59KHz超声分散30min，得到洋葱碳/氧化石墨烯混合分散液。向上述混合分散液中加入75mg还原剂柠檬酸铵，以频率59KHz超声分散10min，得到反应混合液。将所述反应混合液置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，置于烘箱中，升温至120℃水热反应9h。反应结束后停止加热，产物冷却至25℃，得到洋葱碳/石墨烯复合凝胶。将上述得到的洋葱碳/石墨烯复合凝胶用无水乙醇和去离子水各洗涤5次，浸泡在乙醇与去离子水体积比1∶20的混合溶液中，透析48h，置换出复合凝胶中的液体。透析后的复合凝胶先置于超低温冷冻箱中，-78℃预冻24h，再置于真空度8Pa的冷冻干燥机中，-80℃冷冻干燥48h，得到最终产物洋葱碳/石墨烯复合气凝胶。图1所示为上述制备洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的SEM图。从图中可以看出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的制备方法，是以氧化石墨烯为前驱体，将其分散在去离子水中得到分散液，加入洋葱碳分散均匀，再加入还原剂柠檬酸铵，水热反应完成自组装形成洋葱碳/石墨烯复合凝胶，经透析、冷冻干燥后，制备得到洋葱碳与石墨烯片层互为支撑的三维网络结构洋葱碳/石墨烯复合气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的制备方法，是以氧化石墨烯为前驱体，将其分散在去离子水中得到分散液，加入洋葱碳分散均匀，再加入还原剂柠檬酸铵，水热反应完成自组装形成洋葱碳/石墨烯复合凝胶，经透析、冷冻干燥后，制备得到洋葱碳与石墨烯片层互为支撑的三维网络结构洋葱碳/石墨烯复合气凝胶。2.根据权利要求1所述的洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征是所述氧化石墨烯与洋葱碳的用量质量比为1∶(0.1～1)。3.根据权利要求1所述的洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征是所述还原剂柠檬酸铵的用量为氧化石墨烯质量的0.1～10倍。4.根据权利要求1所述的洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征是采用超声处理方式将所述氧化石墨烯分散在去离子水中，形成浓度为2～5mg/mL的氧化石墨烯水分散液。5.根据权利要求1所述的洋葱碳/石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征是所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨永珍，康伟伟，刘兴华，崔燕，刘旭光，冀树林，许并社，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14