本发明专利技术涉及一种不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶及其制备方法。所述方法为：将氧化石墨烯溶液、二甲基硅氧烷寡聚物和碱性催化剂混合均匀，并经预水解和预组织反应，得到预搭接的氧化石墨烯前驱体；往预搭接的氧化石墨烯前驱体中加入起泡剂、还原剂和二甲基硅氧烷交联剂并搅拌均匀，然后经高温反应，得到改性石墨烯湿凝胶；将改性石墨烯湿凝胶依次进行冷冻、冷冻干燥和热退火，制得不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶。本发明专利技术的石墨烯气凝胶具有由聚二甲基硅氧烷网络和石墨烯骨架网络结构相互贯穿的结构，且聚二甲基硅氧烷网络起到增强石墨烯片层特别是边缘处搭接的作用，有效解决了石墨烯气凝胶易掉渣和强度低问题。决了石墨烯气凝胶易掉渣和强度低问题。决了石墨烯气凝胶易掉渣和强度低问题。
【技术实现步骤摘要】
一种不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶及其制备方法
[0001]本专利技术属于石墨烯气凝胶
，涉及一种石墨烯气凝胶的制备方法，尤其涉及一种不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶及其制备方法。
技术介绍
[0002]高弹性石墨烯气凝胶是由本征具有一定弹性的石墨烯片作为构筑基元，通过各种物理或者化学作用的三维相互搭接，形成孔径在数十到数百微米的多孔石墨烯三维宏观组装体。弹性石墨烯气凝胶除了常规石墨烯气凝胶具有的超高孔隙率、大比表面积、超低密度、极佳导电性、超低热导率等众多优异特性，更特别的是具有压缩回弹的力学特性，这种具有较大可逆形变功能的弹性材料在包括隔热、吸附、传感等各种工程应用中具有广泛需求，引起了研究者们强烈的关注。然而，由于石墨烯片层之间的不充分搭接，特别是石墨烯片层在边缘处的不充分搭接，一方面使得气凝胶孔隙结构在较大形变使用时容易发生坍塌，导致弹性石墨烯气凝胶材料的整体机械强度较低，在较大形变作用力下材料弹性会发生不可逆破坏；另一方面会使石墨烯气凝胶，在压缩尤其是多次重复使用过程的压缩时，石墨烯气凝胶容易掉出碎屑、碎渣，造成极大的安全风险。弹性石墨烯气凝胶的易掉渣和低强度问题极大限制了石墨烯气凝胶的实际应用进程。
[0003]针对此，近年来众多研究者致力于提高石墨烯气凝胶的力学强度，中国专利技术专利CN109734076B采用湿压法，对发泡、还原后得到的石墨烯湿凝胶在冷冻
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融化处理后进行压缩，得到密度为30～90mg/cm3的大面积高强度弹性石墨烯气凝胶，50％形变下最大压缩强度可达0.045MPa，这种强度提高的本质是通过后处理提高材料的密度进而提高强度。中国专利申请CN111847430A采用了碱分散的氧化石墨烯制备石墨烯气凝胶，碱处理方式有助于有序孔洞结构的形成，从而提高材料机械强度，50％形变下最大压缩强度可达0.007MPa。中国专利申请CN108525649A以聚乙烯亚胺作为氧化石墨烯前驱体的交联剂，利用海藻酸钠作为增强材料，在钙离子的作用下海藻酸钠发生交联，形成具有互穿网络结构的氧化石墨烯气凝胶，制备了高强度石墨烯气凝胶材料，然而未经还原反应和高温热退火处理，石墨烯片层间的搭接相对较弱。中国专利申请CN111100291A报道了一种聚苯并噁嗪增强三维石墨烯泡沫的制备方法，将聚苯并噁嗪高分子引入三维石墨烯体系，既可以起到交联石墨烯片层的作用，又可以分散和传递应力，进而实现高强度三维石墨烯结构的构建，然而制备过程中用到了苯并噁嗪单体这种对环境污染较大、对身体危害较大的原料，且后续还须使用大量有机溶剂进行清洗，不够环保。
[0004]总之，目前高弹性石墨烯气凝胶的制备技术已经得到了极大的发展，但是所制备的材料强度仍然需要进一步提高，更严重的是，目前还没有报道尝试解决石墨烯气凝胶掉渣的问题，利用简单易行的方法，制备出不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶对于推动其工程化应用具有显著的意义。
技术实现思路
[0005]为了解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶及其制备方法；本专利技术通过引入预水解的二甲基硅氧烷寡聚物与氧化石墨烯片进行预组织，使得氧化石墨烯片层的上下两侧与边缘被充分搭接起来，然后在二甲基硅氧烷交联剂作用下，使之形成石墨烯片层网络与聚二甲基硅氧烷高分子网络(聚二甲基硅氧烷网络)相互贯穿的双网络结构，不仅赋予石墨烯气凝胶极高的弹性和机械强度，也使得气凝胶在多次压缩回弹循环中能保持一直不掉渣。
[0006]本专利技术在第一方面提供了一种不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0007](1)将氧化石墨烯溶液、二甲基硅氧烷寡聚物和碱性催化剂混合均匀，然后经预水解和预组织反应，得到预搭接的氧化石墨烯前驱体；
[0008](2)往所述预搭接的氧化石墨烯前驱体中加入起泡剂、还原剂和二甲基硅氧烷交联剂并搅拌均匀，然后经高温反应，得到改性石墨烯湿凝胶；
[0009](3)将所述改性石墨烯湿凝胶依次进行冷冻、冷冻干燥和热退火的步骤，制得不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶。
[0010]优选地，所述二甲基硅氧烷寡聚物为PDMS Sylgard184 A胶、PDMS RTV163 A胶、PDMS RTV165 A胶、PDMS RTV655 A胶中的一种或多种；所述二甲基硅氧烷交联剂为PDMS Sylgard184 B胶、PDMS RTV163 B胶、PDMS RTV165 B胶、PDMS RTV655 B胶中的一种或多种；和/或所述二甲基硅氧烷寡聚物与所述二甲基硅氧烷交联剂的质量比为1：(0.05～0.2)。
[0011]优选地，所述碱性催化剂为氨水、氟化铵溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液、甲酸钠溶液中的一种或多种。
[0012]优选地，所述氧化石墨烯溶液中含有的氧化石墨烯、所述二甲基硅氧烷寡聚物和所述碱性催化剂的质量比为1：(0.1～1.5)：(0.001～0.03)。
[0013]优选地，所述预水解和预组织反应的时间为1～12h。
[0014]优选地，所述高温反应的温度为80～160℃，时间为8～36h。
[0015]优选地，所述氧化石墨烯溶液中含有的氧化石墨烯的层数为1～6层；和/或所述氧化石墨烯溶液中含有的氧化石墨烯的浓度为2～40mg/mL。
[0016]优选地，所述起泡剂为烷基糖苷、苯乙烯马来酸酐树脂、烷基酚聚氧乙烯醚和十二烷基硫酸钠中的一种或多种；所述氧化石墨烯溶液与所述起泡剂的质量比为1：(0.001～0.05)；所述还原剂为二硫苏糖醇、抗坏血酸钠、氢碘酸、亚硫酸钠、水合肼中的一种或多种；和/或所述氧化石墨烯溶液中含有的氧化石墨烯与所述还原剂的质量比为1：(1～10)。
[0017]优选地，所述热退火的温度为200～400℃，时间为2～16h。
[0018]本专利技术在第二方面提供了由本专利技术在第一方面所述的制备方法制得的不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶，所述不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶具有石墨烯片层网络与聚二甲基硅氧烷网络相互贯穿的双网络结构，并且在石墨烯片层之间以及边缘处搭接有聚二甲基硅氧烷网络。
[0019]有益效果
[0020]与现有通过当前其它报道的技术制备的石墨烯气凝胶相比，本专利技术制备的不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶具有独有的微观结构及其带来的特殊宏观物理性能：
[0021](1)本专利技术制备的不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶密度为4～30mg/cm3，热导率为0.015～0.021W/(m
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K)，99％应变压缩下回弹率能达到100％，展现出超轻质特性、超高隔热能力和优异的回弹性能，聚二甲基硅氧烷网络的引入并没有显著增加材料的密度，对石墨烯气凝胶的热导率和弹性也没有带来任何不利影响。
[0022](2)本专利技术制备的不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶在50％压缩形变下，压缩强度高达0.16MPa，在99％的极限压缩变形下，极限压缩强度达到了63MPa以上，展现出超高强度，大幅领本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯溶液、二甲基硅氧烷寡聚物和碱性催化剂混合均匀，然后经预水解和预组织反应，得到预搭接的氧化石墨烯前驱体；(2)往所述预搭接的氧化石墨烯前驱体中加入起泡剂、还原剂和二甲基硅氧烷交联剂并搅拌均匀，然后经高温反应，得到改性石墨烯湿凝胶；(3)将所述改性石墨烯湿凝胶依次进行冷冻、冷冻干燥和热退火的步骤，制得不掉渣的高强度高弹性石墨烯气凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述二甲基硅氧烷寡聚物为PDMS Sylgard184 A胶、PDMS RTV163 A胶、PDMS RTV165 A胶、PDMS RTV655 A胶中的一种或多种；所述二甲基硅氧烷交联剂为PDMS Sylgard184 B胶、PDMS RTV163 B胶、PDMS RTV165 B胶、PDMS RTV655 B胶中的一种或多种；和/或所述二甲基硅氧烷寡聚物与所述二甲基硅氧烷交联剂的质量比为1：(0.05～0.2)。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碱性催化剂为氨水、氟化铵溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液、甲酸钠溶液中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯溶液中含有的氧化石墨烯、所述二甲基硅氧烷寡聚物和所述碱性催化剂的质量比为1：(0...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晚林，刘圆圆，张恩爽，雷朝帅，王鹏，李文静，赵英民，张昊，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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