一种具有火灾预警和高压缩性能碳基气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有火灾预警和高压缩性能碳基气凝胶及其制备方法，通过选定具有热还原性质和力学性能优异的氧化石墨烯和碳纳米管搭建所述气凝胶的主体结构，通过氨基碳纳米管对氧化石墨烯纳米片的表面增强和四氧化三铁纳米颗粒的界面交联双重作用，构建连续网络，从而实现高压缩性能和火灾预警过程。本发明专利技术制备得到的碳基复合气凝胶能够应用于隔热、消防、储能和力学器件等领域。储能和力学器件等领域。储能和力学器件等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种具有火灾预警和高压缩性能碳基气凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术涉及功能纳米复合材料
，具体涉及一种具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]2D石墨烯纳米片具有优异的柔性、弹性、拉伸及压缩强度，但通过弱相互作用直接、无规组装制备的石墨烯气凝胶在压缩和拉伸时往往表现出明显的脆性，难以满足应用要求。目前主要有两种策略来克服碳基复合气凝胶的脆性，一种是通过3D打印或其他协同组装技术，产生分级结构、增强气凝胶的韧性；如郭及其同事(Highly stretchable carbon aerogels.Nat.Commun.2018,9,881)采用智能3D墨水打印技术，制备了具有四级分层结构的高延展性石墨烯/多壁碳纳米管复合气凝胶，具有低能耗、高抗疲劳性和优异的环境稳定性。但是受3D打印技术的限制，该方法对合成技术要求较高，且无法实现气凝胶材料的量产。另一种是将弹性聚合物或小分子作为交联剂引入基体中；如邱等人(Ultralight and highly compressible graphene aerogels.Adv.Mater.2013,25,2219
‑
2223)基于石墨烯气凝胶的还原制备，提出了一种集功能化、组装和后续微波辐射处理于一体的工艺制备高压缩性的超轻石墨烯气凝胶。但该气凝胶分子间相互作用较弱，在严苛的化学或物理条件下稳定性较差。
[0003]基于此，如何利用简便的合成工艺增强气凝胶分子间的相互作用，制备具有火灾预警及高压缩性多功能碳基复合气凝胶仍然存在一定挑战，需要进一步深入探索。

技术实现思路

[0004]针对目前上述技术问题，本专利技术的提供了一种具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶及其制备方法。
[0005]为了实现本专利技术的专利技术目的，提出如下技术方案：
[0006]一种具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶，所述碳基复合气凝胶由氨基碳纳米管和氧化石墨烯纳米片通过表面吸附及Fe3O4纳米颗粒界面交联作用而实现自组装，然后经冷冻干燥制备而成。
[0007]所述氨基碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或组合。
[0008]所述Fe3O4纳米颗粒为预先合成的氨基四氧化三铁纳米(Fe3O4@NH2)颗粒或石墨烯片原位共沉淀生长Fe3O4纳米颗粒，粒径为5
‑
200nm。
[0009]作为优选，在所述复合气凝胶中所述氧化石墨烯纳米片与氨基碳纳米管的质量比为1:(50～150)；在所述气凝胶中所述Fe3O4纳米颗粒和氧化石墨烯纳米片的质量比为1:4
‑
1:1。
[0010]一种所述的具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)碳纳米管在氧化石墨烯片的表面吸附：在氧化石墨烯纳米片的水溶液中加入
N
‑
羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1
‑
(3
‑
二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)形成混合溶液进行活化羧基，然后将该混合溶液缓慢加入到碳纳米管分散液中，利用氨基和羧基间的相互作用，将碳纳米管吸附在氧化石墨烯纳米片的表面。
[0012](2)Fe3O4纳米颗粒制备：a)经碱性催化和加热，在步骤(1)得到的氧化石墨烯纳米片的边缘通过共沉淀原位生长Fe3O4磁性纳米颗粒；或b)将采用预先合成方法预先合成Fe3O4纳米颗粒的表面进行硅烷配体交换，制备氨基改性的四氧化三铁纳米颗粒(Fe3O4@NH2)；所述预先合成方法包括现有的溶剂热、水热和共沉淀方法。
[0013](3)Fe3O4纳米颗粒界面交联：利用Fe3O4纳米颗粒间磁偶极子相互作用，实现相邻氧化石墨烯片的界面交联。
[0014](4)火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶制备：向步骤(3)得到的体系中加入乙二胺(EDA)，在加热条件下进行氧化石墨烯纳米片的自组装，得到的水凝胶经陈化后，冷冻和干燥后得到所述碳基复合气凝胶。
[0015]作为优选，步骤(1)具体为：先将氧化石墨烯纳米片超声均匀分散于水中，，然后加入N
‑
羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1
‑
(3
‑
二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)形成混合溶液，常温活化12
‑
18min；然后将该混合溶液缓慢加入到氨基碳纳米管分散液中，超声反应2
‑
4h，将碳纳米管吸附在氧化石墨烯纳米片的表面。
[0016]其中氧化石墨烯纳米片：水：氨基碳纳米管分散液为(38～42mg)：(7～9mL)：(2～6g)；N
‑
羟基琥珀酰亚胺：1
‑
(3
‑
二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐：氧化石墨烯羧基的摩尔数比为1：(1.1～1.5)：1。
[0017]作为优选，步骤(2)具体为：a)将步骤(1)得到的体系分散于水中，通入惰性气体除氧1
‑
3h，然后加入Fe
3+
和Fe
2+
作为前驱体，在惰性气氛下室温搅拌2
‑
6h，然后升温至70
‑
90℃，再加入碱性溶液调节溶液的pH为9.5
‑
12.5，保持反应0.5
‑
2h，然后采用磁铁收集并冲洗2～4次，得到原位生长的Fe3O4纳米颗粒。
[0018]或b)通过现有预先合成方法预先合成Fe3O4纳米颗粒，然后将Fe3O4纳米颗粒分散至甲苯、正己烷或乙醇中，然后加入氨基硅烷，在加入酸性催化剂后搅拌或超声反应24
‑
48h，采用溶剂洗涤2～4次，然后采用磁铁进行收集，制备得到氨基改性的四氧化三铁纳米颗粒(Fe3O4@NH2)。
[0019]作为优选，步骤(2)的a)中，所述惰性气体为高纯氮气或氩气；碱性溶液为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾；Fe
3+
和Fe
2+
的摩尔比为1:(1.05
‑
1.2)；其中将步骤(1)得到的体系分散于水中，分散的用水量与氧化石墨烯纳米片的比例为20mL：(38～42mg)。
[0020]步骤(2)的b)中，所述氨基硅烷为3
‑
氨基丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨基丙基三乙氧基硅烷、3
‑
(2
‑
氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷、4
‑
氨基丁基二甲基甲氧基硅烷、4
‑
氨基丁基三乙氧基硅烷、3
‑
[(2
‑
氨基乙基氨基)丙基]二甲氧基硅烷、(3
‑
氨基丙基)二甲基乙氧基硅烷中的一种或多种；氨基硅烷的加入量以溶剂体积计为0.1～0.5％(v/v)；所述酸性催化剂为醋酸、稀盐酸或稀硫酸，酸性催化剂的加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶，其特征在于，所述碳基复合气凝胶通过氨基碳纳米管在氧化石墨烯纳米片上的表面吸附及Fe3O4纳米颗粒的界面交联作用实现自组装，然后经冷冻干燥制备而成；所述氨基碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或组合；所述Fe3O4纳米颗粒为预先合成的氨基四氧化三铁纳米(Fe3O4@NH2)颗粒或石墨烯片原位共沉淀生长Fe3O4纳米颗粒，所述Fe3O4纳米颗粒的粒径为5
‑
200nm。2.根据权利要求1所述的具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶，其特征在于，在气凝胶中所述氧化石墨烯纳米片与氨基碳纳米管的质量比为1:(50～150)；在气凝胶中所述Fe3O4纳米颗粒与氧化石墨烯纳米片的质量比为1:4
‑
1:1。3.一种权利要求1或2所述的具有火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳纳米管在氧化石墨烯片的表面吸附：在氧化石墨烯纳米片的水溶液中加入N
‑
羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1
‑
(3
‑
二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)形成混合溶液进行活化羧基，然后将该混合溶液缓慢加入到碳纳米管分散液中，利用氨基和羧基间的相互作用，将碳纳米管吸附在氧化石墨烯纳米片的表面；(2)Fe3O4纳米颗粒制备：a)经碱性催化和加热，在步骤(1)得到的氧化石墨烯纳米片的边缘通过共沉淀原位生长Fe3O4磁性纳米颗粒；或b)将采用预先合成方法预先合成Fe3O4纳米颗粒的表面进行硅烷配体交换，制备氨基改性的四氧化三铁纳米颗粒(Fe3O4@NH2)；所述预先合成方法包括现有的溶剂热、水热和共沉淀方法；(3)Fe3O4纳米颗粒界面交联：利用Fe3O4纳米颗粒间磁偶极子相互作用，实现相邻氧化石墨烯片的界面交联；(4)火灾预警和高压缩性能碳基复合气凝胶制备：向步骤(3)得到的体系中加入乙二胺(EDA)，在加热条件下进行氧化石墨烯纳米片的自组装，得到的水凝胶经陈化、冷冻干燥后得到所述碳基复合气凝胶。4.根据权利要求3所述的兼具火灾预警与阻燃性的碳基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体为：先将氧化石墨烯纳米片超声均匀分散于水中，然后加入N
‑
羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1
‑
(3
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二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)形成混合溶液，常温活化12
‑
18min；然后将该混合溶液缓慢加入到氨基碳纳米管分散液中，超声反应2
‑
4h，将碳纳米管吸附在氧化石墨烯纳米片的表面；其中氧化石墨烯纳米片：水：氨基碳纳米管分散液为(38～42mg)：(7～9mL)：(2～6g)；N
‑
羟基琥珀酰亚胺：1
‑
(3
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二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐：氧化石墨烯羧基的摩尔数比为1：(1.1～1.5)：1。5.根据权利要求3所述的兼具火灾预警与阻燃性的碳基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)具体为：a)将步骤(1)得到的体系分散于水中，通入惰性气体除氧1
‑
3h，然后加入Fe
3+
和Fe
2+
作为前驱体，在惰性气氛下室温搅拌2
‑
6h，然后升温至70

【专利技术属性】
技术研发人员：史聪灵，井静云，刘国林，钱小东，
申请(专利权)人：中国安全生产科学研究院，
类型：发明
国别省市：