高模量、高弹性石墨烯泡沫材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高模量、高弹性石墨烯泡沫材料及其制备方法和应用，涉及石墨烯领域，包括如下步骤：将经过压缩的氧化石墨烯泡沫材料用夹具进行固定，然后进行火焰完全燃烧；取下夹具，将燃烧后的产物在惰性气氛或真空环境下进行热处理0.1h以上，制得高模量、高弹性石墨烯泡沫材料；其中，经过压缩的氧化石墨烯泡沫材料为氧化石墨烯泡沫材料控制压缩比为50％～95％时的压缩产物。本发明专利技术通过调整压缩程度调控氧化石墨烯泡沫的三维结构和密度，然后带着夹具进行限定空间的火焰燃烧，密集堆积的连续氧化石墨烯壁受热快速膨胀，在有限的泡孔空间内进一步发泡，形成密集的小尺寸(10nm～50μm)泡孔结构，可赋予其高弹性模量和高弹性。可赋予其高弹性模量和高弹性。

【技术实现步骤摘要】
高模量、高弹性石墨烯泡沫材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及石墨烯领域，特别涉及一种高模量、高弹性石墨烯泡沫材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]石墨烯是一种只有单层碳原子厚度的二维纳米碳材料，厚度约为0.334纳米。由石墨烯为组装单元，以一定的三维结构组装而成的轻质宏观体材料称作石墨烯泡沫或气凝胶材料。石墨烯泡沫材料具有轻质、多孔、导电、比表面积巨大等特点，在能源、环境、电子等领域具有极好的应用前景。按石墨烯泡沫材料是否具有好的压缩弹性，可以简单地分为两类：弹性石墨烯泡沫和非弹性石墨烯泡沫。通过三维结构设计，石墨烯泡沫材料可以拥有很好的机械弹性，例如该材料的可逆压缩应变可高达99％，并且材料在极宽温度
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269℃～1000℃的范围内可以保持优异的回弹性。然而，高弹性石墨烯泡沫材料的弹性模量一般较小，最大不超过1兆帕，使得材料难以在大应力条件下使用，限制了该类材料的应用范围。而对于具有高模量的石墨烯泡沫材料，一般属于非弹性材料，表现出塑性形变或刚性断裂。因此，目前石墨烯泡沫材料难以兼具高模量和高弹性。
[0004]石墨烯泡沫材料的主流制备方法如下：以氧化石墨烯为原料，通过液相组装和模板法获得具有特定三维结构的湿凝胶，然后通过冷冻干燥、超临界干燥、常压干燥等方式去除溶剂，获得气凝胶或泡沫材料。其中，氧化石墨烯还原成石墨烯的方法包括化学还原和热还原两种，常用的模板包括冰模板、气泡模板、乳液模板等。此外，通过化学法或热还原法快速还原氧化石墨烯膜也可以获得石墨烯泡沫材料。总结上述方法，可以得出石墨烯泡沫材料的多孔结构都是一次成型制备，通过物理模板或者化学发泡手段造孔。
[0005]目前，高弹性石墨烯泡沫材料的结构一般呈现为石墨烯通过π
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π作用堆叠成连续的大孔网络，该大孔的尺寸在几十微米到几百微米之间，材料表现为较低的密度，一般低于10毫克/立方厘米。所以，该类材料的弹性模量一般较小，微小的应力就可以使材料发生形变。而非弹性的石墨烯泡沫材料虽然可以获得较密集的小孔结构，但是石墨烯难以进行有序组装，一般呈现无序的堆积结构，受到应力时石墨烯链接点容易遭到破坏，撤掉应力后三维结构不能恢复。
[0006]故现有技术难以获得纳米尺寸的密集泡孔结构，从而导致材料的弹性模量较小(<1MPa)。

技术实现思路

[0007]专利技术目的
[0008]本专利技术的目的在于提供一种高模量、高弹性石墨烯泡沫材料及其制备方法和应用，本专利技术通过调整压缩程度调控氧化石墨烯泡沫的三维结构和密度，然后带着夹具进行
限定空间的火焰燃烧，密集堆积的连续氧化石墨烯壁受热快速膨胀，在有限的泡孔空间内进一步发泡，形成密集的小尺寸(10nm～50μm)泡孔结构，该结构可赋予石墨烯泡沫材料高模量和高弹性。
[0009]解决方案
[0010]为实现本专利技术目的，第一方面，本专利技术提供了一种高模量、高弹性石墨烯泡沫材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0011]将经过压缩的氧化石墨烯泡沫材料用夹具进行固定，进行火焰完全燃烧；取下夹具，将燃烧后的产物在惰性气氛或真空环境下进行热处理0.1h以上，制得高模量、高弹性石墨烯泡沫材料；
[0012]其中，经过压缩的氧化石墨烯泡沫材料为氧化石墨烯泡沫材料控制压缩比为50％～95％时的压缩产物。
[0013]可选地，夹具为平板夹具。
[0014]本专利技术中，样品可以燃烧是因为氧化石墨烯具有含氧基团，燃烧后含氧基团快速脱除还原得到石墨烯，然后火燃就会熄灭。本专利技术中的高模量是指高弹性模量。
[0015]本专利技术的压缩比例50％～95％是指压缩氧化石墨烯泡沫材料原高度的50％～95％，例如压缩比例60％时，压缩后的高度低于原高度60％。
[0016]进一步地，火焰完全燃烧是指样品的所有区域经过火焰燃烧处理一遍，使氧化石墨烯中的含氧基团快速脱除还原得到石墨烯。
[0017]进一步地，热处理温度为200～3000℃；可选地为400～2000℃，可选地为800～1600℃，可选地为800℃。
[0018]进一步地，热处理时间为0.5h以上，可选地为0.5h～15h，可选地为0.5h～5h，可选地为0.8h～3h，可选地为0.5h～2h，可选地为0.5h～1h，可选地为1h。
[0019]进一步地，压缩比控制在50％～95％，可选地为70％～95％，可选地为70％～90％。
[0020]进一步地，氧化石墨烯泡沫材料的压缩方法为：将若干氧化石墨烯泡沫片在高湿度环境下粘结组装后用平板夹具进行压缩；可选地，若干氧化石墨烯泡沫片包括至少两片。
[0021]进一步地，氧化石墨烯泡沫片的制备方法包括：搅拌条件下，将氧化石墨烯水分散液、表面活性剂、阻燃剂混合，发泡至1.5～3倍，平铺，干燥，获得氧化石墨烯泡沫片；可选地，氧化石墨烯泡沫片的厚度为2～8mm。
[0022]进一步地，氧化石墨烯、表面活性剂、阻燃剂的重量比为(8～20)：(2～16)：(0.8～4)，可选地为(12～20)：(3～8)：(1.2～4)，可选地为(16～20)：(4～8)：(1.6～3)，可选地为16：4：2.4。
[0023]可选地，所述表面活性剂为非离子表明活性剂和/或或阴离子表面活性剂；可选地所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、和/或烷基糖苷、和/或吐温20。
[0024]可选地，阻燃剂选自磷系、氮系和/或溴系阻燃剂；可选地，所述阻燃剂为聚磷酸铵、和/或三聚氰胺、和/或十溴联苯醚。
[0025]进一步地，氧化石墨烯水分散液的浓度为8～20mg/mL，可选地为12～20mg/mL，可选地为16～20mg/mL，可选地为16mg/mL。
[0026]进一步地，氧化石墨烯泡沫片的制备中，发泡倍率控制在1.5～2.0倍，可选地为
2.0～2.5倍，可选地为2.0倍。
[0027]进一步地，干燥温度为室温～100℃，可选地为30～80℃，可选地为50～70℃，可选地为60℃。常压干燥后就能获得上述特点的石墨烯泡沫材料。
[0028]进一步地，高模量、高弹性石墨烯泡沫材料的弹性模量为0.1～20MPa、可逆压缩应变10％～90％；可选地弹性模量为1～20MPa、可逆压缩应变10％～70％；可选地弹性模量为1～20MPa、可逆压缩应变50％～70％；可选地弹性模量为2～20MPa、可逆压缩应变10％～50％。
[0029]进一步地，高模量、高弹性石墨烯泡沫材料具有孔壁厚度在10nm或10nm以下、孔径尺寸在10nm～50μm之间的弹性网格。
[0030]第二方面，提供一种高模量、高弹性石墨烯泡沫材料，其具有孔壁厚度在10nm或10nm以下、孔径尺寸在10nm～50μm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高模量、高弹性石墨烯泡沫材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将经过压缩的氧化石墨烯泡沫材料用夹具进行固定，进行火焰完全燃烧；取下夹具，将燃烧后的产物在惰性气氛或真空环境下进行热处理0.1h以上，制得高模量、高弹性石墨烯泡沫材料；其中，经过压缩的氧化石墨烯泡沫材料为氧化石墨烯泡沫材料控制压缩比为50％～95％时的压缩产物。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，火焰完全燃烧是指样品所有区域经过火焰燃烧一遍，使氧化石墨烯中的含氧基团快速脱除还原得到石墨烯；和/或，热处理温度为200～3000℃；可选地为400～2000℃，可选地为800～1600℃，可选地为800℃；和/或，夹具为平板夹具；和/或，热处理时间为0.5h以上，可选地为0.5h～15h，可选地为0.5h～5h，可选地为0.5h～3h，可选地为0.5h～2h，可选地为0.5h～1h，可选地为1h。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，压缩比控制在50％～95％，可选地为70％～95％，可选地为70％～90％。4.根据权利要求1至3任一所述的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯泡沫材料的压缩方法为：将若干氧化石墨烯泡沫片在高湿度环境下粘结组装后用平板夹具进行压缩；可选地，若干氧化石墨烯泡沫片包括至少两片。5.根据权利要求1至4任一所述的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯泡沫片的制备方法包括：搅拌条件下，将氧化石墨烯水分散液、表面活性剂、阻燃剂混合，发泡至1.5～3倍，平铺，干燥，获得氧化石墨烯泡沫片；可选地，氧化石墨烯泡沫片的厚度为2～8mm。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯、表面活性剂、阻燃剂的重量比为(8～20)：(2～16)：(0.8～4)，可选地为(12～20)：(3～8)：(1.2～4)，可选地为(16～20)：(4～8)：(1.6～3)，可选地为16：4：2.4；可选地，所述表面活性剂为非离子表明活性剂和/或阴离子表面活性剂；可选地所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、和/或烷基糖苷、和/或吐温20；可选地，阻燃剂选自磷系、氮系和/或溴系阻燃剂；可选地，所述阻燃剂为聚磷酸铵、和/或三聚氰胺、和/或十溴联苯醚；可选地，氧化石墨烯水分散液的浓度...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨洪生，刘立保，刘旭，张旭，段咏欣，张建明，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：