[发明专利]一种聚苯乙烯修饰的三维石墨烯泡沫的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚苯乙烯修饰的三维石墨烯泡沫的制备方法，属于功能材料领域。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是一种只有一个碳原子厚度的二维材料。因为只有一层原子，石墨烯中电子的运动被限制在一个平面上，因此石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最好的材料，石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。石墨烯具有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。同时，石墨烯具有超大的比表面积，较低的摩擦系数以及较高的热导率。聚合物修饰的三维石墨烯泡沫因为具有多孔结构、优异的机械性能、电化学性能和导热性能，成为目前石墨烯相关材料最为热门的材料之一。另外，聚合物修饰的三维石墨烯泡沫在驱动器、能源储存与转换(锂离子电池、燃料电池、超级电容器等)、弹性导体、压力传感器和可穿戴器件等方面的应用吸引了国内外研究者的广泛关注。

目前，制备聚合物修饰的三维石墨烯泡沫的方法主要是商业泡沫模板法、有机溶胶-凝胶法、渗透-蒸发-固化法和化学还原法。但是上述方法所制备的三维石墨烯泡沫存在一定的缺点，比如商业泡沫模板法以商业聚氨酯泡沫为骨架浸泡在石墨烯溶液中制备的三维石墨烯泡沫，其压缩性主要依赖于聚氨酯泡沫骨架，而且负载在聚氨酯泡沫上的石墨烯片子容易脱落；渗透-蒸发-固化法是将制备的石墨烯骨架浸润在聚合物溶液中，在渗透过程中，聚合物容易在石墨烯骨架外面堆叠和团聚，不能很好的分散在石墨烯骨架中，在蒸发固化过程中，石墨烯片子收缩严重，破坏了它的多孔结构，影响了石墨烯泡沫的机械性能。目前，大量制备具有多孔结构、超压缩性能、质量轻和电化学性能优异的聚合物修饰的三维石墨烯泡沫仍然具有很大的挑战。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种聚苯乙烯修饰的三维石墨烯泡沫的制备方法，所述方法制备过程简单、环境友好、成本低且适合大规模生产；采用所述方法制备得到的聚苯乙烯修饰的三维石墨烯泡沫具有有序的蜂窝状结构、质量轻、超压缩性能和优异的电化学性能等特点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种聚苯乙烯修饰的三维石墨烯泡沫的制备方法，所述方法步骤如下：

步骤1.制备浓度为5～14mg/mL的氧化石墨烯溶液；

步骤2.在3000～6000r/min的搅拌速率下，先将聚苯乙烯的环己烷溶液加入到氧化石墨烯溶液中，再加入十二烷基磺酸钠的水溶液，继续搅拌5～20min，得到混合均匀的溶液；

步骤3.将步骤2得到的混合均匀的溶液放入液氮中冷冻，得到聚苯乙烯修饰的三维石墨烯水凝胶；

步骤4.将聚苯乙烯修饰的三维石墨烯水凝胶进行冷冻干燥，得到聚苯乙烯修饰的三维石墨烯气凝胶；

步骤5.在氢氩混合气的保护气氛下，将聚苯乙烯修饰的三维石墨烯气凝胶在200℃下退火处理1～2h，得到所述聚苯乙烯修饰的三维石墨烯泡沫。

步骤1优选采用氧化剥离石墨法(Hummers法)制备氧化石墨烯溶液。

步骤1中，氧化石墨烯溶液的浓度优选7mg/mL。

步骤2中，聚苯乙烯的环己烷溶液的浓度优选为2.5～10mg/mL。

步骤2中，聚苯乙烯的质量与氧化石墨烯的质量比为1:2.3～9。

步骤2所得的混合均匀的溶液中，十二烷基磺酸钠的浓度为2.5～4mg/mL。

所述氢氩混合气中，氩气的体积与氢气的体积比为3～5:1。

有益效果

(1)本发明所述制备方法中使用的氧化石墨烯溶液以及聚苯乙烯简单易得，成本低，合成技术成熟，适合大批量生产；使用毒性很小的环己烷作为溶剂，环境友好。

(2)本发明所述制备方法简单、易操作，适于规模化生产；通过改变搅拌速率以及十二烷基磺酸钠的加入量，可以调节聚苯乙烯修饰的三维石墨烯泡沫的密度。

(3)本发明所述方法得到的聚苯乙烯修饰的三维石墨烯泡沫，具有有序的蜂窝状结构、质量轻、超压缩性能和优异的电化学性能等特点，并且维持了宏观上泡沫的结构，便于收集和使用；所制备的聚苯乙烯修饰的三维石墨烯泡沫可应用于吸油污材料、驱动器、弹性导体、压力传感器以及能源储存和转换材料方面。

附图说明

图1为实施例1制备的聚苯乙烯修饰的三维石墨烯泡沫的透射电子显微镜(TEM)图。