[发明专利]碳纤维复合石墨烯气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳纤维复合石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。该制备方法包括：(1)将碳纤维、表面活性剂、氧化石墨烯、还原剂与水混合形成混合分散液；(2)将混合分散液搅拌发泡，得到混合泡沫；(3)将混合泡沫在65～100℃下进行反应2～12h，冷却至15～35℃，得到碳纤维复合石墨烯水凝胶；(4)将碳纤维复合石墨烯水凝胶在‑10～‑60℃下冷冻处理，然后进行常压干燥处理，再在450～1000℃退火处理，得到碳纤维复合石墨烯气凝胶。本发明的石墨烯气凝胶具有较高的弹性及疏水性能。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

气凝胶，是一种具有三维网络状结构的材料，其孔隙率可达99.8％，又称冷冻的烟。气凝胶自出现以来，因其低密度、高孔隙率、高比表面积、低热导率、低声传播速度等特性，在隔热、吸附、航空航天、新能源、环保、催化、医学、科学研究等领域有广阔的应用前景。目前制约气凝胶市场扩展的最大障碍是高昂的价格。

石墨烯是由碳原子经过sp2杂化得到的二维蜂窝状碳晶体结构材料，相当于将三维的石墨剥离形成的单片层石墨。石墨烯具有许多优良的性能，如单层的石墨烯具有良好的透光性，超强的机械强度，良好的导电性，超高的比表面积等。石墨烯气凝胶是以二维石墨烯作为构筑单元，通过纳米片之间的卷曲和堆叠，形成的独特三维结构材料，兼具石墨烯和气凝胶的双重特性，既具有石墨烯的机械稳定性和疏水性，又具有气凝胶的超轻和高空隙率特性，对石油和工业有机溶剂具有又快又高的吸附力。但是，纯石墨烯气凝胶的机械性能和三维骨架的抗疲劳性能差，容易被破碎；在实际的油水分离和有机溶剂的吸附上适用性较低，而且由于现有的制备方法工艺复杂，制备成本高，大大限制了它的工业化应用。

CN109292754A公开了一种聚乙烯亚胺改性石墨烯气凝胶的制备方法，通过将聚乙烯亚胺水溶液逐滴加入到氧化石墨烯水分散液中搅拌均匀后得到聚乙烯亚胺-氧化石墨烯分散液，然后再加入还原剂在高压反应釜中进行还原反应，得到聚乙烯亚胺改性石墨烯气凝胶，但是该方法对设备要求高，耗能高，制备的石墨烯气凝胶弹性差，在施加压力时易出现裂纹。CN109096526A公开了一种氧化石墨烯气凝胶、还原氧化石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，通过制备氧化石墨烯-双电性甲壳素纳米纤维杂化粒子的悬浮液，流延成膜，在经过干燥-膨胀剂中浸泡-干燥步骤获得氧化石墨烯气凝胶。该方法通过水合肼膨胀剂进行膨胀，对环境污染严重；而且得到的石墨烯气凝胶机械强度和疏水性能不佳。

由此，研发一种兼顾机械强度和弹性制的吸附材料，可重复循环使用降低成本，十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种碳纤维复合石墨烯气凝胶的制备方法，能够低成本制备一种兼顾机械强度和弹性的石墨烯气凝胶。

本发明的另一个目的在于提供一种碳纤维复合石墨烯气凝胶，其具有较高的弹性和机械强度、较高的吸附性能，相对传统石墨烯气凝胶制备成本低。

本发明的再一个目的在于提供一种碳纤维复合石墨烯气凝胶在油水分离领域中的应用。

本发明采用如下技术方案实现上述目的。

一方面，本发明提供一种碳纤维复合石墨烯气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)将碳纤维、表面活性剂、氧化石墨烯、还原剂与水混合形成混合分散液；

(2)将混合分散液搅拌发泡，得到混合泡沫；

(3)将混合泡沫在65～100℃下进行反应2～12h，冷却至15～35℃，得到碳纤维复合石墨烯水凝胶；

(4)将碳纤维复合石墨烯水凝胶在-10～-60℃下冷冻处理，然后进行常压干燥处理，再在450～1000℃退火处理，得到碳纤维复合石墨烯气凝胶。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(1)中，采用超声波处理所述混合分散液，超声波处理时间为0.5～5h。