[发明专利]一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材及其制备方法，本发明从稻草秸秆中提取纤维素，将纤维素在浓硫酸中进行处理制得纤丝；然后将纤丝溶解于NaOH/1，4‑丁二醇二缩水甘油醚/水混合溶液，同时在混合溶剂中加入石墨烯粉末并放入模具，制得湿凝胶，湿凝胶冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶板材；最后将纤维素基气凝胶板材进行预氧化和碳化，得到高强碳纤维气凝胶板材。本发明的纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的抗压强度达到50MPa以上，说明其抗压强度相当高。本发明的纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的制备方法简单，原料来源广泛，其在板材应用领域具有很好的应用与推广前景。

技术领域

本发明属于碳纤维气凝胶板材的制备技术领域，具体涉及一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材及其制备方法。

背景技术

碳气凝胶是一种新型轻质多孔多功能性气凝胶，与其它材料的气凝胶相比，碳气凝胶具有更加优异的性能，如：质量轻、强度可控和比表面积大等优点。碳气凝胶作为多功能性的新材料，其具有很大的市场前景和潜在价值。但是，碳气凝胶具有原材料贵、生产工艺复杂、制备周期长、大规模生产难等不利因素，导致其存在产量低、成本高、产业化推进慢等一系列困难。因此，急需寻求一种经济环保、制备工艺简单和原材料来源广泛的碳气凝胶制备工艺。

纤维素是地球上储量最丰富的生物质，其来源广泛、可再生能力强、价格低廉；此外，纤维素具有良好的生物相容性、降解性好、高比强度和模量等优点，因此，其具有成为制备碳气凝胶的优良潜质。因此，分析认为，以纤维素为原材料的碳气凝胶在绿色环保材料方面将有不可估量的应用价值和商业价值。

碳纤维具有很好的强力性能，碳气凝胶是一种三维网状结构，其力学性能理论上可以达到很高的性能。目前，碳气凝胶受到广泛的研究，中国发明专利申请号201810523261.X报道了一种芳杂环纤维基纳米碳纤维气凝胶材料的制备方法，但是，该气凝胶含有一定比例的氮元素，影响了碳元素含量纯度；中国发明专利申请号201410111598.1报道了一种利用甘蔗渣制备超级电容器碳气凝胶的方法。从目前的碳气凝胶的报道来看，具有高强力性能的碳气凝胶鲜有报道。

发明内容

针对气凝胶材料强度弱的特点，本发明拟提出解决方案，即在碳纤维气凝胶材料中掺加石墨烯，从而实现制备的碳纤维气凝胶材料的含碳量较高。本发明的目的是克服以往技术的不足，提供一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材及其制备方法。本发明的技术方法为碳纤维气凝胶强度的增强提供解决方法。

本发明的目的在于提供一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材，该气凝胶板材首先是从稻草秸秆中提取纤维素，将纤维素在浓硫酸中进行处理制得纤丝；然后将纤丝溶解后与石墨烯粉末混合放入模具，制得湿凝胶，湿凝胶冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶板材；最后将纤维素基气凝胶板材进行预氧化和碳化，得到高强碳纤维气凝胶板材。

本发明的另一目的在于提供上述所述一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)纤维素/石墨烯气凝胶的制备：将稻草秸秆中的纤维素在浓硫酸中进行处理，处理温度为50～60℃，处理时间为2～3小时,制得纤丝；将纤丝溶于NaOH/1,4-丁二醇二缩水甘油醚/水混合溶液体系，SnCl₄为催化剂，不断搅拌，同时加入石墨烯粉，直到部分溶液生成湿凝胶，将湿凝胶和剩余溶液转移至模具，放置3～4天待溶液完全生成湿凝胶；然后用去离子水中多次洗涤，在－55～－60℃下冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶板材；

优选地，所述步骤(1)中模具的尺寸为：160cm×40cm×40cm(长×宽×高)；