本發(fā)明公開了一種魔芋纖維/石墨烯氣凝膠的制備方法，屬于氣凝膠制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

氣凝膠于1931年被Kistler首次提出，它是一種超低密度、大孔體積、高比表面積的納米多孔固態(tài)材料。這些特征都歸因其納米顆粒相連所構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。一般來說，氣凝膠首先通過溶膠凝膠過程制得濕凝膠，然后經(jīng)溶劑交換過程除去網(wǎng)絡(luò)空隙中表面張力較大的溶劑，最后利用特殊干燥法（如超臨界二氧化碳干燥、冷凍干燥）來制得氣凝膠。由于氣凝膠具有以上獨特特征使得它在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如Cherenkov探測器、催化劑及其載體、吸附、能量儲存、電容器等。

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

石墨烯氣凝膠繼承了石墨烯和氣凝膠高比表面積、高孔隙率、高電導(dǎo)率以及良好的熱導(dǎo)率和機械強度等優(yōu)點，使其在學術(shù)領(lǐng)域引起了科研工作者的極大關(guān)注和研究。

由于石墨烯既不溶于很多溶劑也不能在高溫下熔化，給石墨烯復(fù)合物的制備造成了很大的困難，但是氧化石墨含有很多的含氧官能團（羥基、羧基、環(huán)氧基等），使得它能夠很容易地分散在水中，所以通常以氧化石墨為原料來制備石墨烯氣凝膠。目前制作石墨烯氣凝膠主要根據(jù)制備過程中是否需要黏接劑，將石墨烯氣凝膠的制備方法歸結(jié)為2類：一是以間苯二酚（R）和甲醛（F）經(jīng)過溶膠凝膠聚合形成的酚醛聚合物RF為黏接劑，經(jīng)過特殊干燥和高溫熱解還原制備石墨烯氣凝膠；二是通過水熱法直接由氧化石墨水分散液制得石墨烯氣凝膠。

目前最常使用黏接劑制成石墨烯氣凝膠的方法，但是氧化石墨烯與黏接劑發(fā)生反應(yīng)時，氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)單元發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致所生成的石墨烯氣凝膠中石墨烯的原本結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使石墨烯原有的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、力學等性能受到影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題：針對目前使用黏接劑制成石墨烯氣凝膠會造成氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)單元發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致所生成的石墨烯氣凝膠中石墨烯的原本結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使石墨烯原有的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、力學等性能受到影響的問題，提供一種魔芋纖維/石墨烯氣凝膠的制備方法。本發(fā)明先對石墨粉進行氧化反應(yīng)制備得氧化石墨烯，將氧化石墨粉末高溫還原得到石墨烯，分散在N,N-二甲基甲酰胺溶劑中得石墨烯分散液，將氧化石墨烯分散液與魔芋膠粉末混合后加入碳酸鈉、鄰苯二甲酸二辛酯攪拌反應(yīng)而后靜置形成凝膠狀態(tài)即可得到魔芋纖維/氧化石墨烯氣凝膠，本發(fā)明制備原料易得，成本低，利用魔芋膠粉末與石墨烯分散液混合，魔芋纖維溶脹后與石墨烯黏接，不僅不會破壞氣凝膠中石墨烯原本的結(jié)構(gòu)，而且得到的氣凝膠具有良好吸水性能、優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及力學性能，具有廣泛的市場前景。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

（1）稱取2～3g石墨粉放入三口燒瓶中，移入0～5℃冰水浴鍋中，邊攪拌邊緩慢滴加80～100mL質(zhì)量分數(shù)98%硫酸和10～15mL質(zhì)量分數(shù)85%磷酸溶液，控制滴加速度為4～6mL/min，滴加后加入12～15g高錳酸鉀，攪拌20～30min后移入水浴鍋中，在50～60℃溫度下攪拌反應(yīng)10～12h，反應(yīng)結(jié)束后升高水浴溫度至90～95℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)25～30min；

（2）上述反應(yīng)結(jié)束后取出燒瓶并放入冰水浴中，向燒瓶中加入4～6mL質(zhì)量分數(shù)30%的雙氧水，在-5～0℃溫度下攪拌混合40～50min后過濾得濾渣，將濾渣分別用質(zhì)量分數(shù)5%鹽酸和去離子水超聲清洗5～10min后離心分離得沉淀物，將沉淀物用質(zhì)量分數(shù)90%乙醇清洗3～5次后冷凍干燥后研磨、過篩得120～150目氧化石墨烯粉末；

（3）將上述氧化石墨粉末置于管式爐，加熱至400～500℃，在氬氣的保護下還原1～2h，即可得到石墨烯，按固液比1:5～10將石墨烯與N,N-二甲基甲酰胺溶劑混合，并在80～120KHz功率超聲處理1～2h，處理結(jié)束后去除下層沉淀物，得上層石墨烯分散液；

（4）稱取10～20g魔芋膠粉末，按固液比1:5與蒸餾水混合，機械攪拌5～10min后按體積比1:1加入上述氧化石墨烯分散液，超聲分散5～10min后向分散物中加入總質(zhì)量2～3%碳酸鈉、總質(zhì)量3～5%鄰苯二甲酸二辛酯，放入60～70℃的水浴鍋中攪拌反應(yīng)3～5h；

（5）待上述反應(yīng)完成后冷卻至室溫，并靜置20～30h形成凝膠狀態(tài)，即可得到魔芋纖維/石墨烯氣凝膠，將氣凝膠過濾取出后用去離子清洗3～5次，清洗后冷凍干燥即可得到魔芋纖維/石墨烯氣凝膠。

本發(fā)明的應(yīng)用方法是：將本發(fā)明制得的魔芋纖維/石墨烯氣凝膠作為儲能保溫材料制成保溫產(chǎn)品。將500mL水溫為100℃的水倒入保溫產(chǎn)品中，密封靜置12～24h后，打開測試溫度，經(jīng)檢測，溫度為90～95℃，保溫效果比市場上保溫產(chǎn)品高70%以上，具有優(yōu)異的保溫性能。

本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明制成的魔芋纖維/石墨烯氣凝膠與現(xiàn)有的采用交聯(lián)劑的制備方法相比，保持了石墨烯固有的結(jié)構(gòu)單元，使得石墨烯氣凝膠的性能更加優(yōu)良，可作為理想的儲能保溫材料；

（2）本發(fā)明魔芋纖維/石墨烯氣凝膠的制備方法簡單、制備工藝簡單，且所用原材料易于獲取，有效降低了制備成本。

具體實施方式

首先稱取2～3g石墨粉放入三口燒瓶中，移入0～5℃冰水浴鍋中，邊攪拌邊緩慢滴加80～100mL質(zhì)量分數(shù)98%硫酸和10～15mL質(zhì)量分數(shù)85%磷酸溶液，控制滴加速度為4～6mL/min，滴加后加入12～15g高錳酸鉀，攪拌20～30min后移入水浴鍋中，在50～60℃溫度下攪拌反應(yīng)10～12h，反應(yīng)結(jié)束后升高水浴溫度至90～95℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)25～30min；待上述反應(yīng)結(jié)束后取出燒瓶并放入冰水浴中，向燒瓶中加入4～6mL質(zhì)量分數(shù)30%的雙氧水，在-5～0℃溫度下攪拌混合40～50min后過濾得濾渣，將濾渣分別用質(zhì)量分數(shù)5%鹽酸和去離子水超聲清洗5～10min后離心分離得沉淀物，將沉淀物用質(zhì)量分數(shù)90%乙醇清洗3～5次后冷凍干燥后研磨、過篩得120～150目氧化石墨烯粉末；然后將上述氧化石墨粉末置于管式爐，加熱至400～500℃，在氬氣的保護下還原1～2h，即可得到石墨烯，按固液比1:5～10將石墨烯與N,N-二甲基甲酰胺溶劑混合，并在80～120KHz功率超聲處理1～2h，處理結(jié)束后去除下層沉淀物，得上層石墨烯分散液；再稱取10～20g魔芋膠粉末，按固液比1:5與蒸餾水混合，機械攪拌5～10min后按體積比1:1加入上述氧化石墨烯分散液，超聲分散5～10min后向分散物中加入總質(zhì)量2～3%碳酸鈉、總質(zhì)量3～5%鄰苯二甲酸二辛酯，放入60～70℃的水浴鍋中攪拌反應(yīng)3～5h；最后待上述反應(yīng)完成后冷卻至室溫，并靜置20～30h形成凝膠狀態(tài)，即可得到魔芋纖維/石墨烯氣凝膠，將氣凝膠過濾取出后用去離子清洗3～5次，清洗后冷凍干燥即可得到魔芋纖維/石墨烯氣凝膠。

實例1

首先稱取2g石墨粉放入三口燒瓶中，移入0℃冰水浴鍋中，邊攪拌邊緩慢滴加80mL質(zhì)量分數(shù)98%硫酸和10mL質(zhì)量分數(shù)85%磷酸溶液，控制滴加速度為4mL/min，滴加后加入12g高錳酸鉀，攪拌20min后移入水浴鍋中，在50℃溫度下攪拌反應(yīng)10h，反應(yīng)結(jié)束后升高水浴溫度至90℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)25min；待上述反應(yīng)結(jié)束后取出燒瓶并放入冰水浴中，向燒瓶中加入4mL質(zhì)量分數(shù)30%的雙氧水，在-5℃溫度下攪拌混合40min后過濾得濾渣，將濾渣分別用質(zhì)量分數(shù)5%鹽酸和去離子水超聲清洗5min后離心分離得沉淀物，將沉淀物用質(zhì)量分數(shù)90%乙醇清洗3次后冷凍干燥后研磨、過篩得120目氧化石墨烯粉末；然后將上述氧化石墨粉末置于管式爐，加熱至400℃，在氬氣的保護下還原1h，即可得到石墨烯，按固液比1:5將石墨烯與N,N-二甲基甲酰胺溶劑混合，并在800KHz功率超聲處理1h，處理結(jié)束后去除下層沉淀物，得上層石墨烯分散液；再稱取100g魔芋膠粉末，按固液比1:5與蒸餾水混合，機械攪拌5min后按體積比1:1加入上述氧化石墨烯分散液，超聲分散5min后向分散物中加入總質(zhì)量2%碳酸鈉、總質(zhì)量3%鄰苯二甲酸二辛酯，放入60℃的水浴鍋中攪拌反應(yīng)3h；最后待上述反應(yīng)完成后冷卻至室溫，并靜置20h形成凝膠狀態(tài)，即可得到魔芋纖維/石墨烯氣凝膠，將氣凝膠過濾取出后用去離子清洗3次，清洗后冷凍干燥即可得到魔芋纖維/石墨烯氣凝膠。

本實例操作簡便，將本發(fā)明制得的魔芋纖維/石墨烯氣凝膠作為儲能保溫材料制成保溫產(chǎn)品。將500mL水溫為100℃的水倒入保溫產(chǎn)品中，密封靜置12h后，打開測試溫度，經(jīng)檢測，溫度為95℃，保溫效果比市場上保溫產(chǎn)品高70%，具有優(yōu)異的保溫性能。

實例2

首先稱取2.5g石墨粉放入三口燒瓶中，移入3℃冰水浴鍋中，邊攪拌邊緩慢滴加90mL質(zhì)量分數(shù)98%硫酸和13mL質(zhì)量分數(shù)85%磷酸溶液，控制滴加速度為5mL/min，滴加后加入14g高錳酸鉀，攪拌25min后移入水浴鍋中，在50～60℃溫度下攪拌反應(yīng)11h，反應(yīng)結(jié)束后升高水浴溫度至93℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)28min；待上述反應(yīng)結(jié)束后取出燒瓶并放入冰水浴中，向燒瓶中加入5mL質(zhì)量分數(shù)30%的雙氧水，在-3℃溫度下攪拌混合45min后過濾得濾渣，將濾渣分別用質(zhì)量分數(shù)5%鹽酸和去離子水超聲清洗8min后離心分離得沉淀物，將沉淀物用質(zhì)量分數(shù)90%乙醇清洗4次后冷凍干燥后研磨、過篩得135目氧化石墨烯粉末；然后將上述氧化石墨粉末置于管式爐，加熱至450℃，在氬氣的保護下還原1.5h，即可得到石墨烯，按固液比1:8將石墨烯與N,N-二甲基甲酰胺溶劑混合，并在100KHz功率超聲處理1.5h，處理結(jié)束后去除下層沉淀物，得上層石墨烯分散液；再稱取15g魔芋膠粉末，按固液比1:5與蒸餾水混合，機械攪拌8min后按體積比1:1加入上述氧化石墨烯分散液，超聲分散8min后向分散物中加入總質(zhì)量2.5%碳酸鈉、總質(zhì)量4%鄰苯二甲酸二辛酯，放入65℃的水浴鍋中攪拌反應(yīng)4h；最后待上述反應(yīng)完成后冷卻至室溫，并靜置25h形成凝膠狀態(tài)，即可得到魔芋纖維/石墨烯氣凝膠，將氣凝膠過濾取出后用去離子清洗4次，清洗后冷凍干燥即可得到魔芋纖維/石墨烯氣凝膠。

本實例操作簡便，將本發(fā)明制得的魔芋纖維/石墨烯氣凝膠作為儲能保溫材料制成保溫產(chǎn)品。將500mL水溫為100℃的水倒入保溫產(chǎn)品中，密封靜置18h后，打開測試溫度，經(jīng)檢測，溫度為93℃，保溫效果比市場上保溫產(chǎn)品高75%，具有優(yōu)異的保溫性能。

實例3

首先稱取3g石墨粉放入三口燒瓶中，移入5℃冰水浴鍋中，邊攪拌邊緩慢滴加100mL質(zhì)量分數(shù)98%硫酸和15mL質(zhì)量分數(shù)85%磷酸溶液，控制滴加速度為6mL/min，滴加后加入15g高錳酸鉀，攪拌30min后移入水浴鍋中，在60℃溫度下攪拌反應(yīng)12h，反應(yīng)結(jié)束后升高水浴溫度至95℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)30min；待上述反應(yīng)結(jié)束后取出燒瓶并放入冰水浴中，向燒瓶中加入6mL質(zhì)量分數(shù)30%的雙氧水，在0℃溫度下攪拌混合50min后過濾得濾渣，將濾渣分別用質(zhì)量分數(shù)5%鹽酸和去離子水超聲清洗10min后離心分離得沉淀物，將沉淀物用質(zhì)量分數(shù)90%乙醇清洗5次后冷凍干燥后研磨、過篩得150目氧化石墨烯粉末；然后將上述氧化石墨粉末置于管式爐，加熱至500℃，在氬氣的保護下還原2h，即可得到石墨烯，按固液比1:10將石墨烯與N,N-二甲基甲酰胺溶劑混合，并在120KHz功率超聲處理2h，處理結(jié)束后去除下層沉淀物，得上層石墨烯分散液；再稱取20g魔芋膠粉末，按固液比1:5與蒸餾水混合，機械攪拌10min后按體積比1:1加入上述氧化石墨烯分散液，超聲分散10min后向分散物中加入總質(zhì)量3%碳酸鈉、總質(zhì)量5%鄰苯二甲酸二辛酯，放入70℃的水浴鍋中攪拌反應(yīng)5h；最后待上述反應(yīng)完成后冷卻至室溫，并靜置30h形成凝膠狀態(tài)，即可得到魔芋纖維/石墨烯氣凝膠，將氣凝膠過濾取出后用去離子清洗5次，清洗后冷凍干燥即可得到魔芋纖維/石墨烯氣凝膠。

本實例操作簡便，將本發(fā)明制得的魔芋纖維/石墨烯氣凝膠作為儲能保溫材料制成保溫產(chǎn)品。將500mL水溫為100℃的水倒入保溫產(chǎn)品中，密封靜置24h后，打開測試溫度，經(jīng)檢測，溫度為90℃，保溫效果比市場上保溫產(chǎn)品高80%，具有優(yōu)異的保溫性能。