本發(fā)明屬于新型功能海綿及泡沫的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳摻雜海綿及泡沫材料的制備方法。

背景技術(shù)：

海綿及泡沫塑料，由于其質(zhì)輕、多孔、堅(jiān)固、吸音、減震、易成型、良好的透氣性及絕熱性、價(jià)格低等特點(diǎn)，世界范圍內(nèi)，其在汽車工業(yè)、電池工業(yè)、化妝品行業(yè)、服飾制造業(yè)、餐飲業(yè)、環(huán)保行業(yè)及高檔家具制造業(yè)等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

碳素材料在硬度、耐熱性、光學(xué)特性、耐輻射特性、耐化學(xué)藥品特性、電絕緣性、導(dǎo)電性、表面與界面特性等方面有著優(yōu)異的特性表現(xiàn)，如最硬-最軟，絕緣體-半導(dǎo)體-良導(dǎo)體，絕熱-良導(dǎo)熱，全吸光-全透光等，因此碳材料功能多樣，用途廣泛。

作為碳素材料的典型代表，二維材料石墨烯自2004年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，就以其超高的電導(dǎo)率、高強(qiáng)度、高彈性、超輕、超薄、超硬、高光透過(guò)率等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到極大的關(guān)注。近年來(lái)，大量研究表明，石墨烯及其衍生物，如氧化石墨、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、石墨微片等碳基材料在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲(chǔ)能、環(huán)保和傳感等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

在環(huán)保領(lǐng)域，如專利CN 103342827 B公開(kāi)了一種疏水親油性聚氨酯海綿的制備方法，該發(fā)明將經(jīng)丙酮和去離子水超聲清洗的聚氨酯海綿浸泡入少層石墨烯納米片層的乙醇溶液中，以制備疏水親油性聚氨酯海綿，盡管其吸油倍率為43，但緊靠浸泡而使石墨烯負(fù)載于聚氨酯海綿骨架的表層，其結(jié)合度并不牢固，在使用過(guò)程中石墨烯片層容易脫離，尤其在當(dāng)通過(guò)擠壓方式實(shí)現(xiàn)油品回收的情況，不但造成海綿使用壽命的降低，更由于石墨烯的脫落，造成水體及回收油品的二次污染。再如專利CN 103626171 B公開(kāi)了一種油水分離材料的制備方法，即將海綿材料浸泡于氧化石墨烯溶液中，經(jīng)離心后得氧化石墨烯包覆海綿材料，再把所得包覆海綿材料在還原劑的作用下將氧化石墨烯還原，最終得到油水分離材料，雖然氧化石墨烯經(jīng)過(guò)還原，但使用過(guò)程中負(fù)載物的脫離問(wèn)題同樣不可避免。

通過(guò)浸泡、浸漬、噴涂、涂覆等非原位的方式，將石墨烯及其衍生物或其他碳素材料負(fù)載于海綿或泡沫內(nèi)部孔道及骨架表面以制備功能性海綿及泡沫材料，負(fù)載物與載體的結(jié)合不牢固問(wèn)將題伴隨著材料的整個(gè)使用過(guò)程，不但降低了材料的使用壽命及性能的快速衰減，也帶來(lái)了如二次污染等新問(wèn)題。鑒于此，發(fā)明一種避免負(fù)載物脫離載體的方法來(lái)制備碳基功能海綿及泡沫材料，無(wú)疑將會(huì)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種碳基海綿及泡沫材料的制備方法，通過(guò)將碳基材料先直接摻雜聚合預(yù)聚體或聚合單體，而后再進(jìn)行聚合實(shí)現(xiàn)將一種或多種碳基材料均勻地?fù)诫s于海綿及泡沫材料的骨架內(nèi)，提高碳基材料和海綿及泡沫骨架結(jié)合的牢度，避免摻雜碳基材料脫落。以期實(shí)現(xiàn)所制備的碳基海綿及泡沫材料可直接或加工后用于油水分離、防靜電、吸波、吸音、阻燃、防護(hù)、電容去離子脫鹽、超級(jí)電容器、催化劑載體、海水淡化、電磁屏蔽等領(lǐng)域。

本發(fā)明解決上述問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種碳基海綿及泡沫材料的制備方法，將低溫氧等離子體表面枝接技術(shù)預(yù)處理的或表面活性劑修飾的碳基材料均勻分散到海綿及泡沫的預(yù)聚體或海綿及泡沫的聚合單體原料和溶劑中，通過(guò)海綿及泡沫的發(fā)泡工藝實(shí)現(xiàn)已分散的碳基材料對(duì)海綿及泡沫底材骨架的原位摻雜，制得碳基原位摻雜的海綿及泡沫材料。

優(yōu)選地，所述碳基材料選自石墨烯、氧化石墨、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、石墨粉、石墨微片、碳納米管、活性炭、介孔碳、碳纖維、富勒烯、炭黑、乙炔黑、科琴黑、Super P炭黑中的一種或兩種以上。

優(yōu)選地，所述的海綿選自聚酯海綿、聚醚海綿、聚乙烯醇海綿、橡膠海綿、三聚氰胺海綿的海綿預(yù)聚體。

優(yōu)選地，所述的泡沫選自聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、酚醛樹(shù)脂泡沫。

優(yōu)選地額，所述的聚合單體原料和溶劑，其中溶劑為醇與水的混合溶劑或甲醛，醇選自異丙醇、甲醇或乙醇，接枝效果：異丙醇>甲醇>乙醇。

上述的碳基海綿及泡沫材料的制備方法具體包括如下步驟：

（1）碳基材料的親水性預(yù)處理：采用低溫等離子體表面枝接技術(shù)對(duì)碳基材料預(yù)處理，輻照功率為50-320 W，輻照時(shí)間為1 min -10 min，真空度為20 Pa-100 Pa；

（2）碳基材料的分散：將親水性預(yù)處理的碳基材料的一種或兩種以上的混合物加入到海綿及泡沫的預(yù)聚體或海綿及泡沫的聚合單體原料和溶劑中，碳基材料的添加量相對(duì)于海綿及泡沫預(yù)聚體或海綿及泡沫聚合單體的0.01% - 10%的質(zhì)量比例，攪拌5-250 min，超聲5-150min，過(guò)程溫度保持在5-80℃；

（3）依照傳統(tǒng)海綿及泡沫的發(fā)泡工藝，將步驟2所得物料進(jìn)行發(fā)泡制備碳基海綿及泡沫材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）本方法屬于制備碳基材料摻雜的海綿及泡沫的一種通用方法，即將預(yù)處理后的碳基材料直接分散于海綿及泡沫的預(yù)聚體或聚合單體和溶劑中，再通過(guò)傳統(tǒng)的發(fā)泡工藝，實(shí)現(xiàn)碳基材料對(duì)海綿及泡沫材料骨架的原位摻入，提高碳基材料在海綿及泡沫基材中分布均勻性和結(jié)合牢度。

（2）本發(fā)明使用低溫氧等離子體表面枝接技術(shù)對(duì)碳基材料進(jìn)行預(yù)處理，氧等離子的處理會(huì)改變或活化碳基材料表面的基團(tuán)，提高親水性活性基團(tuán)的數(shù)量及種類，由此使其與海綿或泡沫的預(yù)聚體或聚合單體和溶劑的相容性增強(qiáng)，進(jìn)而提高碳基材料在預(yù)聚體或溶劑中的分散性，為發(fā)泡后獲得碳基材料均勻分布的海綿或泡沫提供了前提。此外，重要的一點(diǎn)，氧等離子處理后的碳基材料與預(yù)聚體或聚合單體的不飽和鍵或支鏈之間的接枝率會(huì)進(jìn)一步顯著提高，形成化學(xué)結(jié)合，提高整個(gè)泡沫或海綿材料的活性效果。

（3）本方法可實(shí)現(xiàn)一種或多種碳基材料同時(shí)均勻地?fù)饺牒＞d及泡沫的材質(zhì)中，且所得材料的機(jī)械性能好，尤其避免了在使用過(guò)程中摻入碳質(zhì)的脫落問(wèn)題。

（4）本方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、利用傳統(tǒng)的海綿及泡沫材料的發(fā)泡工藝即可實(shí)施。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

在25℃溫度條件下，首先使用聚醚型表面活性劑對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行表面修飾，以提高其親水性，后加入聚醚海綿預(yù)聚體-聚醚多元醇中，快速攪拌30 min并超聲20 min，該過(guò)程溫度控制為25℃，使氧化石墨烯均勻分散，其中氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %，再按傳統(tǒng)的聚醚海綿的發(fā)泡工藝發(fā)泡，制備氧化石墨烯原位摻雜的碳基聚醚海綿。

實(shí)施例2

在25℃溫度條件下，將還原氧化石墨烯粉末加入聚酯多元醇中，劇烈攪拌20 min并超聲10 min，使還原氧化石墨烯均勻的分散，其中還原氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %，以聚酯多元醇為發(fā)泡原料之一，添加異氰酸酯、水、催化劑、表面活性劑及其他添加劑等后繼續(xù)攪拌，按傳統(tǒng)的聚酯海綿的發(fā)泡工藝進(jìn)行發(fā)泡，制備還原氧化石墨烯原位摻雜的還原氧化石墨烯基聚酯海綿。

實(shí)施例3

在25℃溫度條件下，將親水性預(yù)處理后的石墨烯及碳納米管按質(zhì)量比1:1進(jìn)行混合，加入三聚氰胺海綿預(yù)聚體-三聚氰胺-甲醛樹(shù)脂中，快速攪拌30 min并超聲10 min，使石墨烯及碳納米管均勻的分散，其中石墨烯及碳納米管的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %，再按傳統(tǒng)的三聚氰胺海綿的發(fā)泡工藝發(fā)泡，制備石墨烯及碳納米管混合物原位摻雜的石墨烯及碳納米管基三聚氰胺海綿。

石墨烯及碳納米管的混合物的預(yù)處理是采用低溫氧等離子體表面枝接技術(shù)的預(yù)處理，其工藝參數(shù)為輻照功率240 W，輻照時(shí)間3 min，真空度70 Pa。

實(shí)施例4

具體實(shí)施參照實(shí)施例3，不同之處在于將石墨烯及碳納米管的1：1混合物，加入到甲醛溶液或三聚氰胺溶液中，再制備石墨烯及碳納米管混合物均勻分散的三聚氰胺-甲醛樹(shù)脂用于三聚氰胺海綿的發(fā)泡。

實(shí)施例5

在25℃溫度條件下，將Super P炭黑加入甲階可發(fā)性酚醛樹(shù)脂經(jīng)充分?jǐn)嚢韬笫蛊渚鶆蚍稚⑵渲?，其中Super P炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5 %，按傳統(tǒng)的酚醛樹(shù)脂泡沫塑料的發(fā)泡工藝制備石Super P炭黑原位摻雜的Super P炭黑基三聚氰胺海綿。

該實(shí)施例中Super P炭黑的氧低溫離子體的預(yù)處理?xiàng)l件：輻照功率為180 W，輻照時(shí)間2 min，真空度60 Pa。

實(shí)施例6

具體實(shí)施參照實(shí)施例5，不同之處在于將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 %石墨烯微片均勻分散到苯酚或甲醛溶液中，經(jīng)堿催化縮合，制備石墨微片分散的甲階可發(fā)性酚醛樹(shù)脂，再經(jīng)發(fā)泡工藝獲得石墨烯微片基酚醛樹(shù)脂泡沫。

本實(shí)施例中的石墨烯微片的低溫氧等離子預(yù)處理過(guò)程參照實(shí)施例3進(jìn)行。

除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還包括有其他實(shí)施方式，凡采用等同變換或者等效替換方式形成的技術(shù)方案，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。