CN106279790A - 三维多孔魔芋葡甘聚糖‑氧化石墨烯海绵的制备方法 - Google Patents
三维多孔魔芋葡甘聚糖‑氧化石墨烯海绵的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种三维多孔魔芋葡甘聚糖‑氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：(1)配制氧化石墨烯溶液；(2)将魔芋葡甘露聚糖溶液加入氧化石墨烯溶液中，搅拌，脱泡，得到混合溶液；(3)将混合溶液加入碱性溶液中浸泡，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖‑氧化石墨烯海绵。本发明制备的魔芋葡甘聚糖‑石墨烯海绵具有孔洞分布均匀有序，孔隙率高，密度小，吸水性强，天然可降解的特点，可广泛应用于液体过滤、净化分离、吸声减震、化妆品、外包装材料等方面。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料制备领域，具体涉及一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法。
背景技术
海绵作为一种多孔弹性材料,也称软质泡沫材料,在日常生活中应用广泛,普遍用作多孔吸水材料和减震包装材料。目前市售多为合成高分子制备的海绵,主要成分为聚苯乙烯、聚氨酯等物质。虽然该类海绵制品生产技术发展已较为成熟,产量和消耗量巨大,但原料来源为不可再生的石油资源,生产过程不环保,海绵废弃后不易降解,长期不加节制的生产、消耗和废弃该类海绵,必将给生态环境和人类健康带来严重危害。
葡甘聚糖(KGM)是魔芋的主要成分。我国是魔芋的原产地之一，也是主要的产出中心。早在2000多年之前，我国已经开始种植、食用魔芋，魔芋在我国主要分布在西南部地区及长江流域。魔芋是目前为止唯一能够提取大量的葡甘聚糖的作物。对魔芋开发研究最早的是日本，不管是从广度还是深度而言，日本对魔芋的研究一直处在世界的领先位置。从上世纪20、30年代，日本就开始对魔芋的种植及后续的加工利用进行了研究，但是日本主要研究魔芋的食用功能，充分利用魔芋的性质，开发作为理想的低热量、低脂肪的膳食纤维。我国对魔芋的研究从上世纪80年代开始，深化了魔芋物理化学性质的研究，并开发出更多的功能。相较日本而言，我国的研究更多集中在魔芋的药用价值以及进一步深加工利用等方面。魔芋的开发利用价值由其所蕴含的葡甘聚糖的活性决定，其含量最低在40％左右，而最高可达到90％以上。淀粉在魔芋块茎中的含量能占到15％，是第二大类物质。另外，魔芋中还含有多种氨基酸(含量高于甘薯、马铃薯等农作物)、矿物质(如钙、铁等)、维生素(如维生素A)和皂甙(一种微毒性物质，食用后会引起麻痹)。魔芋葡甘露聚糖是继淀粉、纤维素之后的又一种生物可降解的天然大分子材料，由甘露糖和葡萄糖聚合而成。魔芋葡甘露聚糖的特殊结构，使其具有很多优良的性能，如优良的吸湿性能、良好的水溶性等。
氧化石墨烯(GO)是在2004年由英国学者在实验室首次发现的石墨烯(Graphene)基础上经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。但是，早在1860年就有关于氧化石墨制备的报道,之后科研工作者们通过对强氧化条件的变换、探索,发展了若干不同的方法,主要有Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法等,目前最常用作石墨稀制备的是改进的Hummers法即通过预氧化、氧化两步来得到氧化石墨。在制得氧化石墨后，含氧官能团的介入使得石墨片层间的距离显著增大,但仍有部分范德华力将若干片层连在一起,因此想要得到单层的氧化石墨稀产物,还需要施加一定的外力,即借助一定的剥离手段来解除这种层间的作用力。目前报道的剥离氧化石墨的方法主要有热膨胀法、低温剥离法、超声分散法等,其中超声剥离法由于操作简单、超声剥离过程屮不发生化学变化、剥离的程度相对较高且可通过简单控制超声时间及超声功率来大致控制产物片层的大小等优势,因而得到最为广泛的应用。
魔芋葡甘露聚糖石墨烯海绵是在传统天然魔芋海绵制备技术基础上延伸发展得来，即在天然魔芋海绵制作过程中加入氧化石墨烯并采用冰模定向冷冻法在一定条件下使氧化石墨烯通过自组装实现对天然魔芋葡甘露聚糖的复合从而制备出可降解的三维有序多孔魔芋葡甘露聚糖石墨烯海绵。2013年国内王恒洲等对魔芋葡甘露聚糖薄膜和海绵材料的制备及性能进行了研究；2014年哈尔滨工业大学的李宜彬等掌握了“一种基于传统海绵为模板制备石墨烯海绵的方法”并申请了发明专利；2014年中国科学技术大学的俞书宏教授和他的同事们在《Maiterials Horizons》上发表文章“A shape-memory scaff oldformacroscale assembly of functional nanoscale building blocks”介绍了一种通过冰模法使一个简单的形状记忆聚合物Scaff旧壳聚糖作为一个广泛的功能性纳米粒子的主机实现从纳米到宏观的自组装方法。但结合目前的研究现状来看，国内外研究人员主要将精力集中在葡甘聚糖成膜或石墨烯及其功能化应用研究方面，没有针对将两者进行有效融合的应用研究。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声4～6小时，得到均匀分散的质量分数为1～3％的氧化石墨烯溶液；
步骤二、将质量分数为0.1～1.5％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入氧化石墨烯溶液中，搅拌3～5小时，脱泡，得到混合溶液；所述魔芋葡甘露聚糖溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为30～80:1；
步骤三、将混合溶液加入碱性溶液中浸泡3～8天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在50～100℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵。
优选的是，所述超声的功率为1000～1500W，超声频率为30～50KHz。
优选的是，所述碱性溶液的质量分数为6％～10％；所述碱性溶液为氢氧化钠溶液、尿素溶液、氢氧化钾溶液、重量比为1:2:1的氢氧化钾、尿素、碳酸钠中的任意一种。
优选的是，所述步骤一中，氧化石墨烯溶液的制备过程中加入分散剂；所述加入的分散剂的重量占氧化石墨烯重量的1/8～1/6；所述分散剂为氯化1-烯丙基-3-乙烯基咪唑、氯化1-苄基-2,3-二甲基咪唑、N-己基-3-甲基吡啶四氟硼酸盐、氯化1-环氧丙基-3-甲基咪唑、溴化1-乙腈基-3-乙烯基咪唑中的一种。
优选的是，所述脱泡采用超声脱泡，超声脱泡的超声功率为1000～1500W，超声频率为30～50KHz，超声时间为10～30min。
优选的是，所述冷冻干燥包括以下步骤：
步骤Ⅰ、预冷冻：冷冻温度-20～-30℃，冷冻时间7～8小时；
步骤Ⅱ、将预冷冻后的材料升温至25℃，保持5～8小时，然后加入真空冷冻干燥机中，设置冷阱温度为-70～-90℃，真空度为40～80pa，冷冻干燥时间12-24h。
优选的是，所述魔芋葡甘聚糖采用改性魔芋葡甘露聚糖；所述改性魔芋葡甘露聚糖的制备方法为：在超临界反应装置中加入魔芋葡甘聚糖5～8份、丙烯酰胺15～20份、过硫酸铵0.01～0.05份、水100～150份，搅拌均匀，然后将体系密封，通入二氧化碳至40～60MPa、温度70～80℃下的条件下搅拌反应1～3小时，卸压，然后用乙醇沉淀，在70℃下真空干燥，得到反应粗产物，用索氏提取器将粗产物用水洗提直至除去反应产生的均聚物，在65℃下真空干燥24小时，得到改性魔芋葡甘露聚糖。
优选的是，将步骤二的过程替换为：将氧化石墨烯溶液加入超临界反应装置中，并加入质量分数为0.1～1.5％的魔芋葡甘聚糖溶液，在体系密封后通入二氧化碳至20～40MPa、温度30～60℃的条件下搅拌反应30～90min，然后卸去二氧化碳压力，温度为30～40℃，搅拌10～20min，然后再次注入二氧化碳至压力为50～70MPa、温度30～60℃的条件下搅拌30～60min，卸压，脱泡，得到混合溶液；所述魔芋葡甘露聚糖溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为30～80:1。
优选的是，将步骤三中的混合溶液加入碱性溶液中浸泡3～8天的过程替换为：将混合溶液采用电喷方法喷射到盛有碱性溶液的接收装置中，以300～500r/min的速度搅拌30～60min，然后浸泡3～8天；所述电喷方法为：将混合溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的混合溶液通过不锈钢喷头喷射至盛有碱性溶液的接收装置中，并在喷射过程中以300～500r/min的速度搅拌碱性溶液；电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为40～80℃、高压电源的输出电压为3～8kv、接收装置与不锈钢喷头之间距离为8～12cm、流速为5～10mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1～2mm。
优选的是，在所述步骤二的混合溶液中加入致孔剂；所述致孔剂的重量占魔芋葡甘聚糖重量的1/10～1/5；所述致孔剂由1～5重量份的十二烷基苯磺酸钠、3～5重量份的纳米碳酸钙和1～3重量份的碳酸氢铵组成。
本发明至少包括以下有益效果：本发明通过冰模定向冷冻法(将混合溶液加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻)制备三维有序多孔结构魔芋葡甘聚糖-石墨烯海绵，它是制备三维有序多孔纳米复合材料的一种有效方法。在混合物水溶液中利用液氮或其他方法施加温度梯度，使得溶剂结冰，形成的冰晶会沿温度梯度方向生长，并产生周期性的有序排列，同时混合物溶质将与冰产生物相分离，将溶质富集在冰晶之间。在通过冷冻干燥的方法除去冰晶体，即得到具有三维有序多孔结构的纳米复合材料。本发明制备的魔芋葡甘聚糖-石墨烯海绵具有孔洞分布均匀有序，孔隙率高，密度小，吸水性强，天然可降解的特点，可广泛应用于液体过滤、净化分离、吸声减震、化妆品、外包装材料等方面。该方法工艺简单、产品开发应用性强、低成本、无污染，具有独特的应用视角和市场前瞻性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声4小时，得到均匀分散的质量分数为1％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1000W，超声频率为30KHz；
步骤二、将300mL质量分数为0.1％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌3小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为6％的氢氧化钠溶液中浸泡3天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在50℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：93％、弯曲强度：201.3MPa、弯曲模量：6.2GPa。
实施例2：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声6小时，得到均匀分散的质量分数为3％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1500W，超声频率为50KHz；
步骤二、将800mL质量分数为1.5％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌5小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为10％的氢氧化钠溶液中浸泡8天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在100℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：93.2％、弯曲强度：202.8MPa、弯曲模量：6.8GPa。
实施例3：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声5小时，得到均匀分散的质量分数为2％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1200W，超声频率为40KHz；
步骤二、将500mL质量分数为1％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌4小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为8％的氢氧化钠溶液中浸泡6天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在70℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：93.8％、弯曲强度：201.8MPa、弯曲模量：6.5GPa。
实施例4：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，并加入分散剂氯化1-烯丙基-3-乙烯基咪唑，超声5小时，得到均匀分散的质量分数为2％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1200W，超声频率为40KHz；所述加入的分散剂氯化1-烯丙基-3-乙烯基咪唑的重量占氧化石墨烯重量的1/8；
步骤二、将400mL质量分数为1.2％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌4小时，超声脱泡，得到混合溶液；超声脱泡的超声功率为1000W，超声频率为30KHz，超声时间为10min；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为8％的氢氧化钾溶液中浸泡6天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在70℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：94％、弯曲强度：203.8MPa、弯曲模量：7GPa。
实施例5：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声5小时，得到均匀分散的质量分数为2％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1200W，超声频率为40KHz；
步骤二、将500mL质量分数为1％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌4小时，超声脱泡，得到混合溶液；超声脱泡的超声功率为1200W，超声频率为40KHz，超声时间为20min；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为8％的氢氧化钠溶液中浸泡6天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在70℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：94.8％、弯曲强度：203.8MPa、弯曲模量：7.2GPa。
实施例6：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声4小时，得到均匀分散的质量分数为1％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1000W，超声频率为30KHz；
步骤二、将300mL质量分数为0.1％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌3小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为6％的氢氧化钠溶液中浸泡3天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在50℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；
所述冷冻干燥包括以下步骤：
步骤Ⅰ、预冷冻：冷冻温度-20℃，冷冻时间8小时；
步骤Ⅱ、将预冷冻后的材料升温至25℃，保持8小时，然后加入真空冷冻干燥机中，设置冷阱温度为-90℃，真空度为80pa，冷冻干燥时间24h；
对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：94％、弯曲强度：204.3MPa、弯曲模量：7.3GPa。
实施例7：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声6小时，得到均匀分散的质量分数为3％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1500W，超声频率为50KHz；
步骤二、将800mL质量分数为1.5％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌5小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为10％的氢氧化钠溶液中浸泡8天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在100℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；
所述冷冻干燥包括以下步骤：
步骤Ⅰ、预冷冻：冷冻温度-30℃，冷冻时间7小时；
步骤Ⅱ、将预冷冻后的材料升温至25℃，保持5小时，然后加入真空冷冻干燥机中，设置冷阱温度为-70℃，真空度为40pa，冷冻干燥时间12h；
对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：94.5％、弯曲强度：205.8MPa、弯曲模量：7.4GPa。
实施例8：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声5小时，得到均匀分散的质量分数为2％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1200W，超声频率为40KHz；
步骤二、在超临界反应装置中加入魔芋葡甘聚糖5g、丙烯酰胺15g、过硫酸铵0.01g、水100g，搅拌均匀，然后将体系密封，通入二氧化碳至40MPa、温度70℃下的条件下搅拌反应1小时，卸压，然后用乙醇沉淀，在70℃下真空干燥，得到反应粗产物，用索氏提取器将粗产物用水洗提直至除去反应产生的均聚物，在65℃下真空干燥24小时，得到改性魔芋葡甘露聚糖；将500mL质量分数为1％的改性魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌4小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为8％的氢氧化钠溶液中浸泡6天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在70℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：96％、弯曲强度：210.8MPa、弯曲模量：8.5GPa。
实施例9：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声5小时，得到均匀分散的质量分数为2％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1200W，超声频率为40KHz；
步骤二、在超临界反应装置中加入魔芋葡甘聚糖8g、丙烯酰胺20g、过硫酸铵0.05g、水150g，搅拌均匀，然后将体系密封，通入二氧化碳至60MPa、温度80℃下的条件下搅拌反应3小时，卸压，然后用乙醇沉淀，在70℃下真空干燥，得到反应粗产物，用索氏提取器将粗产物用水洗提直至除去反应产生的均聚物，在65℃下真空干燥24小时，得到改性魔芋葡甘露聚糖；将400mL质量分数为1％的改性魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌4小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为8％的氢氧化钠溶液中浸泡6天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在70℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：96.8％、弯曲强度：212.5MPa、弯曲模量：8.8GPa。
实施例10：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声4小时，得到均匀分散的质量分数为1％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1000W，超声频率为30KHz；
步骤二、将10mL氧化石墨烯溶液加入超临界反应装置中，并加入300mL质量分数为0.1％的魔芋葡甘聚糖溶液，在体系密封后通入二氧化碳至40MPa、温度60℃的条件下搅拌反应90min，然后卸去二氧化碳压力，温度为30℃，搅拌20min，然后再次注入二氧化碳至压力为70MPa、温度60℃的条件下搅拌60min，卸压，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为6％的氢氧化钠溶液中浸泡3天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在50℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：96％、弯曲强度：210.3MPa、弯曲模量：7.3GPa。
实施例11：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声6小时，得到均匀分散的质量分数为3％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1500W，超声频率为50KHz；
步骤二、将800mL质量分数为1.5％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌5小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液采用电喷方法喷射到盛有质量分数为10％的氢氧化钠溶液的接收装置中，以500r/min的速度搅拌60min，然后浸泡8天；所述电喷方法为：将混合溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的混合溶液通过不锈钢喷头喷射至盛有质量分数为10％的氢氧化钠溶液的接收装置中，并在喷射过程中以500r/min的速度搅拌碱性溶液；电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为40℃、高压电源的输出电压为3kv、接收装置与不锈钢喷头之间距离为8cm、流速为5mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1mm；将浸泡后的溶液加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在100℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：96.2％、弯曲强度：212.8MPa、弯曲模量：7.8GPa。
实施例12：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声5小时，得到均匀分散的质量分数为2％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1200W，超声频率为40KHz；
步骤二、将500mL质量分数为1％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌4小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液采用电喷方法喷射到盛有质量分数为8％的氢氧化钠溶液的接收装置中，以300r/min的速度搅拌30min，然后浸泡6天；所述电喷方法为：将混合溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的混合溶液通过不锈钢喷头喷射至盛有质量分数为10％的氢氧化钠溶液的接收装置中，并在喷射过程中以300r/min的速度搅拌碱性溶液；电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为80℃、高压电源的输出电压为8kv、接收装置与不锈钢喷头之间距离为12cm、流速为10mL/h；所述不锈钢喷头的内径为2mm；将浸泡后的溶液加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在70℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：96.8％、弯曲强度：215.8MPa、弯曲模量：8GPa。
实施例13：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声4小时，得到均匀分散的质量分数为1％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1000W，超声频率为30KHz；
步骤二、将300mL质量分数为0.1％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌3小时，脱泡，得到混合溶液；在混合溶液中加入致孔剂；所述致孔剂的重量占魔芋葡甘聚糖重量的1/10；所述致孔剂由1重量份的十二烷基苯磺酸钠、3重量份的纳米碳酸钙和1重量份的碳酸氢铵组成；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为6％的氢氧化钠溶液中浸泡3天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在50℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：96％、弯曲强度：211.3MPa、弯曲模量：7.5GPa。
实施例14：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声5小时，得到均匀分散的质量分数为2％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1200W，超声频率为40KHz；
步骤二、在超临界反应装置中加入魔芋葡甘聚糖8g、丙烯酰胺20g、过硫酸铵0.05g、水150g，搅拌均匀，然后将体系密封，通入二氧化碳至60MPa、温度80℃下的条件下搅拌反应3小时，卸压，然后用乙醇沉淀，在70℃下真空干燥，得到反应粗产物，用索氏提取器将粗产物用水洗提直至除去反应产生的均聚物，在65℃下真空干燥24小时，得到改性魔芋葡甘露聚糖；将10mL氧化石墨烯溶液加入超临界反应装置中，并加入300mL质量分数为0.1％的改性魔芋葡甘聚糖溶液，在体系密封后通入二氧化碳至40MPa、温度60℃的条件下搅拌反应90min，然后卸去二氧化碳压力，温度为30℃，搅拌20min，然后再次注入二氧化碳至压力为70MPa、温度60℃的条件下搅拌60min，卸压，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液加入质量分数为8％的氢氧化钠溶液中浸泡6天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在70℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：97.8％、弯曲强度：222.1MPa、弯曲模量：9.5GPa。
实施例15：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声5小时，得到均匀分散的质量分数为2％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1200W，超声频率为40KHz；
步骤二、在超临界反应装置中加入魔芋葡甘聚糖8g、丙烯酰胺20g、过硫酸铵0.05g、水150g，搅拌均匀，然后将体系密封，通入二氧化碳至60MPa、温度80℃下的条件下搅拌反应3小时，卸压，然后用乙醇沉淀，在70℃下真空干燥，得到反应粗产物，用索氏提取器将粗产物用水洗提直至除去反应产生的均聚物，在65℃下真空干燥24小时，得到改性魔芋葡甘露聚糖；将400mL质量分数为1％的改性魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌4小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液采用电喷方法喷射到盛有质量分数为8％的氢氧化钠溶液的接收装置中，以300r/min的速度搅拌30min，然后浸泡6天；所述电喷方法为：将混合溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的混合溶液通过不锈钢喷头喷射至盛有质量分数为10％的氢氧化钠溶液的接收装置中，并在喷射过程中以300r/min的速度搅拌碱性溶液；电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为60℃、高压电源的输出电压为5kv、接收装置与不锈钢喷头之间距离为10cm、流速为10mL/h；所述不锈钢喷头的内径为2mm；将浸泡后的溶液加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在70℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：98.8％、弯曲强度：223.8MPa、弯曲模量：8.2GPa。
实施例16：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声4小时，得到均匀分散的质量分数为1％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1000W，超声频率为30KHz；
步骤二、将10mL氧化石墨烯溶液加入超临界反应装置中，并加入300mL质量分数为0.1％的魔芋葡甘聚糖溶液，在体系密封后通入二氧化碳至40MPa、温度60℃的条件下搅拌反应90min，然后卸去二氧化碳压力，温度为30℃，搅拌20min，然后再次注入二氧化碳至压力为70MPa、温度60℃的条件下搅拌60min，卸压，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液采用电喷方法喷射到盛有质量分数为6％的氢氧化钠溶液的接收装置中，以500r/min的速度搅拌60min，然后浸泡3天；所述电喷方法为：将混合溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的混合溶液通过不锈钢喷头喷射至盛有质量分数为6％的氢氧化钠溶液的接收装置中，并在喷射过程中以500r/min的速度搅拌碱性溶液；电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为60℃、高压电源的输出电压为5kv、接收装置与不锈钢喷头之间距离为8cm、流速为8mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1.5mm；将浸泡后的溶液加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在50℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：98.2％、弯曲强度：226.8MPa、弯曲模量：8.8GPa。
实施例17：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声5小时，得到均匀分散的质量分数为2％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1200W，超声频率为40KHz；
步骤二、在超临界反应装置中加入魔芋葡甘聚糖8g、丙烯酰胺20g、过硫酸铵0.05g、水150g，搅拌均匀，然后将体系密封，通入二氧化碳至60MPa、温度80℃下的条件下搅拌反应3小时，卸压，然后用乙醇沉淀，在70℃下真空干燥，得到反应粗产物，用索氏提取器将粗产物用水洗提直至除去反应产生的均聚物，在65℃下真空干燥24小时，得到改性魔芋葡甘露聚糖；将10mL氧化石墨烯溶液加入超临界反应装置中，并加入400mL质量分数为0.1％的改性魔芋葡甘聚糖溶液，在体系密封后通入二氧化碳至40MPa、温度60℃的条件下搅拌反应90min，然后卸去二氧化碳压力，温度为30℃，搅拌20min，然后再次注入二氧化碳至压力为70MPa、温度60℃的条件下搅拌60min，卸压，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液采用电喷方法喷射到盛有质量分数为8％的氢氧化钠溶液的接收装置中，以300r/min的速度搅拌30min，然后浸泡6天；所述电喷方法为：将混合溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的混合溶液通过不锈钢喷头喷射至盛有质量分数为10％的氢氧化钠溶液的接收装置中，并在喷射过程中以300r/min的速度搅拌碱性溶液；电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为60℃、高压电源的输出电压为5kv、接收装置与不锈钢喷头之间距离为10cm、流速为10mL/h；所述不锈钢喷头的内径为2mm；将浸泡后的溶液加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在70℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：98.8％、弯曲强度：235.8MPa、弯曲模量：9GPa。
实施例18：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，并加入分散剂氯化1-烯丙基-3-乙烯基咪唑，超声5小时，得到均匀分散的质量分数为2％的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为1200W，超声频率为40KHz；所述加入的分散剂氯化1-烯丙基-3-乙烯基咪唑的重量占氧化石墨烯重量的1/8；
步骤二、在超临界反应装置中加入魔芋葡甘聚糖8g、丙烯酰胺20g、过硫酸铵0.05g、水150g，搅拌均匀，然后将体系密封，通入二氧化碳至60MPa、温度80℃下的条件下搅拌反应3小时，卸压，然后用乙醇沉淀，在70℃下真空干燥，得到反应粗产物，用索氏提取器将粗产物用水洗提直至除去反应产生的均聚物，在65℃下真空干燥24小时，得到改性魔芋葡甘露聚糖；将400mL质量分数为1％的改性魔芋葡甘露聚糖溶液加入10mL氧化石墨烯溶液中，搅拌4小时，脱泡，得到混合溶液；
步骤三、将混合溶液采用电喷方法喷射到盛有质量分数为8％的氢氧化钠溶液的接收装置中，以300r/min的速度搅拌30min，然后浸泡6天；所述电喷方法为：将混合溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的混合溶液通过不锈钢喷头喷射至盛有质量分数为10％的氢氧化钠溶液的接收装置中，并在喷射过程中以300r/min的速度搅拌碱性溶液；电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为60℃、高压电源的输出电压为5kv、接收装置与不锈钢喷头之间距离为10cm、流速为10mL/h；所述不锈钢喷头的内径为2mm；将浸泡后的溶液加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在70℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：99.1％、弯曲强度：228.6MPa、弯曲模量：8.9GPa。
实施例19：
一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、采用实施例18中步骤一的过程；
步骤二、采用实施例13中步骤二的过程；
步骤三、采用实施例15中步骤三的过程；其中冷冻干燥采用实施例7中的冷冻干燥过程；对制得的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵进行测试，测试结果为孔隙率：99.2％、弯曲强度：238.5MPa、弯曲模量：9.5GPa。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实例。
Claims (10)
1.一种三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、取干燥的氧化石墨烯固体溶于水中，超声4～6小时，得到均匀分散的质量分数为1～3％的氧化石墨烯溶液；
步骤二、将质量分数为0.1～1.5％的魔芋葡甘露聚糖溶液加入氧化石墨烯溶液中，搅拌3～5小时，脱泡，得到混合溶液；所述魔芋葡甘露聚糖溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为30～80:1；
步骤三、将混合溶液加入碱性溶液中浸泡3～8天，然后加入管状模具中，所述管状模具的底部固定在钢板上，将钢板放置于液氮中冷冻，待溶液完全冻结后，将其置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，干燥完成后用去离子水洗涤，然后在50～100℃下真空干燥，即得到三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵。
2.如权利要求1所述的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，所述超声的功率为1000～1500W，超声频率为30～50KHz。
3.如权利要求1所述的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液的质量分数为6％～10％；所述碱性溶液为氢氧化钠溶液、尿素溶液、氢氧化钾溶液、重量比为1:2:1的氢氧化钾、尿素、碳酸钠中的任意一种。
4.如权利要求1所述的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，氧化石墨烯溶液的制备过程中加入分散剂；所述加入的分散剂的重量占氧化石墨烯重量的1/8～1/6；所述分散剂为氯化1-烯丙基-3-乙烯基咪唑、氯化1-苄基-2,3-二甲基咪唑、N-己基-3-甲基吡啶四氟硼酸盐、氯化1-环氧丙基-3-甲基咪唑、溴化1-乙腈基-3-乙烯基咪唑中的一种。
5.如权利要求1所述的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，所述脱泡采用超声脱泡，超声脱泡的超声功率为1000～1500W，超声频率为30～50KHz，超声时间为10～30min。
6.如权利要求1所述的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥包括以下步骤：
步骤Ⅰ、预冷冻：冷冻温度-20～-30℃，冷冻时间7～8小时；
步骤Ⅱ、将预冷冻后的材料升温至25℃，保持5～8小时，然后加入真空冷冻干燥机中，设置冷阱温度为-70～-90℃，真空度为40～80pa，冷冻干燥时间12-24h。
7.如权利要求1所述的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，所述魔芋葡甘聚糖采用改性魔芋葡甘露聚糖；所述改性魔芋葡甘露聚糖的制备方法为：在超临界反应装置中加入魔芋葡甘聚糖5～8份、丙烯酰胺15～20份、过硫酸铵0.01～0.05份、水100～150份，搅拌均匀，然后将体系密封，通入二氧化碳至40～60MPa、温度70～80℃下的条件下搅拌反应1～3小时，卸压，然后用乙醇沉淀，在70℃下真空干燥，得到反应粗产物，用索氏提取器将粗产物用水洗提直至除去反应产生的均聚物，在65℃下真空干燥24小时，得到改性魔芋葡甘露聚糖。
8.如权利要求1所述的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，将步骤二的过程替换为：将氧化石墨烯溶液加入超临界反应装置中，并加入质量分数为0.1～1.5％的魔芋葡甘聚糖溶液，在体系密封后通入二氧化碳至20～40MPa、温度30～60℃的条件下搅拌反应30～90min，然后卸去二氧化碳压力，温度为30～40℃，搅拌10～20min，然后再次注入二氧化碳至压力为50～70MPa、温度30～60℃的条件下搅拌30～60min，卸压，脱泡，得到混合溶液；所述魔芋葡甘露聚糖溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为30～80:1。
9.如权利要求1所述的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，将步骤三中的混合溶液加入碱性溶液中浸泡3～8天的过程替换为：将混合溶液采用电喷方法喷射到盛有碱性溶液的接收装置中，以300～500r/min的速度搅拌30～60min，然后浸泡3～8天；所述电喷方法为：将混合溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的混合溶液通过不锈钢喷头喷射至盛有碱性溶液的接收装置中，并在喷射过程中以300～500r/min的速度搅拌碱性溶液；电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为40～80℃、高压电源的输出电压为3～8kv、接收装置与不锈钢喷头之间距离为8～12cm、流速为5～10mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1～2mm。
10.如权利要求1所述的三维多孔魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，在所述步骤二的混合溶液中加入致孔剂；所述致孔剂的重量占魔芋葡甘聚糖重量的1/10～1/5；所述致孔剂由1～5重量份的十二烷基苯磺酸钠、3～5重量份的纳米碳酸钙和1～3重量份的碳酸氢铵组成。
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