CN107118394B - 一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法，该方法步骤为：(1)用Hummer法制备氧化石墨烯；(2)石墨烯气凝胶的制备；(3)将氢氧化钠(NaOH)和尿素溶解在蒸馏水中，得到纤维素溶解液；将纤维素溶解于上述纤维素溶解液中，得到纤维素溶液；将上述石墨烯气凝胶置于上述得到的纤维素溶液中，再放在真空箱中抽真空，使纤维素渗透到石墨烯气凝胶孔洞中；然后取出，在乙醇中浸泡，用去离子水清洗，热压，得到纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物。该制备方法工艺简单，原料来源广泛，且对环境无污染；该复合物是三维形貌结构，构筑连续的三维导热通路，能提高复合物的导热率，其导热率达到1.7W/(m*K)，其硬度达到170MPa。

Description

一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种导热复合材料及其制备方法，尤其是涉及一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法。
背景技术
纤维素塑料具有高拉伸强度、弯曲强度、热稳定性和较低的热膨胀系数等诸多优点，与生活中常用的塑料相比，更具优势，同时还具有绿色环保等优点。但是传统的高分子材料具有极低的导热系数，因此纤维素塑料的导热性也较差，而这样的缺点将会限制纤维素的应用领域。
石墨烯作为一种二维碳材料，具有优异的导热和导电性能。因此，石墨烯常用作填料，与不同的聚合物复合来提高复合物的导热性，是一种理想的导热填料。但是，由于二维石墨烯片层之间具有π-π堆积和范德华力的作用，易发生团聚作用，导致复合物的导热性能下降。例如，中国专利，授权公告号为CN103740092B，公开了“一种高导热石墨烯、尼龙复合材料及其制备方法”，该方法将石墨烯粉末与尼龙粒子混合并在研磨机中研磨，再与氮化硼、抗氧剂、抗水解剂、耐高温剂、增韧剂混合挤出切粒。该方法使石墨烯均匀地分散在基体中，又能够使石墨烯与尼龙之间的界面粘接力变强，相容性提高。然而，该方法虽然能使导热系数有所提高，但是将诸多添加剂一起混合，存在无法混合均匀的问题，填料在基体中分散不均匀，复合材料的导热性和硬度下降。
发明内容
本发明的目的是针对有技术存在的不足，提供一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法，该制备方法简便易行，制备的复合物具有良好的导热性及硬度。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物，其特征在于，该复合物由纤维素和石墨烯组成，复合物的添加量为1%-20%，纤维素的质量百分数为80%-99%，各组分之和为100% 。
所述的纤维素的溶解液由氢氧化钠(NaOH)和尿素组成。
一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物的制备方法，包括以下步骤：
(1). 用Hummer法制备氧化石墨烯；
(2). 石墨烯气凝胶的制备：
(2-1). 将上述步骤(1)制得的氧化石墨烯分散到水中，配置成浓度为2mg/ml-10mg/ml的氧化石墨烯分散液；
(2-2). 将步骤(2-1)得到的氧化石墨烯分散液置于高压釜中，在100℃～500℃下反应1～48h，冷却后取出，得到水凝胶，然后将水凝胶冷冻干燥48 h，得到石墨烯气凝胶；
(3). 纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物的制备：
(3-1). 将5～9g的氢氧化钠(NaOH)和9～14g的尿素溶解在100g蒸馏水中，得到纤维素溶解液；
(3-2). 将1～15g纤维素在-10℃～-12℃下溶解于上述步骤(3-1)得到纤维素溶解液中，得到浓度为1%-15%的纤维素溶液；
(3-3). 将上述步骤(2)中得到的石墨烯气凝胶置于上述步骤(3-2)得到的纤维素溶液中，再放在真空箱中抽真空1～24h，使纤维素渗透到石墨烯气凝胶孔洞中；然后取出，室温下静置1～48h，在乙醇中浸泡1h-72 h，取出后，再用去离子水清洗，得到复合凝胶；
(3-4). 将上述步骤(3-3)中得到的复合凝胶在50℃-200℃下热压1～72h ，得到纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物。
本发明与现有技术相比较具有以下优点：
(1). 本发明的制备方法工艺简单，原料来源广泛，且对环境无污染。
(2). 本发明制备的一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物是三维形貌结构，不但能防止石墨烯纳米片的团聚和堆积，而且还构筑了连续的三维导热通路，能提高复合物的导热率。
(3). 本发明制备的一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物具有良好的导热性和硬度，其导热率达到1.7W/(m*K)，其硬度达到170MPa，比现有的纯纤维素塑料的导热性和硬度要高。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式做出更为详细的说明。
为了制备这种纤维素塑料/三维石墨烯气凝胶复合物的制备方法，主要分为下面几个步骤：
(1). 用Hummer法制备氧化石墨烯：
(1-1). 将4g石墨粉末放入三颈烧瓶， 然后，将140ml 、浓度为98%的浓硫酸边搅拌边缓慢地添加到上述三颈烧瓶中进行分散；
(1-2). 将上述三颈烧瓶置于冰浴中，再逐步向三颈烧瓶中添加14g的高锰酸钾，得到混合液；
(1-3). 然后，将上述混合液加热升温至35℃，搅拌2小时，得到深棕色混合液，再向深棕色混合液缓慢加入600 mL的水和40 mL的、浓度为30%过氧化氢(H2O2)，去除多余的高锰酸钾，然后，再分别用盐酸和去离子水离心清洗，清洗后，将沉淀物装入透析袋中透析至中性，去除杂质，得到氧化石墨烯；
(2). 石墨烯气凝胶的制备：
(2-1). 将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散在蒸馏水中，配置成浓度为6mg/ml的氧化石墨烯分散液；
(2-2). 将步骤(2-1)得到的氧化石墨烯分散液量取50ml置于高压釜中，在180℃下反应12h，冷却后取出，得到水凝胶，然后将水凝胶冷冻干燥48h，得到石墨烯气凝胶；
(3). 纤维素塑料/三维石墨烯气凝胶复合物的制备：
(3-1). 将7g的氢氧化钠(NaOH)和12g的尿素溶解在100g蒸馏水中，得到纤维素溶解液；
(3-2). 将6g的纤维素在-12℃下溶解于上述步骤(3-1)得到纤维素溶解液中，配置成浓度为6%的纤维素溶液；
(3-3). 将石墨烯气凝胶浸没在上述浓度为6%的纤维素溶液中，将其放在真空箱中抽真空6h，纤维素溶液渗透到石墨烯气凝胶孔洞中；抽真空处理后取出，在室温下放置2天，再放在乙醇中浸泡1h-72h，再用蒸馏水清洗，得到复合凝胶；
(3-4). 将上述步骤(3-3)中得到的复合凝胶在50℃下热压48 h，得到纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物。
采用纳米压痕测试仪对实施例制得的纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物进行测试，其硬度为170MPa； 采用激光闪光法对制得的纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物进行测量，测得如下结果：其导热率为1.7W/(m*K)。

Claims (1)

1.一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物的制备方法，所制备的纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物由纤维素和石墨烯组成，石墨烯气凝胶的添加量为1%-20%，纤维素的质量百分数为80%-99%，各组分之和为100% ，纤维素的溶解液由氢氧化钠(NaOH)和尿素组成，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1) 用Hummer法制备氧化石墨烯；
(2) 石墨烯气凝胶的制备：
a.将上述步骤(1)制得的氧化石墨烯分散到水中，配置成浓度为2mg/ml～10mg/ml的氧化石墨烯分散液；
b.将步骤a得到的氧化石墨烯分散液置于高压釜中，在 100℃～500℃下反应1～48h，冷却后取出，得到水凝胶，然后将水凝胶冷冻干燥48 h，得到石墨烯气凝胶；
(3) 纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物的制备：
① 将5～9 g的氢氧化钠(NaOH)和9～14g的尿素溶解在100g蒸馏水中，得到纤维素溶解液；
② 将1～15g的纤维素在-10～-12℃下溶解于上述步骤①得到纤维素溶解液中，得到浓度为1%～15%的纤维素溶液；
③ 将上述步骤（2）中得到的石墨烯气凝胶置于上述步骤②得到的纤维素溶液中，再放在真空箱中抽真空1～24h，使纤维素渗透到石墨烯气凝胶孔洞中；然后取出，室温下静置1～48 h ，在乙醇中浸泡1h-72 h，取出后，再用去离子水清洗，得到复合凝胶；
④ 将上述步骤③中得到的复合凝胶在50℃-200℃下热压1～72 h ，得到纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物。
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