CN107244667B - 一种两亲性气凝胶及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种两亲性气凝胶及制备方法,制备方法包括步骤:A、对氧化石墨进行超声处理,形成均匀的氧化石墨烯分散液;B、在氧化石墨烯分散液中加入磷酸化合物,并搅拌;C、将搅拌后的混合液进行加热反应,获得功能化水凝胶;D、对功能化水凝胶进行溶剂置换,再进行干燥获得两亲性气凝胶。通过本发明的方法,所制备的两亲性气凝胶具有超吸水的特性,使其作为催化剂载体在界面聚合、重金属离子的吸附和乳液破乳、油水分离等方面有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯材料领域,尤其涉及一种两亲性气凝胶及制备方法。
背景技术
石墨烯气凝胶是以石墨烯或石墨烯类材料通过一定方式,以获得石墨烯水凝胶为前提,经干燥进一步把凝胶内部水替代成空气,从而获得石墨烯气凝胶。石墨烯气凝胶自浙江大学高超课题组制备出超轻石墨烯气凝胶后,掀起一股科学研究热潮,许多科学家制备出石墨烯气凝胶或复合材料的石墨烯基气凝胶,被广泛应用于各种领域。由于石墨烯具有超疏水的特性,因此以石墨烯制备的气凝胶也具有超疏水特性。但现有的技术所制备的石墨烯气凝胶并不具有超吸水的特性,这限制了石墨烯气凝胶的应用。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明目的在于提供一种两亲性气凝胶及制备方法,旨在解决现有技术中石墨烯气凝胶不具备亲水性的问题。
本发明的技术方案如下:
一种两亲性气凝胶的制备方法,其中,包括步骤:
A、对氧化石墨进行超声处理,形成均匀的氧化石墨烯分散液;
B、在氧化石墨烯分散液中加入磷酸化合物,并搅拌;
C、将搅拌后的混合液进行加热反应,获得功能化水凝胶;
D、对功能化水凝胶进行溶剂置换,再进行干燥获得两亲性气凝胶。
所述的两亲性气凝胶的制备方法,其中,所述磷酸化合物为乙二胺四亚甲基磷酸、亚甲基二磷酸、氨基三亚甲基磷酸或六亚甲基二胺四亚甲基膦酸中的一种或多种。
所述的两亲性气凝胶的制备方法,其中,所述步骤B中,还加入还原剂。
所述的两亲性气凝胶的制备方法,其中,所述还原剂为抗坏血酸、亚硫酸氢钠或水合肼。
所述的两亲性气凝胶的制备方法,其中,所述步骤C中,反应温度为150~210℃,反应时间为8~24h。
所述的两亲性气凝胶的制备方法,其中,所述步骤C中,反应温度为50~90℃,反应时间为9~16h。
所述的两亲性气凝胶的制备方法,其中,所述步骤A中,超声处理的时间为5~60min。
所述的两亲性气凝胶的制备方法,其中,所述步骤A中,先将氧化石墨溶于去离子水、乙醇、或两者混合溶剂中,再进行超声处理,形成均匀的氧化石墨烯分散液。
所述的两亲性气凝胶的制备方法,其中,所述步骤D中,采用冷冻干燥的方式得到两亲性气凝胶。
一种两亲性气凝胶,其中,采用如上任一项所述的方法制备而成。
有益效果:通过本发明的方法,所制备的两亲性气凝胶具有超吸水的特性,使其作为催化剂载体在界面聚合、重金属离子的吸附和乳液破乳、油水分离等方面有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明两亲性气凝胶的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明所制备的两亲性气凝胶的吸水性能对比图。
具体实施方式
本发明提供一种两亲性气凝胶及制备方法,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1,图1为本发明一种两亲性气凝胶的制备方法较佳实施例的流程图,如图所示,其中,包括步骤:
S1、对氧化石墨进行超声处理,形成均匀的氧化石墨烯分散液;
S2、在氧化石墨烯分散液中加入磷酸化合物,并搅拌;
S3、将搅拌后的混合液进行加热反应,获得功能化水凝胶;
S4、对功能化水凝胶进行溶剂置换,再进行干燥获得两亲性气凝胶。
本发明通过加入磷酸化合物,使其中的磷酸基团(亲水基团)与氧化石墨烯交联,使石墨烯气凝胶(两亲性气凝胶)具有超亲水的特性。
进一步,所述磷酸化合物为乙二胺四亚甲基磷酸(亦称乙二胺四亚甲基膦酸,EDTMPA)、亚甲基二磷酸、氨基三亚甲基磷酸或六亚甲基二胺四亚甲基膦酸中的一种或多种。上述化合物中均含有磷酸基团,其具有良好的亲水特性。优选的,所述磷酸化合物为乙二胺四亚甲基磷酸,其可提供大量的亲水磷酸基团,其具有与氧化石墨烯带有的-COOH交联的能力。当然,本发明还可以采用其他具有亲水交联基团的化合物或高分子。
通过调整磷酸化合物的用量,可以对亲水性进行更好的调控。例如增加磷酸化合物用量,那么交联的磷酸基团多,则可以增加两亲性气凝胶的亲水性,减少磷酸化合物用量,那么交联的磷酸基团少,则可以减小两亲性气凝胶的亲水性。
进一步,所述步骤S2中,还加入还原剂,即加入磷酸化合物和还原剂,然后进行搅拌。采用还原剂制备的气凝胶的可以更好的调控磷酸化合物的用量,对亲水性进行更好的调控。
优选的,所述还原剂为抗坏血酸、亚硫酸氢钠或水合肼。
可选的,所述步骤S3中,反应温度为150~210℃,反应时间为3~24h。即在步骤S3中,采用高温进行反应,其反应时间相对较短,另外,此次优选在高压条件下进行反应。高压反应得到的气凝胶结构密实,结构不容易塌陷。
可选的,所述步骤S3中,反应温度为50~90℃,反应时间为9~16h。即在步骤S3中,采用相对低温进行反应,其反应时间相对较短,另外,此次优选在常压条件下进行反应。常压反应制备的气凝胶,结构疏松,密度小,比表面积大。
进一步,所述步骤S1中,超声处理的时间为5~60min。超声处理可以使氧化石墨烯溶液分散更均匀,从而利于后续的交联过程。
进一步,所述氧化石墨烯分散液制备过程如下:称取适量的氧化石墨于烧杯中,加入去离子水、乙醇、或两者混合溶剂,超声分散15分钟(超声功率为300W),形成均匀的氧化石墨烯溶液,也可称为氧化石墨烯分散液。
进一步,所述步骤S4中,采用冷冻干燥的方式得到两亲性气凝胶。例如,在-50℃冷冻干燥48小时,获得两亲性气凝胶,使其作为催化剂载体在界面聚合、重金属离子的吸附和乳液破乳、油水分离等方面有重要的应用前景。溶剂置换的目的是,将水跟两亲性气凝胶里面未反应的物质交换,保证体系材料没有原料残留。溶剂置换可进行多次,以便彻底清除残留原料。
实施例一:称取45mg的氧化石墨于烧杯中,加入15ml去离子水,300W超声分散15分钟,形成均匀的氧化石墨烯分散液。在此体系下加入90mg乙二胺四亚甲基磷酸(提供大量的亲水磷酸基团),强力搅拌10分钟,形成混合液。将其倒入高压反应釜中,并将高压反应釜放在电热鼓风干燥箱里,180℃条件下反应12小时,获得超亲水的功能化水凝胶。
反应结束后,降至室温,小心倒入盛有去离子水的烧杯中置换溶剂,每隔3小时换水一次,置换48小时,直到沥出的溶液pH值呈中性,沥去表面多余水(后续实施例按相同方式置换),-50℃冷冻干燥两天,获得两亲性气凝胶。
实施例二:称取90mg的氧化石墨于烧杯中,加入15ml混合溶剂(去离子水:乙醇=1:1,体积比),300W超声分散15分钟,形成均匀的氧化石墨烯分散液。在此体系下加入270mg乙二胺四亚甲基磷酸,强力搅拌10分钟,形成混合液。将其倒入高压反应釜中,并将高压反应釜放在电热鼓风干燥箱里,150℃条件下反应8小时,获得超亲水的功能化水凝胶。
反应结束后,降至室温,小心倒入盛有去离子水的烧杯中置换溶剂,-50℃冷冻干燥48小时,获得两亲性气凝胶。
实施例三:称取45mg的氧化石墨于烧杯中,加入15ml去离子水,300W超声分散15分钟,形成均匀的氧化石墨烯分散液。在此体系下加入180mg乙二胺四亚甲基磷酸,强力搅拌10分钟,形成混合液。将其放于高压反应釜中,并将高压反应釜放在电热鼓风干燥箱里,200℃条件下反应3小时,获得超亲水的功能化水凝胶。
反应结束后,降至室温,小心倒入盛有去离子水的烧杯中置换溶剂,-50℃冷冻干燥48小时,获得两亲性气凝胶。
实施例四:称取45mg氧化石墨于烧杯中,加入15ml去离子水,300W超声分散20分钟,形成均匀的氧化石墨烯分散液。在此体系下加入90mg的乙二胺四亚甲基磷酸(磷酸基团具有与氧化石墨烯带有的-COOH交联的能力),强力搅拌10分钟,形成混合液。将其放于电热鼓风干燥箱中,70℃常压反应12小时,获得超亲水的功能化水凝胶。
反应结束后,降至室温,小心倒入盛有去离子水的烧杯中置换溶剂,-50℃冷冻干燥48小时,获得两亲性气凝胶。
实施例五:称取60mg氧化石墨于烧杯中,加入15ml去离子水,300W超声分散30分钟,形成均匀的氧化石墨烯分散液。在此体系下加入120mg乙二胺四亚甲基磷酸(磷酸基团具有与氧化石墨烯带有的-COOH交联的能力),强力搅拌10分钟,形成混合液。将其放于电热鼓风干燥箱中,9 0℃常压反应15小时,获得超亲水的功能化水凝胶。
反应结束后,降至室温,小心倒入盛有去离子水的烧杯中置换溶剂,-50℃冷冻干燥48小时,获得两亲性气凝胶。
实施例六:称取45mg氧化石墨烯于烧杯中,加入15ml去离子水,300W超声分散15分钟,形成均匀的氧化石墨烯分散液。在此体系下加入180mg的乙二胺四亚甲基磷酸(磷酸基团具有与氧化石墨烯带有的-COOH交联的能力),强力搅拌10分钟,形成混合液。将其放于电热鼓风干燥箱中,70℃常压反应12小时,获得超亲水的功能化水凝胶。
反应结束后,降至室温,小心倒入盛有去离子水的烧杯中置换溶剂,-50℃冷冻干燥48小时,获得两亲性气凝胶。
实施例七:称取45mg氧化石墨于烧杯中,加入15ml去离子水,300W超声分散40分钟,形成均匀的氧化石墨烯分散液。在此体系下加入90mg乙二胺四亚甲基磷酸,同时加入90mg还原剂抗坏血酸,强力搅拌10分钟,形成混合液。将其放于电热鼓风干燥箱中,70℃常压反应12小时,获得超亲水的功能化水凝胶。
反应结束后,降至室温,小心倒入盛有去离子水的烧杯中置换溶剂,-50℃冷冻干燥48小时,获得超亲水功能化气凝。
实施例八:称取45mg氧化石墨于烧杯中,加入15ml去离子水,300W超声分散60分钟,形成均匀的氧化石墨烯分散液。在此体系下加入90mg乙二胺四亚甲基磷酸,同时加入90mg还原剂亚硫酸氢钠,强力搅拌10分钟,形成混合液。将其放于电热鼓风干燥箱中,90℃常压反应9小时,获得超亲水的功能化水凝胶。
反应结束后,降至室温,小心倒入盛有去离子水的烧杯中置换溶剂,-50℃冷冻干燥48小时,获得两亲性气凝胶。
实施例九:称取45mg氧化石墨于烧杯中,加入15ml去离子水,300W超声分散5分钟,形成均匀的氧化石墨烯分散液。在此体系下加入180mg乙二胺四亚甲基磷酸,同时加入180mg水合肼,强力搅拌10分钟,形成混合液。将其放于电热鼓风干燥箱中,50℃常压反应16小时,获得超亲水的功能化水凝胶。
反应结束后,降至室温,小心倒入盛有去离子水的烧杯中置换溶剂,-50℃冷冻干燥48小时,获得两亲性气凝胶。
如图2所示,对于不同的氧化石墨与EDTMPA质量比,所制得的两亲性气凝胶的吸水能力不同,对于氧化石墨与EDTMPA质量比为1:5或1:7时,所制得的两亲性气凝胶吸水能力最强。
本发明还提供一种两亲性气凝胶较佳实施例,其采用如上任一项所述的方法制备而成。
综上所述,通过本发明的方法,所制备的两亲性气凝胶具有超吸水的特性,使其作为催化剂载体在界面聚合、重金属离子的吸附和乳液破乳、油水分离等方面有重要的应用前景。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种两亲性气凝胶的制备方法,其特征在于,包括步骤:
A、对氧化石墨进行超声处理,形成均匀的氧化石墨烯分散液;
B、在氧化石墨烯分散液中加入磷酸化合物,并搅拌;
C、将搅拌后的混合液进行加热反应,获得功能化水凝胶;
D、对功能化水凝胶进行溶剂置换,再进行干燥获得两亲性气凝胶;
所述磷酸化合物为乙二胺四亚甲基磷酸、亚甲基二磷酸、氨基三亚甲基磷酸或六亚甲基二胺四亚甲基膦酸中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的两亲性气凝胶的制备方法,其特征在于,所述步骤B中,还加入还原剂。
3.根据权利要求2所述的两亲性气凝胶的制备方法,其特征在于,所述还原剂为抗坏血酸、亚硫酸氢钠或水合肼。
4.根据权利要求1所述的两亲性气凝胶的制备方法,其特征在于,所述步骤C中,反应温度为150~210℃,反应时间为3~24h。
5.根据权利要求1所述的两亲性气凝胶的制备方法,其特征在于,所述步骤C中,反应温度为50~90℃,反应时间为9~16h。
6.根据权利要求1所述的两亲性气凝胶的制备方法,其特征在于,所述步骤A中,超声处理的时间为5~60min。
7.根据权利要求1所述的两亲性气凝胶的制备方法,其特征在于,所述步骤A中,先将氧化石墨溶于去离子水、乙醇、或两者混合溶剂中,再进行超声处理,形成均匀的氧化石墨烯分散液。
8.根据权利要求1所述的两亲性气凝胶的制备方法,其特征在于,所述步骤D中,采用冷冻干燥的方式得到两亲性气凝胶。
9.一种两亲性气凝胶,其特征在于,采用如权利要求1~8任一项所述的方法制备而成。
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