CN111392716A - 一种溶剂塑化发泡制备气凝胶的方法 - Google Patents

一种溶剂塑化发泡制备气凝胶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明首次提出一种基于溶剂塑化发泡制备气凝胶的方法，通过溶剂塑化与原位气泡产生从而实现用于制备气凝胶材料，克服了非聚合物难以实现热塑性发泡工艺的难题，具有广泛的应用普适性。此外，此方案可选发泡系较多，且易于实施，无须利用特殊的干燥工艺，因此极大的推动了多孔气凝胶的产业化发展。

Description

一种溶剂塑化发泡制备气凝胶的方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种通过溶剂塑化发泡来制备气凝胶的方法。
背景技术
热塑性泡沫材料由于其超轻、绝缘绝热、耐疲劳等优异的性能被广泛的应用于日常生活中，如减震阻尼、隔热、包装、运动防护等等，热塑性发泡工艺主要利用高温下聚合物的分子链的解缠结从而实现气体的渗入，经过低温定形将气体所产生的泡孔固定于聚合物的内部，便得到了热塑性泡沫材料。但是目前热塑性发泡工艺仅仅适用于可以实现在较低温度下塑化的聚合物材料，如聚氨酯、聚丙烯等，而对于碳材料、无机材料、金属材料等，由于它们具有极高的塑化温度（最高可达3000℃），因此目前的热塑性工艺需要极高的耗能才能应用于此类材料。
气凝胶一般是由湿凝胶通过特殊的干燥方法制备所得的低密度多孔材料，最早的气凝胶是由Kistler制备得到的硅气凝胶，为世界上密度最小的固体。目前气凝胶的种类很多，主要集中于热塑性发泡工艺实现不了的碳材料、无机材料、金属材料等等，但是目前气凝胶的制备工艺主要是采用超临界干燥或冷冻干燥的制备方法所得，其耗能较高，其所得结构不稳定，因此并不利于大规模的产业化应用。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种溶剂塑化发泡制备气凝胶材料的方法，其主要是结合溶剂塑化和原位气泡的产生，从而得到气凝胶材料。该方法区别于现有的热塑性发泡，其是在溶液环境下，塑化剂渗入到膜材料中，降低膜材料内部的分子间作用力，降低发泡阻力；同时，基于发泡剂实现原位发泡，从而得到气凝胶材料；解决非热塑性聚合物的发泡难题。
本发明的另一个目的在于提供一种溶剂塑化发泡制备气凝胶材料的方法，其主要是结合溶剂塑化和原位气泡的产生，从而得到气凝胶材料。该方法区别于现有的热塑性发泡，其是在溶液环境下，塑化剂渗入到膜材料中，降低膜材料内部的分子间作用力来进行原位发泡，即实现了分子层面的结构调控，可以达到纳米级别，实现气凝胶的壁厚、孔径等微观组成的控制。
本发明的另一个目的在于提供一种溶剂塑化发泡制备多孔气凝胶材料的方法，其主要是结合溶剂塑化和原位气泡的产生，从而得到气凝胶材料。该方法无需热处理，可降低能耗。
实现上述任一目的的方法为：将待发泡的材料与发泡剂前驱体混合，成膜后，将所得膜放置于塑性溶液中，使得膜塑化和发泡；再经过干燥便制得气凝胶材料。
所述的塑性溶液为塑性剂或含有塑性剂的溶液。因此，本申请中，塑化剂可以作为溶剂，也可以与所述的发泡引发剂一同作为溶质。
所述的塑性剂为可降低待发泡材料的分子间作用力的物质，这种可以降低膜内部分子间作用力的物质通常为：与材料具有亲和性的物质。例如：纤维素与极性溶剂（水、DMF、DMSO等）；银纳米线与表面活性剂，其中的表面活性剂可降低银纳米线的表面张力（两者HLB值接近）；Mxene与二甲基吡咯烷酮、聚乙二醇；二硫化钼与二甲基吡咯烷酮、聚乙二醇，石墨烯与二甲基吡咯烷酮、DMF、DMSO、聚乙二醇等。
作为本领域的公知常识，引发发泡剂前驱体发泡的方法包括但不限于：加入引发剂、加热；其中所述的引发剂引发所述发泡剂前驱体产生气体。发泡引发剂和发泡剂前驱体的组合可以为任意形式，例如碳酸盐与酸，硼氢化钠与水等。若采用加热方式引发，则加入的发泡剂前驱体为加热条件下可产生气体的物质，例如碳酸氢钠。
上述方法中，所述的干燥可以采用任意形式，例如可采用直接干燥、溶剂置换干燥等方式实现。在某些优选的实施例中，可以通过直接干燥降低能耗。
基于上述方法，本发明适用于所有材料的发泡，尤其适用于非热塑性聚合物的发泡，例如石墨烯、二硫化钼、Mxene、纤维素、银纳米线等。
本申请还涉及基于上述方法得到的气凝胶，其从膜发泡而成，结构完整性高，可在隔音、隔热、阻尼、吸附、传感、电磁屏蔽及极端环境防护等方面得到广泛应用。
附图说明
图1为实施例1所得到的多孔的Mxenes气凝胶材料；
图2为实施例2所得到的多孔的二硫化钼气凝胶材料；
图3为实施例3所得到的多孔的纤维素气凝胶材料；
图4为实施例4所得到的多孔的石墨烯气凝胶材料；
图5为实施例2所得到的多孔的石墨烯气凝胶材料；
图6为实施例2所得到的多孔的Mxenes气凝胶材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步描述。但本发明的保护范围不仅限于此。
实施例1
将5mg/ml的Mxenes的水悬浮液与碳酸氢钠均匀混合（Mxenes与碳酸氢钠质量比1：1），干燥成膜，随后将其放置于10%的盐酸中，产生气泡，1min后得到了多孔的Mxenes气凝胶材料，如图1，其壁厚为195nm，平均孔径为100μm，密度为11mg/cm3。
实施例2
将5mg/ml的二硫化钼的水悬浮液与碳酸氢钠均匀混合（质量比1：1），干燥成膜，随后将其放置于10%的盐酸中，产生气体发泡，5min后得到了多孔的二硫化钼气凝胶材料，如图2，其壁厚为105nm，平均孔径为87μm，密度为15mg/cm3。
实施例3
将11mg/ml的细菌纤维素的水悬浮液与碳酸钠均匀混合（质量比1：5），干燥成膜，随后将其放置于15%的盐酸中，产生气体发泡，1min后得到了多孔的纤维素气凝胶材料，如图3，其壁厚为360nm，平均孔径为230μm，密度为35mg/cm3。
实施例4
将8mg/ml的氧化石墨烯的悬浮液与等质量的硫酸均匀混合，进行干燥成膜，随后将其放置于10%的碳酸氢钠溶液中，产生气体发泡，1min后得到了多孔的石墨烯气凝胶材料，如图4，其壁厚为50nm，平均孔径为310μm，密度为12mg/cm3。
实施例5
将8mg/ml的氧化石墨烯的悬浮液与等质量的硫酸均匀混合，进行干燥成膜，随后将其放置于含有1%的硼氢化钠和DMF的水溶液中，DMF与水的体积比为1:1；产生气体发泡，10min后得到了多孔的石墨烯气凝胶材料，如图5，其壁厚为30nm，平均孔径为350μm，密度为11mg/cm3。
实施例6
将5mg/ml的Mxenes的水悬浮液与碳酸氢钠均匀混合（Mxenes与碳酸氢钠质量比1：1），干燥成膜，随后将其放置于水中，40摄氏度加热，产生气泡，1min后得到了多孔的Mxenes气凝胶材料，如图6，其壁厚为207nm，平均孔径为122μm，密度为25mg/cm3。

Claims (8)

1.一种制备气凝胶材料的方法，其特征在于，该方法基于湿法塑化发泡实现，具体包括：将待发泡的材料与发泡剂前驱体混合，成膜后，将所得膜放置于塑性溶液中，使得膜塑化和发泡；再经过干燥便制得气凝胶材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的待发泡的材料包石墨烯、二硫化钼、Mxene、纤维素、银纳米线等。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的塑性溶液含有引发所述发泡剂前驱体产生气体的引发剂。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：通过加热的方式引发所述发泡剂前驱体产生气体。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的塑性溶液为塑性剂或含有塑性剂的溶液，所述的塑性剂为可降低待发泡材料的分子间作用力的物质。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的干燥可采用直接干燥、溶剂置换干燥等方式实现。
7.如权利要求1所述方法制备得到的石墨烯气凝胶。
8.权利要求7所述的气凝胶在隔音、隔热、阻尼、吸附、传感、电磁屏蔽及极端环境防护等方面的应用。
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