CN113120879A - 一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113120879A
CN113120879A CN202110445710.5A CN202110445710A CN113120879A CN 113120879 A CN113120879 A CN 113120879A CN 202110445710 A CN202110445710 A CN 202110445710A CN 113120879 A CN113120879 A CN 113120879A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon aerogel
aerogel material
cellulose
nano
graphene oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110445710.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113120879B (zh
Inventor
刘红霞
廖道贵
周宇巧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guilin University of Technology
Original Assignee
Guilin University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guilin University of Technology filed Critical Guilin University of Technology
Priority to CN202110445710.5A priority Critical patent/CN113120879B/zh
Publication of CN113120879A publication Critical patent/CN113120879A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113120879B publication Critical patent/CN113120879B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/194—After-treatment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K9/00—Screening of apparatus or components against electric or magnetic fields
    • H05K9/0073—Shielding materials
    • H05K9/0081—Electromagnetic shielding materials, e.g. EMI, RFI shielding

Abstract

本发明公开了一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用，属于多孔材料制备技术领域。所述碳气凝胶材料通过将纳米纤维素‑氧化石墨烯水分散液与聚甲基丙烯酸甲酯溶液混合，得到纳米纤维素稳定的水包油的Pickering乳液；之后冷冻，得到纳米纤维素‑氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶；之后退火处理得到碳气凝胶材料。本发明制得的三维结构的碳气凝胶材料具有高的压缩应变、优异的耐疲劳性同时兼具优良的电磁屏蔽性能和生物传感性能，在柔性传感器和电磁干扰屏蔽领域具有广阔的应用前景。

Description

一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及多孔材料制备技术领域，特别是涉及一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着通信电子技术的飞速发展，所产生的电磁波会对电子设备造成电磁干扰(EMI)，对设备的运行稳定性和寿命产生不利的影响。如果不提供屏蔽保护，则电磁污染不仅会危害电子设备的正常运行，还会影响人体健康并增加人类患病的风险。因此，消除有害的电磁波对于保护电子通信设备和维持健康的人类生活环境至关重要。同时，随着物联网的飞速发展，能够将压力转化为电信号的柔性压力传感器日益受到人们的关注。
碳气凝胶具有密度低、比表面积高、热/化学稳定性好、导电性好等优点,因此在柔性压力传感器，电磁干扰(EMI)屏蔽、光热转换等领域引起了广泛关注。碳气凝胶一般由纳米碳(如石墨烯或氧化石墨烯(GO)、碳纳米管 (CNT)、生物质材料)合成。其中，氧化石墨烯和石墨烯材料因其易于组装、优异的机械稳定性和优异的电性能等优点而备受关注。然而，由于三维结构的不稳定性和碳的易碎性，所合成的碳气凝胶一般不能表现出高的压缩应变(一般不能超过80％)和优良的耐疲劳性能。因此，制备一种具有高的压缩应变、优异的耐疲劳性同时兼具优良的电磁屏蔽性能和生物传感性能的石墨烯气凝胶是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用，以解决上述现有技术存在的问题，使碳气凝胶材料在具有高的压缩应变、优异的耐疲劳性同时兼具优良的电磁屏蔽性能和生物传感性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明目的之一是提供一种碳气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纳米纤维素-氧化石墨烯水分散液与聚甲基丙烯酸甲酯溶液混合，得到纳米纤维素稳定的水包油的Pickering乳液；
步骤2，将步骤1制得的Pickering乳液冷冻，得到纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶；
步骤3，将步骤2制得的纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶进行退火处理得到碳气凝胶材料。
进一步地，所述纳米纤维素-氧化石墨烯水分散液的质量浓度为0.4wt％，其中纳米纤维素与氧化石墨烯的质量比为1:1；所述纳米纤维素为直径介于 1～100nm之间的、从棉花、木材、竹子或麻类中提取制备的纤维素纳米晶和纤维素纳米纤。
进一步地，所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液为含有聚甲基丙烯酸甲酯的有机溶剂，所述有机溶剂为二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、氯仿、正己烷或环己烷中的一种或几种的混合物；所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液的质量浓度为 2～5wt％。
进一步地，纳米纤维素-氧化石墨烯水分散液与聚甲基丙烯酸甲酯溶液的体积比为3～4:1。
进一步地，步骤1混合之后还包括超声、手摇的步骤。
进一步地，步骤2所述冷冻分为两个阶段，第一阶段为在-30～-10℃冷冻8小时，第二阶段为-50℃、真空度为25Pa的条件下冷冻48小时。
进一步地，步骤3所述退火处理为从25℃升温至300℃，升温速率为 3～11℃/min，在300℃保温0～30min，再从300℃升温至800℃，升温速率为5℃/min，并在800℃保温80min。
本发明目的之二是提供一种利用上述制备方法制备得到的碳气凝胶材料。
本发明目的之三是提供上述的碳气凝胶材料在电磁屏蔽领域的应用。
本发明目的之四是提供上述的碳气凝胶材料在柔性压力传感领域的应用。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明方法适用于含有各种聚合物(比如聚苯乙烯、聚乳酸、丁腈橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯)的有机溶剂(所述有机溶剂与水不相溶，但是可溶解相应的聚合物)的纳米纤维素稳定溶液，具有普遍适用性；
(2)本发明制备工艺简便快捷，易于大规模生产；
(3)本发明制得的三维结构的碳气凝胶材料具有高的压缩应变、优异的耐疲劳性同时兼具优良的电磁屏蔽性能和生物传感性能，在柔性传感器和电磁干扰屏蔽领域具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1-4制备的碳气凝胶材料的SEM图，其中a为实施例1， b为实施例2，c为实施例3，d为实施例4；
图2a为对比例1制备的碳气凝胶材料在压缩至80％后恢复过程的数码照片，图2b为实施例3制备的碳气凝胶材料在压缩至99.3％后恢复过程的数码照片；
图3a为实施例3制备的碳气凝胶材料在应变30％-90％的应力应变曲线；
图3b为实施例3制备的碳气凝胶材料在应变80％的循环应力应变曲线；
图4a为实施例3制备的碳气凝胶材料实施规律性压力的电流响应图；
图4b为实施例3制备的碳气凝胶材料应用于可穿戴传感器，监测人面部表情的电流信号图；
图5a为实施例1-4和对比例1制备的碳气凝胶材料的电磁干扰屏蔽性能；
图5b为实施例1-4和对比例1制备的碳气凝胶材料在频率为10.2GHz 的总电磁屏蔽性能、电磁波吸收和电磁波反射图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
本发明所使用的化学试剂和原料如无特殊说明均为分析纯及以上纯度
实施例1
步骤(1)：取1.2ml质量浓度为2wt％的聚甲基丙烯酸甲酯的1，2-二氯乙烷溶液；加入到4.8mL质量浓度为0.4wt％的纳米纤维素-氧化石墨烯混合的水分散液中(其中，纳米纤维素和氧化石墨烯水分散液的质量浓度均为0.2wt％，纳米纤维素的直径介于1nm-100nm之间)，然后将混合液在功率为400W的超声仪器中超声5min，手摇，重复6次，得到纳米纤维素稳定的水包油的Pickering乳液。
步骤(2)：将步骤(1)中制得的Pickering乳液在-10℃下冷冻8h，然后再放入-50℃、真空度为25Pa的冷冻干燥机中冷冻48h，即制得纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶。
步骤(3)：将步骤(2)中获得的纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶放入管式炉中，经过退火工艺处理(从25℃升温至300℃，升温速率为11℃/min,在300℃保温30min，再从300℃升温至800℃，升温速率为5℃/min，并在800℃保温80min)，最后得到碳气凝胶材料(纳米纤维素-还原氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯)。
本实施例所用试剂均为分析纯。
结果：所制得的碳气凝胶材料的SEM图如图1a所示；在X波段 (8.2-12.4GHz)的总电磁屏蔽效能如图5a所示；在频率为10.2GHz的总电磁屏蔽性能、电磁波吸收和电磁波反射图如图5b所示。
所制得的碳气凝胶材料可以压缩80％后完全回弹，在80％的固定应变下循环5000次后最大应力保留率为74.8％，对电流响应的灵敏度为 17.64KPa-1，在8.2-12.4GHz频率下电磁屏蔽性能为36.75dB。
实施例2
步骤(1)：取1.2ml质量浓度为2wt％的聚甲基丙烯酸甲酯的1，2-二氯乙烷溶液；加入到3.6mL质量浓度为0.4wt％的纳米纤维素-氧化石墨烯混合的水分散液中(其中，纳米纤维素和氧化石墨烯水分散液的质量浓度均为0.2wt％，纳米纤维素的直径介于1nm-100nm之间)，然后将混合液在功率为400W的超声仪器中超声5min，手摇，重复6次，得到纳米纤维素稳定的水包油的Pickering乳液。
步骤(2)：将步骤(1)中制得的Pickering乳液在-10℃下冷冻8h，然后再放入-50℃、真空度为25Pa的冷冻干燥机中冷冻48h，即制得纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶。
步骤(3)：将步骤(2)中获得的纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶放入管式炉中，经过退火工艺处理(从25℃升温至300℃，升温速率为11℃/min,在300保温30min，再从300℃升温至800℃，升温速率为5℃/min，并在800℃保温80min)，最后得到碳气凝胶材料(纳米纤维素-还原氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯)。
本实施例所用试剂均为分析纯。
结果：所制备的碳气凝胶材料的SEM图如图1b所示；在X波段 (8.2-12.4GHz)的总电磁屏蔽效能如图5a所示；在频率为10.2GHz的总电磁屏蔽性能、电磁波吸收和电磁波反射图如图5b所示。
所制得的碳气凝胶材料可以压缩80％后完全回弹，在80％的固定应变下循环5000次后最大应力保留率为78.8％，对电流响应的灵敏度为 18.42kPa-1，在8.2-12.4GHz频率下电磁屏蔽性能为33.28dB。
实施例3
步骤(1)：取1.2ml质量浓度为5wt％的聚甲基丙烯酸甲酯的1，2-二氯乙烷溶液；加入到4.8mL质量浓度为0.4wt％的纳米纤维素-氧化石墨烯混合的水分散液中(其中，纳米纤维素和氧化石墨烯水分散液的质量浓度均为0.2wt％，纳米纤维素的直径介于1nm-100nm之间)，然后将混合液在功率为400W的超声仪器中超声5min，手摇，重复6次，得到纳米纤维素稳定的水包油的Pickering乳液。
步骤(2)：将步骤(1)中制得的Pickering乳液在-10℃下冷冻8h，然后再放入-50℃、真空度为25Pa的冷冻干燥机中冷冻48h，即制得纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶。
步骤(3)：将步骤(2)中获得的纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶放入管式炉中，经过退火工艺处理(从25℃升温至300℃，升温速率为11℃/min,在300保温30min，再从300℃升温至800℃，升温速率为5℃/min，并在800℃保温80min)，最后得到碳气凝胶材料(纳米纤维素-还原氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯)。
本实施例所用试剂均为分析纯。
结果：所制备的碳气凝胶材料的SEM图如图1c所示；碳气凝胶材料在压缩至99.3％后恢复过程的数码照片如图2b所示；碳气凝胶材料在应变 30％-90％的应力应变曲线如图3a所示；碳气凝胶材料在应变80％的循环应力应变曲线如图3b所示；碳气凝胶材料实施规律性压力的电流响应图如图 4a所示；碳气凝胶材料应用于可穿戴传感器，监测人面部表情的电流信号图如图4b所示；在X波段(8.2-12.4GHz)的总电磁屏蔽效能如图5a所示；在频率为10.2GHz的总电磁屏蔽性能、电磁波吸收和电磁波反射图如图5b 所示。
所制得的碳气凝胶材料可以压缩99.3％后完全回弹，在80％的固定应变下循环5000次后最大应力保留率为85.4％，对电流响应的灵敏度为21.63kPa-1，在8.2-12.4GHz频率下电磁屏蔽性能为27.91dB。
实施例4
步骤(1)：取1.2ml质量浓度为5wt％的聚甲基丙烯酸甲酯的1，2-二氯乙烷溶液；加入到3.6mL质量浓度为0.4wt％的纳米纤维素-氧化石墨烯混合的水分散液中(其中，纳米纤维素和氧化石墨烯水分散液的质量浓度均为0.2wt％，纳米纤维素的直径介于1nm-100nm之间)，然后将混合液在功率为400W的超声仪器中超声5min，手摇，重复6次，得到纳米纤维素稳定的水包油的Pickering乳液。
步骤(2)：将步骤(1)中制得的Pickering乳液在-10℃下冷冻8h，然后再放入-50℃、真空度为25Pa的冷冻干燥机中冷冻48h，即制得纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶。
步骤(3)：将步骤(2)中获得的纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶放入管式炉中，经过退火工艺处理(从25℃升温至300℃，升温速率为11℃/min,在300保温30min，再从300℃升温至800℃，升温速率为5℃/min，并在800℃保温80min)，最后得到碳气凝胶材料(纳米纤维素-还原氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯)。
本实施例所用试剂均为分析纯。
结果：所制备的碳气凝胶材料的SEM图如图1d所示；在X波段 (8.2-12.4GHz)的总电磁屏蔽效能如图5a所示；在频率为10.2GHz的总电磁屏蔽性能、电磁波吸收和电磁波反射图如图5b所示。
所制得的碳气凝胶材料可以压缩80％后完全回弹，在80％的固定应变下循环5000次后最大应力保留率为82.4％，对电流响应的灵敏度为19.21kPa-1，在8.2-12.4GHz频率下电磁屏蔽性能为26.04dB。
实施例5
步骤(1)：取1.2ml质量浓度为3wt％的聚甲基丙烯酸甲酯的二氯甲烷溶液；加入到4.2mL质量浓度为0.4wt％的纳米纤维素-氧化石墨烯混合的水分散液中(其中，纳米纤维素和氧化石墨烯水分散液的质量浓度均为 0.2wt％，纳米纤维素的直径介于1nm-100nm之间)，然后将混合液在功率为400W的超声仪器中超声5min，手摇，重复6次，得到纳米纤维素稳定的水包油的Pickering乳液。
步骤(2)：将步骤(1)中制得的Pickering乳液在-20℃下冷冻8h，然后再放入-50℃、真空度为25Pa的冷冻干燥机中冷冻48h，即制得纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶。
步骤(3)：将步骤(2)中获得的纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶放入管式炉中，经过退火工艺处理(从25℃升温至300℃，升温速率为3℃/min,再从300℃升温至800℃，升温速率为5℃/min，并在 800℃保温80min)，最后得到碳气凝胶材料(纳米纤维素-还原氧化石墨烯 /聚甲基丙烯酸甲酯)。
本实施例所用试剂均为色谱纯。
结果：所制得的碳气凝胶材料可以压缩80％后完全回弹，在80％的固定应变下循环5000次后最大应力保留率为74.2％，对电流响应的灵敏度为 16.24kPa-1，在8.2-12.4GHz频率下电磁屏蔽性能为25.75dB。
实施例6
步骤(1)：取1.2ml质量浓度为4wt％的聚甲基丙烯酸甲酯的氯仿+环己烷+正己烷(氯仿：环己烷：正己烷的体积比为1:1:1)溶液；加入到4.8mL 质量浓度为0.4wt％的纳米纤维素-氧化石墨烯混合的水分散液中(其中，纳米纤维素和氧化石墨烯水分散液的质量浓度均为0.2wt％，纳米纤维素的直径介于1nm-100nm之间)，然后将混合液在功率为400W的超声仪器中超声5min，手摇，重复6次，得到纳米纤维素稳定的水包油的Pickering 乳液。
步骤(2)：将步骤(1)中制得的Pickering乳液在-30℃下冷冻8h，然后再放入-50℃、真空度为25Pa的冷冻干燥机中冷冻48h，即制得纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶。
步骤(3)：将步骤(2)中获得的纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶放入管式炉中，经过退火工艺处理(从25℃升温至300℃，升温速率为8℃/min,在300保温20min，再从300℃升温至800℃，升温速率为5℃/min，并在800℃保温80min)，最后得到碳气凝胶材料(纳米纤维素-还原氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯)。
本实施例所用试剂均为分析纯。
结果：所制得的碳气凝胶材料可以压缩80％后完全回弹，在80％的固定应变下循环5000次后最大应力保留率为72.6％，对电流响应的灵敏度为 15.68kPa-1，在8.2-12.4GHz频率下电磁屏蔽性能为25.92dB。
对比例1
与实施例3不同之处在于，省略了步骤(1)中聚甲基丙烯酸甲酯的1， 2-二氯乙烷溶液的添加。
结果：所得碳气凝胶材料压缩至80％后恢复的数码照片如图2a所示。所制得的碳气凝胶材料在X波段(8.2-12.4GHz)的总电磁屏蔽效能如图 5a所示；在频率为10.2GHz的总电磁屏蔽性能、电磁波吸收和电磁波反射图如图5b所示。
所制得的碳气凝胶材料在压缩至80％后不能回弹，表现出严重的变形。在8.2-12.4GHz频率下电磁屏蔽性能为44.93dB。
对比例2
与实施例3不同之处在于，省略了步骤(3)。
结果：所制得的气凝胶材料压缩至80％后不能回弹，表现出严重的变形。
采用场发射扫描电子显微镜扫描实施例1-4制得的碳气凝胶材料，结果如图1，其中a为实施例1，b为实施例2，c为实施例3，d为实施例4 所制得的碳气凝胶材料的SEM图。由图1可以看出，实施例1-4制得的碳气凝胶材料均为三维蜂窝状网络结构，实施例3-4所制得的碳气凝胶材料相比实施例1-2，孔隙结构更加规整，孔壁间的交联结构更加完善。
采用深圳三思UTM-500型万能材料试验机对实施例3和对比例1制得的碳气凝胶材料进行了力学性能测试，结果如图2和图3，图2a为对比例1制备的碳气凝胶材料在压缩至80％后恢复过程的数码照片，图2b为实施例3制备的碳气凝胶材料在压缩至99.3％后恢复过程的数码照片。图 3a为实施例3制备的碳气凝胶材料在应变30％-90％的应力应变曲线；图 3b为实施例3制备的碳气凝胶材料在应变80％的循环应力应变曲线。从图 2和图3中可以看出，实施例3所制得的碳气凝胶材料具有高压缩性和高回弹性，可以压缩99.3％后完全回弹(此处的99.3％是指压缩量)，并且其在80％的固定应变下循环5000次后最大应力保留率高达85.4％，说明本发明所制得的碳气凝胶材料具有优异的耐疲劳性能。
采用CHI690电化学工作站测试实施例3制得的碳气凝胶材料的压阻传感性能，结果如图4，图4a为实施例3制备的碳气凝胶材料实施规律性压力的电流响应图；图4b为实施例3制备的碳气凝胶材料应用于可穿戴传感器，监测人面部表情的电流信号图。从图4a中可以看出，随着应力的增加，响应电流亦随之增大。这是由于压力压缩使得碳气凝胶材料内部组成孔壁结构的RGO片层彼此接触，导电通路增加从而减小了电阻。此外，依据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
可以算得其灵敏度为21.63kPa-1。进一步将其应用于可穿戴传感器，如图4b，当做不同面部表情时(鼓腮Puff、眯眼Close eyes、张嘴Open mouth)，其响应电流的强度不一样，因此，其可以识别人体的面部表情，在可穿戴柔性传感器领域有良好的应用前景。
通过N5230A型微波网络分析仪测定实施例1-4以及对比例1所制得的碳气凝胶材料的电磁干扰屏蔽性能，结果如图4，其中图5a为实施例1-4 以及对比例1制得的碳气凝胶材料在X波段(8.2-12.4GHz)的总电磁屏蔽效能，其中图5b为实施例1-4以及对比例1制得的碳气凝胶材料在频率为 10.2GHz的总电磁屏蔽性能(SEtotal)、电磁波吸收(SEA)和电磁波反射图(SER)。从图5中可以看出，实施例1制得的碳气凝胶材料的电磁屏蔽性能在8.2-12.4GHz频率下为36.75dB，实施例2为33.28dB，实施例3为 27.91dB，实施例4为26.04dB，对比例1为44.93dB，所有的碳气凝胶材料的电磁屏蔽性能均满足最低民用材料的要求(20dB)。此外，由于碳气凝胶表面的多孔结构使得电磁波入射后其反射损耗(SER)极低且不受初始GO质量分数影响，吸收损耗(SEA)随初始GO质量分数的增加而增加，因此可以看出这是一种以电磁波吸收为主要屏蔽方式的电磁屏蔽材料。相比反射为主的电磁屏蔽材料不会造成二次污染，对环境友好。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将纳米纤维素-氧化石墨烯水分散液与聚甲基丙烯酸甲酯溶液混合，得到纳米纤维素稳定的水包油的Pickering乳液；
步骤2，将步骤1制得的Pickering乳液冷冻，得到纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶；
步骤3，将步骤2制得的纳米纤维素-氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合气凝胶进行退火处理得到碳气凝胶材料。
2.根据权利要求1所述的碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素-氧化石墨烯水分散液的质量浓度为0.4wt％，其中纳米纤维素与氧化石墨烯的质量比为1:1；所述纳米纤维素为直径介于1～100nm之间的、从棉花、木材、竹子或麻类中提取制备的纤维素纳米晶和纤维素纳米纤。
3.根据权利要求1所述的碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液为聚甲基丙烯酸甲酯溶于有机溶剂的溶液，所述有机溶剂为二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、氯仿、正己烷或环己烷中的一种或几种的混合物；所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液的质量浓度为2～5wt％。
4.根据权利要求1所述的碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于，纳米纤维素-氧化石墨烯水分散液与聚甲基丙烯酸甲酯溶液的体积比为3～4:1。
5.根据权利要求1所述的碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤1混合之后还包括超声、手摇的步骤。
6.根据权利要求1所述的碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤2所述冷冻分为两个阶段，第一阶段为在-30～-10℃冷冻8小时，第二阶段为-50℃、真空度为25Pa的条件下冷冻48小时。
7.根据权利要求1所述的碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤3所述退火处理为从25℃升温至300℃，升温速率为3～11℃/min，在300℃保温0～30min，再从300℃升温至800℃，升温速率为5℃/min，并在800℃保温80min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的碳气凝胶材料。
9.如权利要求8所述的碳气凝胶材料在电磁屏蔽领域的应用。
10.如权利要求8所述的碳气凝胶材料在柔性压力传感领域的应用。
CN202110445710.5A 2021-04-25 2021-04-25 一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用 Active CN113120879B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110445710.5A CN113120879B (zh) 2021-04-25 2021-04-25 一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110445710.5A CN113120879B (zh) 2021-04-25 2021-04-25 一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113120879A true CN113120879A (zh) 2021-07-16
CN113120879B CN113120879B (zh) 2023-03-28

Family

ID=76779754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110445710.5A Active CN113120879B (zh) 2021-04-25 2021-04-25 一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113120879B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114195122A (zh) * 2021-12-22 2022-03-18 北京理工大学 一种复合多孔碳气凝胶材料及其制备方法和用途
CN115849350A (zh) * 2022-12-28 2023-03-28 东莞市鸿亿导热材料有限公司 一种石墨烯气凝胶及其制备方法

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140134415A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Sustainable hybrid organic aerogels and methods and uses thereof
CA2892237A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 Api Intellectual Property Holdings, Llc Processes and apparatus for producing nanocellulose, and compositions and products produced therefrom
US20150368368A1 (en) * 2014-06-23 2015-12-24 Api Intellectual Property Holdings, Llc Nanocellulose compositions and processes to produce same
CN105566659A (zh) * 2015-12-25 2016-05-11 郑州轻工业学院 一种氧化石墨烯/纳米纤维素气凝胶及其制备方法和应用
CN106117592A (zh) * 2016-07-21 2016-11-16 桂林理工大学 一种纳米纤维素/聚合物复合气凝胶的制备方法
CN106459330A (zh) * 2013-03-13 2017-02-22 Energ2技术股份有限公司 改进的乳液和悬浮液聚合方法，和产生自该方法的碳的改进的电化学性能
CN106422995A (zh) * 2015-08-11 2017-02-22 中国科学院化学研究所 一种石墨烯气凝胶和其杂化复合材料及其制备方法与应用
CN107128895A (zh) * 2017-05-31 2017-09-05 中南林业科技大学 一种高强度网络结构纳米载体材料的制备方法
CN108148224A (zh) * 2017-12-12 2018-06-12 明基材料有限公司 石墨烯/纤维素复合气凝胶及其制造方法
CN108172420A (zh) * 2017-12-18 2018-06-15 北京理工大学 碳纳米球纤维杂化气凝胶超级电容器电极材料及其制备方法和用途
CN108579626A (zh) * 2018-04-26 2018-09-28 南京林业大学 纤维素纳米晶体/石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的制备方法
CN110294912A (zh) * 2019-06-30 2019-10-01 桂林理工大学 一种导电型聚合物基复合电磁屏蔽材料的制备方法
KR20190137376A (ko) * 2018-06-01 2019-12-11 이성균 A.소수성·기능성 나노시트(나노튜브) 나노 셀룰로오스 에어로겔. 외
CN111040232A (zh) * 2019-11-19 2020-04-21 山东大学深圳研究院 通过环己烷超声乳化作用制备纤维素纳米纤维气凝胶的方法及其应用
CN111187598A (zh) * 2020-01-21 2020-05-22 大连工业大学 一种双网络相变气凝胶及其制备方法
CN111363188A (zh) * 2019-12-17 2020-07-03 华东理工大学 超轻纤维素纳米晶体气凝胶材料的制备方法
CN112552553A (zh) * 2020-12-09 2021-03-26 桂林理工大学 一种复合泡沫多孔材料及其制备方法与应用

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140134415A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Sustainable hybrid organic aerogels and methods and uses thereof
CA2892237A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 Api Intellectual Property Holdings, Llc Processes and apparatus for producing nanocellulose, and compositions and products produced therefrom
CN106459330A (zh) * 2013-03-13 2017-02-22 Energ2技术股份有限公司 改进的乳液和悬浮液聚合方法，和产生自该方法的碳的改进的电化学性能
US20150368368A1 (en) * 2014-06-23 2015-12-24 Api Intellectual Property Holdings, Llc Nanocellulose compositions and processes to produce same
CN106422995A (zh) * 2015-08-11 2017-02-22 中国科学院化学研究所 一种石墨烯气凝胶和其杂化复合材料及其制备方法与应用
CN105566659A (zh) * 2015-12-25 2016-05-11 郑州轻工业学院 一种氧化石墨烯/纳米纤维素气凝胶及其制备方法和应用
CN106117592A (zh) * 2016-07-21 2016-11-16 桂林理工大学 一种纳米纤维素/聚合物复合气凝胶的制备方法
CN107128895A (zh) * 2017-05-31 2017-09-05 中南林业科技大学 一种高强度网络结构纳米载体材料的制备方法
CN108148224A (zh) * 2017-12-12 2018-06-12 明基材料有限公司 石墨烯/纤维素复合气凝胶及其制造方法
CN108172420A (zh) * 2017-12-18 2018-06-15 北京理工大学 碳纳米球纤维杂化气凝胶超级电容器电极材料及其制备方法和用途
CN108579626A (zh) * 2018-04-26 2018-09-28 南京林业大学 纤维素纳米晶体/石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的制备方法
KR20190137376A (ko) * 2018-06-01 2019-12-11 이성균 A.소수성·기능성 나노시트(나노튜브) 나노 셀룰로오스 에어로겔. 외
CN110294912A (zh) * 2019-06-30 2019-10-01 桂林理工大学 一种导电型聚合物基复合电磁屏蔽材料的制备方法
CN111040232A (zh) * 2019-11-19 2020-04-21 山东大学深圳研究院 通过环己烷超声乳化作用制备纤维素纳米纤维气凝胶的方法及其应用
CN111363188A (zh) * 2019-12-17 2020-07-03 华东理工大学 超轻纤维素纳米晶体气凝胶材料的制备方法
CN111187598A (zh) * 2020-01-21 2020-05-22 大连工业大学 一种双网络相变气凝胶及其制备方法
CN112552553A (zh) * 2020-12-09 2021-03-26 桂林理工大学 一种复合泡沫多孔材料及其制备方法与应用

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YANJUN WAN等: "Ultralight, super-elastic and volume-preserving cellulose fiber/graphene aerogel for high-performance electromagnetic interference shielding", 《CARBON》 *
YINGYING HE等: "Cellulose nanofibrils-based hybrid foam generated from Pickering emulsion toward high-performance microwave absorption", 《CARBOHYDRATE POLYMERS》 *
刘淑毓: "纤维素纳米晶在液液界面处的自组装行为及应用研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 （工程科技Ⅰ辑）》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114195122A (zh) * 2021-12-22 2022-03-18 北京理工大学 一种复合多孔碳气凝胶材料及其制备方法和用途
CN114195122B (zh) * 2021-12-22 2023-08-08 北京理工大学 一种复合多孔碳气凝胶材料及其制备方法和用途
CN115849350A (zh) * 2022-12-28 2023-03-28 东莞市鸿亿导热材料有限公司 一种石墨烯气凝胶及其制备方法
CN115849350B (zh) * 2022-12-28 2024-01-16 东莞市鸿亿导热材料有限公司 一种石墨烯气凝胶及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113120879B (zh) 2023-03-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113120879B (zh) 一种碳气凝胶材料及其制备方法与应用
Lv et al. Exceptionally porous three-dimensional architectural nanostructure derived from CNTs/graphene aerogel towards the ultra-wideband EM absorption
Wan et al. Graphene oxide/cellulose aerogels nanocomposite: Preparation, pyrolysis, and application for electromagnetic interference shielding
Chen et al. Construction of C-Si heterojunction interface in SiC whisker/reduced graphene oxide aerogels for improving microwave absorption
CN101781458B (zh) 一种石墨烯-有机酸掺杂聚苯胺复合材料及其制备方法
Wang et al. Lightweight and elastic wood-derived composites for pressure sensing and electromagnetic interference shielding
CN109607509B (zh) 一种高电磁屏蔽效能全生物质基碳气凝胶的制备方法
Luo et al. In-situ polymerization of PPy/cellulose composite sponge with high elasticity and conductivity for the application of pressure sensor
KR101101172B1 (ko) 탄소나노튜브 정제 방법 및 이를 이용하여 제조된 탄소나노튜브를 포함하는 전자파 흡수체
Du et al. Fabricating lignin-based carbon nanofibers as versatile supercapacitors from food wastes
CN108570163A (zh) 一种基于纳米纤维素的高效电磁屏蔽多孔材料的制备方法
CN110642590A (zh) 一种超疏水、高吸收电磁屏蔽效能纤维素基复合碳气凝胶的制备方法
Yang et al. A conductive polymer composed of a cellulose-based flexible film and carbon nanotubes
Wang et al. Lightweight, stiff and Heat-Resistant Bamboo-Derived carbon scaffolds with gradient aligned microchannels for highly efficient EMI shielding
CN114150496A (zh) 一种具有电磁屏蔽和压阻传感性能的柔性纳米纤维膜及其制备方法
CN113845690A (zh) 一种壳聚糖/蒙脱土气凝胶及其制备方法
CN112629718A (zh) 一种三维层状MXene-木头海绵电极及其制备方法和应用
CN110294912B (zh) 一种导电型聚合物基复合电磁屏蔽材料的制备方法
Liu et al. Humidity sensitive cellulose composite aerogels with enhanced mechanical performance
Shi et al. Strain-responsive 3D hierarchical composites for smart microwave absorption modulation within broad C-Ku band
Cai et al. Preparation of a biomass-derived electromagnetic wave absorber with potential EM shielding application in interior decoration surface coating
CN113773688A (zh) 一种功能化纳米复合电磁屏蔽涂料及制备方法和应用
KR101152737B1 (ko) 라이오셀 복합체, 이의 제조방법 및 이의 용도
CN110628215B (zh) 一种聚苯胺/芳纶纳米纤维导电复合薄膜及其制备方法
CN113527677A (zh) 对甲苯磺酸掺杂聚吡咯/多壁碳纳米管复合材料

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant