CN113321523B - 一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材及其制备方法 - Google Patents

一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材及其制备方法，本发明从稻草秸秆中提取纤维素，将纤维素在浓硫酸中进行处理制得纤丝；然后将纤丝溶解于NaOH/1，4‑丁二醇二缩水甘油醚/水混合溶液，同时在混合溶剂中加入石墨烯粉末并放入模具，制得湿凝胶，湿凝胶冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶板材；最后将纤维素基气凝胶板材进行预氧化和碳化，得到高强碳纤维气凝胶板材。本发明的纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的抗压强度达到50MPa以上，说明其抗压强度相当高。本发明的纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的制备方法简单，原料来源广泛，其在板材应用领域具有很好的应用与推广前景。

Description

一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材及其制备 方法
技术领域
本发明属于碳纤维气凝胶板材的制备技术领域，具体涉及一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材及其制备方法。
背景技术
碳气凝胶是一种新型轻质多孔多功能性气凝胶，与其它材料的气凝胶相比，碳气凝胶具有更加优异的性能，如：质量轻、强度可控和比表面积大等优点。碳气凝胶作为多功能性的新材料，其具有很大的市场前景和潜在价值。但是，碳气凝胶具有原材料贵、生产工艺复杂、制备周期长、大规模生产难等不利因素，导致其存在产量低、成本高、产业化推进慢等一系列困难。因此，急需寻求一种经济环保、制备工艺简单和原材料来源广泛的碳气凝胶制备工艺。
纤维素是地球上储量最丰富的生物质，其来源广泛、可再生能力强、价格低廉；此外，纤维素具有良好的生物相容性、降解性好、高比强度和模量等优点，因此，其具有成为制备碳气凝胶的优良潜质。因此，分析认为，以纤维素为原材料的碳气凝胶在绿色环保材料方面将有不可估量的应用价值和商业价值。
碳纤维具有很好的强力性能，碳气凝胶是一种三维网状结构，其力学性能理论上可以达到很高的性能。目前，碳气凝胶受到广泛的研究，中国发明专利申请号201810523261.X报道了一种芳杂环纤维基纳米碳纤维气凝胶材料的制备方法，但是，该气凝胶含有一定比例的氮元素，影响了碳元素含量纯度；中国发明专利申请号201410111598.1报道了一种利用甘蔗渣制备超级电容器碳气凝胶的方法。从目前的碳气凝胶的报道来看，具有高强力性能的碳气凝胶鲜有报道。
发明内容
针对气凝胶材料强度弱的特点，本发明拟提出解决方案，即在碳纤维气凝胶材料中掺加石墨烯，从而实现制备的碳纤维气凝胶材料的含碳量较高。本发明的目的是克服以往技术的不足，提供一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材及其制备方法。本发明的技术方法为碳纤维气凝胶强度的增强提供解决方法。
本发明的目的在于提供一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材，该气凝胶板材首先是从稻草秸秆中提取纤维素，将纤维素在浓硫酸中进行处理制得纤丝；然后将纤丝溶解后与石墨烯粉末混合放入模具，制得湿凝胶，湿凝胶冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶板材；最后将纤维素基气凝胶板材进行预氧化和碳化，得到高强碳纤维气凝胶板材。
本发明的另一目的在于提供上述所述一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)纤维素/石墨烯气凝胶的制备：将稻草秸秆中的纤维素在浓硫酸中进行处理，处理温度为50～60℃，处理时间为2～3小时,制得纤丝；将纤丝溶于NaOH/1,4-丁二醇二缩水甘油醚/水混合溶液体系，SnCl4为催化剂，不断搅拌，同时加入石墨烯粉，直到部分溶液生成湿凝胶，将湿凝胶和剩余溶液转移至模具，放置3～4天待溶液完全生成湿凝胶；然后用去离子水中多次洗涤，在－55～－60℃下冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶板材；
优选地，所述步骤(1)中模具的尺寸为：160cm×40cm×40cm(长×宽×高)；
优选地，所述步骤(1)中石墨烯粉与纤丝的质量比例为：1∶4～6；纤维素与浓硫酸的固液比为1∶10～20；浓硫酸的质量分数为50～60％；纤丝与NaOH/1,4-丁二醇二缩水甘油醚/水溶液的固液比为1∶10～20；NaOH、1,4-丁二醇二缩水甘油醚的质量分数分别为5～10％和3～5％；SnCl4的用量占1,4-丁二醇二缩水甘油醚的质量比为5～10％；
优选地，所述步骤(1)的稻草秸秆中的纤维素的制备方法为：
步骤101、粗蛋白和无机盐的脱除：常温下，将稻草秸秆用1～5g/L的盐酸溶液浸泡2～3小时，稻草秸秆质量(g)与盐酸水溶液体积(mL)的固液比为1︰30～40；然后，常温下将稻草秸秆用5～10g/L的氢氧化钠溶液浸泡5～8小时，固液比为1︰20～30；将用清水清洗至中性；将清洗后的稻草秸秆粉烘干、备用；将清洗后的稻草秸秆用粉碎机打碎至50～100目数；下一步，将稻草秸秆浸入质量分数为80～90％的N，N-二甲基甲酰胺水溶液，固液比为1︰10～20，温度为90～95℃，浸入时间为3～4小时；将稻草秸秆粉用自来水清洗、烘干、备用；
步骤102、木质素的脱除：将步骤101处理后的稻草秸秆浸入3～6g/L的次氯酸钠溶液，设定溶液温度为45～55℃，浸入时间为3～4小时，溶液pH值为10～11；浸入结束后，将其浸入50～100g/L的氢氧化钠溶液，固液比1︰20～25，处理温度95～100℃，处理时间3～4小时；浸泡结束后，稻草秸秆浸泡在质量浓度为3～5g/L漆酶溶液中，控制pH值为6～8，温度为50℃～60℃，浸泡时间为4～5h，固液比为1︰25～30；浸泡结束后，用自来水反复冲洗至中性；
步骤103、半纤维素的脱除：将步骤102处理后的稻草秸秆放入高温高压的密闭水溶液中，固液比为1︰20～25，处理温度为180～220℃，压强为6～12atm，处理时间为2～3小时；
(2)高强碳纤维气凝胶板材的制备：纤维素基气凝胶板材在马弗炉中有氧气氛中进行预氧化，得到预氧化丝；预氧化丝在石墨化炉中无氧气氛条件下进行碳化，得到高强碳纤维气凝胶板材；
优选地，所述步骤(2)中原丝预氧化一般可分三阶段完成，第一氧化温度为200～230℃，氧化时间为30～40min；第二氧化温度为240～250℃，氧化时间为25～30min；第三氧化温度为255～265℃，氧化时间为30～35min。
优选地，所述步骤(2)中预氧化丝的碳化一般可分为三个阶段完成，第一碳化温度为350～700℃，碳化时间为2～3min；第二碳化温度为800～1350℃，碳化时间为2～3min；第三碳化温度为1600～1850℃，碳化时间为2～3min。
本发明具有如下显著特点：
(1)本申请的发明人意外地发现，制备的碳纤维气凝胶板材中掺入了石墨烯，石墨烯的掺入提高了碳气凝胶中碳元素的含量，有利于增强其力学强度。
(2)本发明制备的纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的抗压强度达到50MPa以上，其强度与同等体积的养护7天的混凝土砂浆相当，说明其抗压强度相当高。
(3)本发明中的纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的制备方法简单，原料来源广泛，其在板材应用领域具有很好的应用与推广前景。
附图说明
图1实施例1制备的高强碳纤维气凝胶板材a的电镜图。
具体实施方式
以下所述实施例详细说明了本发明。
实施例1
在本实施例中，一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
(1)纤维素/石墨烯气凝胶的制备：将20g稻草秸秆中的纤维素在300mL质量分数为55％的浓硫酸中进行处理，处理温度为55℃，处理时间为2.5小时,制得纤丝；将15g纤丝溶于225mL的NaOH/1,4-丁二醇二缩水甘油醚/水混合溶液体系，该混合溶液体系中NaOH和1,4-丁二醇二缩水甘油醚的质量分数分别为7.5％和4％；加入0.675g SnCl4催化剂，不断搅拌，同时加入3g石墨烯粉末，直到部分溶液生成湿凝胶，将湿凝胶和剩余溶液转移至模具，模具的尺寸为：160cm×40cm×40cm，放置3.5天待溶液完全生成湿凝胶；然后用去离子水中多次洗涤，在－58℃下冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶板材；
所述步骤(1)的稻草秸秆中的纤维素的制备方法为：
步骤101、粗蛋白和无机盐的脱除：常温下，将稻草秸秆用3g/L的盐酸溶液浸泡2.5小时，稻草秸秆质量(g)与盐酸水溶液体积(mL)的固液比为1︰35；然后，常温下将稻草秸秆用7.5g/L的氢氧化钠溶液浸泡6.5小时，固液比为1︰25；将用清水清洗至中性；将清洗后的稻草秸秆粉烘干、备用；将清洗后的稻草秸秆用粉碎机打碎至80目数；下一步，将稻草秸秆浸入质量分数为85％的N，N-二甲基甲酰胺水溶液，固液比为1︰15，温度为93℃，浸入时间为3.5小时；将稻草秸秆粉用自来水清洗、烘干、备用；
步骤102、木质素的脱除：将步骤101处理后的稻草秸秆浸入4.5g/L的次氯酸钠溶液，设定溶液温度为50℃，浸入时间为3.5小时，溶液pH值为10.5；浸入结束后，将其浸入75g/L的氢氧化钠溶液，固液比1︰23，处理温度97℃，处理时间3.5小时；浸泡结束后，稻草秸秆浸泡在质量浓度为4g/L漆酶溶液中，控制pH值为7，温度为55℃，浸泡时间为4.5h，固液比为1︰27；浸泡结束后，用自来水反复冲洗至中性；
步骤103、半纤维素的脱除：将步骤102处理后的稻草秸秆放入高温高压的密闭水溶液中，固液比为1︰20，处理温度为200～210℃，压强为9atm，处理时间为2.5小时；
(2)高强碳纤维气凝胶板材的制备：纤维素基气凝胶板材在马弗炉中有氧气氛中进行预氧化，原丝预氧化一般可分三阶段完成，第一氧化温度为210℃，氧化时间为35min；第二氧化温度为245℃，氧化时间为28min；第三氧化温度为260℃，氧化时间为33min，制得预氧化丝；预氧化丝在石墨化炉中无氧气氛条件下进行碳化，碳化一般可分为三个阶段完成，第一碳化温度为400～500℃，碳化时间为2.5min；第二碳化温度为900～1000℃，碳化时间为2.5min；第三碳化温度为1700～1800℃，碳化时间为2.5min，得到高强碳纤维气凝胶板材a，其电镜图如图1所示。
实施例2
在本实施例中，一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
(1)纤维素/石墨烯气凝胶的制备：将30g稻草秸秆中的纤维素在300mL质量分数为50％的浓硫酸中进行处理，处理温度为50℃，处理时间为2小时,制得纤丝；将15g纤丝溶于150mL的NaOH/1,4-丁二醇二缩水甘油醚/水混合溶液体系，该混合溶液体系中NaOH和1,4-丁二醇二缩水甘油醚的质量分数分别为5％和3％；加入0.225g SnCl4催化剂，不断搅拌，同时加入3.75g石墨烯粉末，直到部分溶液生成湿凝胶，将湿凝胶和剩余溶液转移至模具，模具的尺寸为：160cm×40cm×40cm，放置3天待溶液完全生成湿凝胶；然后用去离子水中多次洗涤，在－55℃下冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶板材；
所述步骤(1)的稻草秸秆中的纤维素的制备方法为：
步骤101、粗蛋白和无机盐的脱除：常温下，将稻草秸秆用1g/L的盐酸溶液浸泡2小时，稻草秸秆质量(g)与盐酸水溶液体积(mL)的固液比为1︰30；然后，常温下将稻草秸秆用5g/L的氢氧化钠溶液浸泡5小时，固液比为1︰20；将用清水清洗至中性；将清洗后的稻草秸秆粉烘干、备用；将清洗后的稻草秸秆用粉碎机打碎至50目数；下一步，将稻草秸秆浸入质量分数为80％的N，N-二甲基甲酰胺水溶液，固液比为1︰10，温度为90℃，浸入时间为3小时；将稻草秸秆粉用自来水清洗、烘干、备用；
步骤102、木质素的脱除：将步骤101处理后的稻草秸秆浸入3g/L的次氯酸钠溶液，设定溶液温度为45℃，浸入时间为3小时，溶液pH值为10；浸入结束后，将其浸入50g/L的氢氧化钠溶液，固液比1︰20，处理温度95℃，处理时间3小时；浸泡结束后，稻草秸秆浸泡在质量浓度为3g/L漆酶溶液中，控制pH值为6，温度为50℃，浸泡时间为4h，固液比为1︰25；浸泡结束后，用自来水反复冲洗至中性；
步骤103、半纤维素的脱除：将步骤102处理后的稻草秸秆放入高温高压的密闭水溶液中，固液比为1︰25，处理温度为180～190℃，压强为6atm，处理时间为2小时；
(2)高强碳纤维气凝胶板材的制备：纤维素基气凝胶板材在马弗炉中有氧气氛中进行预氧化，预氧化一般可分三阶段完成，第一氧化温度为200℃，氧化时间为30min；第二氧化温度为240℃，氧化时间为25min；第三氧化温度为255℃，氧化时间为30min，得到预氧化丝；预氧化丝在石墨化炉中无氧气氛条件下进行碳化，预氧化丝的碳化一般可分为三个阶段完成，第一碳化温度为350～450℃，碳化时间为2min；第二碳化温度为800～900℃，碳化时间为2min；第三碳化温度为1600～1700℃，碳化时间为2min，得到高强碳纤维气凝胶板材b。
实施例3
在本实施例中，一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
(1)纤维素/石墨烯气凝胶的制备：将15g稻草秸秆中的纤维素在300mL质量分数为60％的浓硫酸中进行处理，处理温度为60℃，处理时间为3小时,制得纤丝；将15g纤丝溶于300mL的NaOH/1,4-丁二醇二缩水甘油醚/水混合溶液体系，该混合溶液体系中NaOH和1,4-丁二醇二缩水甘油醚的质量分数分别为10％和5％；加入1.5g SnCl4催化剂，不断搅拌，同时加入2.5g石墨烯粉末，直到部分溶液生成湿凝胶，将湿凝胶和剩余溶液转移至模具，模具的尺寸为：160cm×40cm×40cm，放置4天待溶液完全生成湿凝胶；然后用去离子水中多次洗涤，在－60℃下冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶板材；
所述步骤(1)的稻草秸秆中的纤维素的制备方法为：
步骤101、粗蛋白和无机盐的脱除：常温下，将稻草秸秆用5g/L的盐酸溶液浸泡3小时，稻草秸秆质量(g)与盐酸水溶液体积(mL)的固液比为1︰40；然后，常温下将稻草秸秆用10g/L的氢氧化钠溶液浸泡8小时，固液比为1︰30；将用清水清洗至中性；将清洗后的稻草秸秆粉烘干、备用；将清洗后的稻草秸秆用粉碎机打碎至100目数；下一步，将稻草秸秆浸入质量分数为90％的N，N-二甲基甲酰胺水溶液，固液比为1︰20，温度为95℃，浸入时间为4小时；将稻草秸秆粉用自来水清洗、烘干、备用；
步骤102、木质素的脱除：将步骤101处理后的稻草秸秆浸入6g/L的次氯酸钠溶液，设定溶液温度为55℃，浸入时间为4小时，溶液pH值为11；浸入结束后，将其浸入100g/L的氢氧化钠溶液，固液比1︰25，处理温度100℃，处理时间4小时；浸泡结束后，稻草秸秆浸泡在质量浓度为5g/L漆酶溶液中，控制pH值为8，温度为60℃，浸泡时间为5h，固液比为1︰30；浸泡结束后，用自来水反复冲洗至中性；
步骤103、半纤维素的脱除：将步骤102处理后的稻草秸秆放入高温高压的密闭水溶液中，固液比为1︰22，处理温度为210～220℃，压强为12atm，处理时间为3小时；
(2)高强碳纤维气凝胶板材的制备：纤维素基气凝胶板材在马弗炉中有氧气氛中进行预氧化，预氧化一般可分三阶段完成，第一氧化温度为230℃，氧化时间为40min；第二氧化温度为250℃，氧化时间为30min；第三氧化温度为265℃，氧化时间为35min，得到预氧化丝；预氧化丝在石墨化炉中无氧气氛条件下进行碳化，预氧化丝的碳化一般可分为三个阶段完成，第一碳化温度为600～700℃，碳化时间为3min；第二碳化温度为1250～1350℃，碳化时间为3min；第三碳化温度为1750～1850℃，碳化时间为3min，得到高强碳纤维气凝胶板材c。
应用性能实施例：
采用压力试验机测定高强碳纤维气凝胶板材a、b和c的抗压强度，测试结果如下表：
Figure BDA0003125885520000061
Figure BDA0003125885520000071
测试结果表明：碳纤维气凝胶板材的抗压强度达到50MPa以上，其强度与同等体积的养护7天的混凝土砂浆相当，说明其抗压强度相当高。

Claims (4)

1.一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）纤维素/石墨烯气凝胶的制备：将稻草秸秆中的纤维素在浓硫酸中进行处理，处理温度为50～60℃，处理时间为2～3小时，制得纤丝；将纤丝溶于NaOH/1，4-丁二醇二缩水甘油醚/水混合溶液体系，SnCl4为催化剂，不断搅拌，同时加入石墨烯粉，直到部分溶液生成湿凝胶，将湿凝胶和剩余溶液转移至模具，放置3～4天待溶液完全生成湿凝胶；然后用去离子水中多次洗涤，在－55～－60℃下冷冻干燥，得到纤维素基气凝胶板材；
（2）高强碳纤维气凝胶板材的制备：纤维素基气凝胶板材在马弗炉中有氧气氛中进行预氧化，得到预氧化丝；预氧化丝在石墨化炉中无氧气氛条件下进行碳化，得到高强碳纤维气凝胶板材；
所述步骤（2）中预氧化分三阶段完成，第一氧化温度为200～230℃，氧化时间为30～40min；第二氧化温度为240～250℃，氧化时间为25～30min；第三氧化温度为255～265℃，氧化时间为30～35min；预氧化丝的碳化分为三个阶段完成，第一碳化温度为350～700℃，碳化时间为2～3min；第二碳化温度为800～1350℃，碳化时间为2～3min；第三碳化温度为1600～1850℃，碳化时间为2～3min。
2.根据权利要求1所述的一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中稻草秸秆中的纤维素的制备方法为：
步骤101、粗蛋白和无机盐的脱除：常温下，将稻草秸秆用1～5g/L的盐酸溶液浸泡2～3小时，稻草秸秆质量与盐酸水溶液体积的固液比为1g︰（30～40）mL；然后，常温下将稻草秸秆用5～10g/L的氢氧化钠溶液浸泡5～8小时，固液比为1︰（20～30）；将用清水清洗至中性；将清洗后的稻草秸秆粉烘干、备用；将清洗后的稻草秸秆用粉碎机打碎至50～100目数；下一步，将稻草秸秆浸入质量分数为80～90%的N，N-二甲基甲酰胺水溶液，固液比为1︰（10～20），温度为90～95℃，浸入时间为3～4小时；将稻草秸秆粉用自来水清洗、烘干、备用；
步骤102、木质素的脱除：将步骤101处理后的稻草秸秆浸入3～6g/L的次氯酸钠溶液，设定溶液温度为45～55℃，浸入时间为3～4小时，溶液pH值为10～11；浸入结束后，将其浸入50～100g/L的氢氧化钠溶液，固液比1︰（20～25），处理温度95～100℃，处理时间3～4小时；浸泡结束后，稻草秸秆浸泡在质量浓度为3～5g/L漆酶溶液中，控制pH值为6～8，温度为50℃～60℃，浸泡时间为4～5h，固液比为1︰25～30；浸泡结束后，用自来水反复冲洗至中性；
步骤103、半纤维素的脱除：将步骤102处理后的稻草秸秆放入高温高压的密闭水溶液中，固液比为1︰（20～25），处理温度为180～220℃，压强为6～12atm，处理时间为2～3小时。
3.根据权利要求1所述的一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中模具尺寸的长、宽、高分别为：160cm、40cm、40cm；石墨烯粉与纤丝的质量比例为：1∶（4～6）；纤维素与浓硫酸的固液比为1g∶（10～20）mL；浓硫酸的质量分数为50～60%；纤丝与NaOH/1，4-丁二醇二缩水甘油醚/水溶液的固液比为1g∶（10～20）mL；NaOH、1，4-丁二醇二缩水甘油醚占NaOH/1，4-丁二醇二缩水甘油醚/水混合溶液的质量分数分别为5～10%和3～5%；SnCl4的用量占1，4-丁二醇二缩水甘油醚的质量比为5～10%。
4.一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材，其特征在于，采用权利要求1～3任一项所述的一种纤维素/石墨烯复合高强力碳纤维气凝胶板材的制备方法制备而成。
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SE539714C2 (en) * 2016-03-11 2017-11-07 Innventia Ab Method of producing shape-retaining cellulose products, and shape-retaining cellulose products therefrom
CN107973283B (zh) * 2017-11-01 2021-05-14 华南理工大学 一种弹性碳气凝胶及其制备方法和应用
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