CN113600132B - 一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法 - Google Patents

一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及石墨烯应用领域，具体公开了一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法，包括以下步骤：S1、插层石墨烯纳米片的制备：利用鳞片石墨制备出氧化石墨，然后经过水热插层二元醇制备出插层石墨烯纳米片；S2、石墨烯分散液的制备；S3、发泡海绵的制备：将S2中制备的石墨烯分散液与助剂、异氰酸酯通过泵混合发泡得到发泡海绵；S4、海绵成品的制备：将S3中得到的发泡海绵先冷却，然后熟化定型，再经过爆破、裁剪、烘干除味得到海绵成品，即插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵。本发明适应大规模生产的要求，制备中保证了石墨烯的分散，爆破后石墨烯充分的得到暴露和利用，本发明回弹性优，疏水能力强，能较好的吸附室内有害气体。

Description

一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯应用领域，具体是一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种在外界环境中能稳定存在的二维碳材料，碳原子以六边形网格状排列的单层石墨片层，只有一个原子大小的厚度，它具有很大的比表面积，是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，被誉为新材料之王和黑金。随着石墨烯制备技术的发展，石墨烯的制备成本大大降低，使得石墨烯得到广泛的应用。
石墨烯借助于3D海绵多孔道形式，功能化海绵的结构制成吸附用石墨烯海绵，现有的制备方法，主要的物理吸附法中石墨烯与海绵的结合能力差，重复使用率低，树脂包裹法堵塞了海绵的孔道结构，不利于发挥其吸附性能，石墨烯直接混合发泡法制备的材料石墨烯分布不均匀，且发泡成闭孔结构不利于吸附。
因此需要研发一种从其吸附性能上能提高的石墨烯海绵的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法，通过制备适合海绵中应用的少层片状插层石墨烯，再将少层插层石墨烯用砂磨机分散到聚醚多元醇中，保证石墨烯能均匀分散；发泡材料熟化后开孔爆破的过程，使石墨烯充分的暴露，既增加了石墨烯的暴露面积又提高了石墨烯的利用率；本发明的所述制备方法具有绿色、便捷、原子产率高、适应大规模工业化生产等优点，且改性海绵材料中石墨烯的分散性好，添加量大，海绵的回弹性优，疏水能力强，对空气重的甲苯和酮类气体具有较好的吸附效果，可以应用于空气净化材料。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1、插层石墨烯纳米片的制备：利用鳞片石墨制备出氧化石墨，然后经过水热插层二元醇制备出插层石墨烯纳米片；
S2、石墨烯分散液的制备：将S1中制备的插层石墨烯纳米片分散在粘度大的聚醚多元醇中，在砂磨机中分散得到石墨烯分散液；
S3、发泡海绵的制备：将S2中制备的石墨烯分散液与助剂、异氰酸酯通过泵混合发泡得到发泡海绵；
S4、海绵成品的制备：将S3中得到的发泡海绵先冷却，然后熟化定型，再经过爆破、裁剪、烘干除味得到海绵成品，即插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵。
优选的，所述S1中插层石墨烯纳米片采用氧化的方法制备，即冰水浴条件下，利用改进的Hummers方法制备出氧化石墨烯，然后加入二元醇，在200℃条件下水热4h，得二元醇插层的少层氧化石墨烯纳米片，即插层石墨烯纳米片。
优选的，所述改进的Hummers方法包括以下步骤：
T1、准备质量比例为1:3:3的200目鳞片石墨、硝酸钠和高猛酸钾，并且将硝酸钠和高锰酸钾各平均分成三份；
T2、然后向装有200目鳞片石墨的反应器内各分三次加入硝酸钠和高猛酸钾，边加入边搅拌；
T3、当搅拌1h后升温至90℃，恒温回流1h，待溶液变成深褐色后，分别用过氧化氢(30％)和10％盐酸离心洗涤三次。
优选的，所述二元醇为乙二醇或1，4-丁二醇。
优选的，所述S2中的石墨烯纳米片的含量为3～5％。
优选的，所述S3中的助剂包括有机胺催化剂、锡类催化剂、有机硅泡沫稳定剂和水。
优选的，所述S3中的助剂、石墨烯分散液与异氰酸酯按重量份混合通过泵发泡，所述原料重量份分别为石墨烯分散液60～100份，有机胺催化剂0.1～0.3份，锡类催化剂0.1～0.3份，有机硅泡沫稳定剂1～3份，水3～6份，甲苯二异氰酸酯30～50份。
本发明的有益效果是：本发明适应大规模生产的要求，少层插层石墨烯能保证石墨烯的分散，爆破后使海绵的孔道充分暴露，便于发挥其吸附性能，具有较好的吸附室内有害气体，将在吸附材料市场具有较好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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它附图。
图1是本发明的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备流程图；
图2是本发明的实例1中Hummers方法结合水热法制备的少层插入石墨烯的扫描电子显微镜图；
图3是本发明的实施例1制备的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的光学显微镜图；
图4是本发明的实施例1制备的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的接触角示意图；
图5是本发明的实施例1制备的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的对二甲苯和环己酮的吸附性能图；
图6是本发明的实例1制备的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵对环己酮和乙醇的吸附性能图；
图7是本发明的实例2中Hummers方法结合水热法制备的少层插入石墨烯的扫描电子显微镜图；
图8是本发明的实施例2制备的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的光学显微镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供了插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法，制备流程如图1所示。
S1、插层石墨烯纳米片的制备：冰水浴条件下，利用改进的Hummers方法制备出氧化石墨烯，首先准备质量比例为1:3:3的200目鳞片石墨、硝酸钠和高猛酸钾，并且将硝酸钠和高锰酸钾各平均分成三份，然后向装有200目鳞片石墨的反应器内各分三次加入硝酸钠和高猛酸钾，边加入边搅拌；当搅拌1h后升温至90℃，恒温回流1h，待溶液变成深褐色后，分别用过氧化氢(30％)和10％盐酸离心洗涤三次，得到氧化石墨烯；然后再加入乙二醇，200℃条件下水热4h，得乙二醇插层的少层氧化石墨烯纳米片，即插层石墨烯纳米片。
S2、石墨烯分散液的制备：将S1制备的插层石墨烯纳米片在砂磨机中分散到聚醚多元醇中，石墨烯纳米片的含量控制在3～5％。
S3、发泡海绵的制备：将S2中制备的石墨烯分散液与助剂、异氰酸酯通过泵按重量份混合发泡得到发泡海绵；具体地，各原料重量份分别为石墨烯分散液60～100份，三乙烯二胺催化剂0.1～0.3份，辛酸亚锡(T-9)催化剂0.1～0.3份，乙氧基改性三硅氧烷(IOTA-2000)1～3份，水3～6份，甲苯二异氰酸酯(2,4-位约80％，2,6-位约20％)为30～50份。
(4)海绵成品的制备：将S3中得到的发泡海绵冷却后熟化定型得稳定的发泡海绵，再经过爆破后，得插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵，然后通过裁切得片状发泡棉，最后经过烘干除味得到泡棉成品，海绵的孔道得到充分暴露，便于发挥其吸附性能。
图2、3为该实例条件下Hummers方法结合水热法制备的少层插入石墨烯的扫描电子显微镜图和石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的光学显微镜图。
图4为实施例1制备的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的接触角为148±2.3°。
图5为实施例1制备的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的对二甲苯和环己酮的吸附性能，测试条件：304mg/二甲苯，216mg/环己酮，风速3.6m/s、75％RH。
图6为实例1制备的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵对环己酮和乙醇的吸附性能图，测试条件：146mg/环己酮、1242mg/无水乙醇、1.1m/s、75％RH。
实施例2：
与实施例1基本相同，但用1,4-丁二醇插入石墨的少层氧化石墨烯纳米片，得到的插层少层氧化石墨烯纳米片具有较小的比表面，如图7、8所示为少层插入石墨烯的扫描电子显微镜图和所得石墨烯海绵的光学显微镜图。
显然，上述实施案例仅仅是为了清楚的说明所作的例举，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明权利要求的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、插层石墨烯纳米片的制备：利用鳞片石墨制备出氧化石墨烯，然后经过水热插层二元醇制备出插层石墨烯纳米片；
S2、石墨烯分散液的制备：将S1中制备的插层石墨烯纳米片分散在粘度大的聚醚多元醇中，在砂磨机中分散得到石墨烯分散液；
S3、发泡海绵的制备：将S2中制备的石墨烯分散液与助剂、异氰酸酯通过泵混合发泡得到发泡海绵；所述助剂为有机胺催化剂、锡类催化剂、有机硅泡沫稳定剂和水；
S4、海绵成品的制备：将S3中得到的发泡海绵先冷却，然后熟化定型，再经过爆破、裁剪、烘干除味得到海绵成品，即插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵；
所述S1中插层石墨烯纳米片采用氧化的方法制备，即冰水浴条件下，利用改进的Hummers方法制备出氧化石墨烯，然后加入二元醇，在200℃条件下水热4h，得二元醇插层的少层氧化石墨烯纳米片，即插层石墨烯纳米片；
所述改进的Hummers方法包括以下步骤：
T1、准备质量比例为1:3:3的200目鳞片石墨、硝酸钠和高猛酸钾，并且将硝酸钠和高锰酸钾各平均分成三份；
T2、然后向装有200目鳞片石墨的反应器内各分三次加入硝酸钠和高猛酸钾，边加入边搅拌；
T3、当搅拌1 h后升温至90 ℃，恒温回流1 h，待溶液变成深褐色后，分别用过氧化氢（30%）和10%盐酸离心洗涤三次。
2.根据权利要求1所述的一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法，其特征在于，所述二元醇为乙二醇或1，4-丁二醇。
3.根据权利要求1所述的一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法，其特征在于，所述S2中的石墨烯纳米片的含量为3~5%。
4.根据权利要求1所述的一种吸附用的插层石墨烯共混聚氨酯开孔海绵的制备方法，其特征在于，所述S3中的助剂、石墨烯分散液与异氰酸酯按重量份混合通过泵发泡，原料重量份分别为石墨烯分散液60~100份，有机胺催化剂0.1~0.3份，锡类催化剂0.1~0.3份，有机硅泡沫稳定剂1~3份，水3~6份，甲苯二异氰酸酯30~50份。
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