一种GO-SiO2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶的制备方法与流程

本发明属于纳米多孔材料的制备工艺领域，具体涉及一种超疏水特性、大比表面积、良好的柔韧性的go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶的制备方法。

背景技术：

在碳的众多同素异形体中，石墨烯是最活跃的一个。将其从石墨上剥离下来便可形成具有片层结构的二维碳材料。与其他碳材料相比，石墨烯同时具备大比表面积、优良的力学性能和导热性能，在环境、材料、光电、化工、能源、生物等领域有广泛应用。

制备纯石墨烯气凝胶可采用化学还原法，还原剂将氧化石墨烯还原为石墨烯，将会导致石墨烯结构中大量的羧基、羟基等含氧官能团消失，减少了能够吸附有机污染物的结合位点的数量，在一定程度上对吸附性能有所影响。

sio2气凝胶是一种具有三维纳米多孔网络结构的固体材料，由于其具有高比表面积、高孔隙率等特点，被广泛应用于吸附领域。但是由于其脆性较大，强度过低，不能作为吸附材料直接使用，极大地限制了其在污水处理中的应用。

因此，天津科技大学的李朝宇等人尝试将疏水柔性的二氧化硅气凝胶与氧化石墨烯进行复合，不再使用化学还原剂，留住氧化石墨烯中的含氧基团，保持一定数量与有机污染物的结合位点，但由于其力学性能较差，较难应用。为了使得这种吸附剂能够进行产业化生产，需要简化其制备流程并且降低其生产成本，选用合适的硅源可以赋予材料柔韧性与疏水性，经反应后制备所得go-sio2复合溶胶与超高分子量聚乙烯纤维布进行复合，增强材料的力学性能，可用作吸附材料。

技术实现要素：

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶的制备方法。

本发明的技术方案:

(1)溶胶的制备

一种go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶的制备方法，其拘役步骤如下：

(1)溶胶的制备

将前驱体、醇、水与氧化石墨烯溶液按比例加入容器中，水浴加热搅拌成混合均匀溶液，再依次加入酸性、碱性试剂分别调节ph值并搅拌，得到go/sio2溶胶；

(2)与超高分子量聚乙烯纤维布基体的复合

将超高分子量聚乙烯纤维布材料放在容器中，将go-sio2溶胶倾倒入容器中，以没过基体材料为准，使超高分子量聚乙烯纤维布基体得到充分浸润，待静置凝胶后加入老化液进行老化；

(3)干燥

将步骤(2)中得到的经老化后的凝胶取出，放入容器内进行常温通风干燥，得到go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶。

优选上述的前驱体为正硅酸四乙酯(teos)或甲基三甲氧基硅烷(mtms)；醇为甲醇或乙醇；氧化石墨烯溶液的浓度为2～5mg/ml。

优选步骤(1)中前驱体、醇与水的体积比为1：(1.9～4)：(0.6～1)；氧化石墨烯与前驱体的质量比为1：(190～1000)；混合溶液的搅拌时间为15～30min；水浴加热搅拌温度为30～50℃；搅拌速度为500～700rpm。

优选步骤(1)中所述的酸性试剂为甲酸或乙酸，其浓度在0.01mol/l～0.1mol/l之间，调节溶液ph值在4～5之间，搅拌时间为15～30min，搅拌速度在500～700rpm之间；使用的碱性试剂为氨水，其浓度在4～8mol/l之间，调节溶液ph值在7～8之间，搅拌时间为1～5min，，搅拌速度在600～800rpm之间。

优选步骤(2)中所述的超高分子量聚乙烯纤维布的密度为0.82～1.05g/cm³之间，延伸度为3.2％～3.9％之间，分子量为300万～500万。

优选步骤(2)中样品的静置时间在1～2h之间；老化时间为3～5天；老化液为无水乙醇或水。

优选步骤(3)中通风干燥时间为3～5天，干燥后应及时密封，防止干裂。

优选步骤(3)中制得的go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶的密度为0.92～1.26g/cm³，比表面积为276～551cm²/g，疏水角为124°～148°。

有益效果：

(1)相比较于传统的纤维布复合sio2气凝胶样品，本发明制备得到的go/sio2超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶样品吸附性能优异、并且具有一定的机械性能，可用于具有一定应力的吸附环境。

(2)相比较于传统石墨烯气凝胶样品，本发明选用了与sio2复合，避免了石墨烯在制备过程中产生的团聚、交联现象，将二维的石墨烯自组装成三维网络结构，增大比表面积，提高孔隙率。

(3)相比较于传统的复合气凝胶制品，本发明在保证产品性能的基础上，省去超临界干燥的过程，采用常温干燥，简化实验操作的同时也缩短了制备时间，提高效率，适合工业化生产。

附图说明

图1是实例1中所制备的go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶吸附材料的拉曼谱图。

图2是实例2中所制备的go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶吸附材料的红外光谱图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明，但保护范围并不限于此。

实例1

在烧杯中加入10ml浓度为2mg/ml的氧化石墨烯水溶液，8.4ml的mtms(氧化石墨烯与mtms的质量比＝1:399)，28.4ml甲醇和8.4ml去离子水。将混合溶液加热至30℃恒温水浴搅拌15min，转速为500rpm，再加入0.05mol/l乙酸溶液，调节ph值至4，继续搅拌15min后加入6mol/l氨水溶液，调节ph值至7.5，加快搅拌速率至600rpm搅拌1min，将所制得的go/sio2混合溶胶迅,倒入模具中，与密度为0.82g/cm³，延伸度为3.2％，分子量为300万的超高分子量聚乙烯纤维布复合。静置1h，待复合稳定形成凝胶后，用无水乙醇作为老化液来置换湿凝胶中的杂质离子，置换3次,每次24h。置换后的复合纤维布采用常压干燥，放置阴凉处干燥3天后就可得到go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶材料。所制备材料密度为0.92g/cm³，比表面积为472cm²/g，疏水角为132°。

图1为go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶吸附材料的拉曼谱图。可以看出，在反应前后，样品的g峰(有序峰)明显低于d峰(无序峰)，说明样品的无序度增加。

实例2

在烧杯中加入7ml浓度为3mg/ml的氧化石墨烯水溶液，4.2ml的mtms(氧化石墨烯与mtms的质量比＝1:190)，16.6ml甲醇和4.2ml去离子水。将混合溶液加热至35℃恒温水浴搅拌30min，转速为550rpm，再加入0.01mol/l乙酸溶液，调节ph值至5，继续搅拌30min后加入4mol/l氨水溶液，调节ph值至7，加快搅拌速率至650rpm搅拌5min，将所制得的go-sio2混合溶胶迅,倒入模具中，与密度为0.91g/cm³，延伸度为3.4％，分子量为350万的超高分子量聚乙烯纤维布复合。静置1.5h，待复合稳定形成凝胶后，用无水乙醇作为老化液来置换湿凝胶中的杂质离子，置换4次,每次24h。置换后的复合纤维布采用常压干燥，放置阴凉处干燥4天后就可得到go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶材料。所制备材料密度为0.99g/cm³，比表面积为551cm²/g，疏水角为148°。

图2为go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶吸附材料的红外光谱图。从这个谱图中，在波长为3440cm^-1处可以观察到-oh官能团的特征峰，在2972cm^-1处出现了c-h的特征峰，1633cm^-1处出现c＝o的特征峰，1398cm^-1处出现c-o的特征峰，1274cm^-1处出现c-o的特征峰，说明了样品中存在氧化石墨烯；1124cm^-1、1024cm^-1和781cm^-1处均为si-o-si的特征峰，这些特征峰都说明样品中具有si-o键，证实了sio2的存在。

实例3

在烧杯中加入5ml浓度为4mg/ml的氧化石墨烯水溶液，12.6ml的teos(氧化石墨烯与teos的质量比＝1:586)，35.6ml乙醇和9.5ml去离子水。将混合溶液加热至40℃恒温水浴搅拌15min，转速为600rpm，再加入0.05mol/l乙酸溶液，调节ph值至4.5，继续搅拌15min后加入6mol/l氨水溶液，调节ph值至7.5，加快搅拌速率至700rpm搅拌1min，将所制得的go-sio2混合溶胶迅,倒入模具中，与密度为0.96g/cm³,延伸度为3.6％，分子量为400万的超高分子量聚乙烯纤维布复合。静置2h，待复合稳定形成凝胶后，用去离子水作为老化液来置换湿凝胶中的杂质离子，置换5次,每次24h。置换后的复合纤维布采用常压干燥，放置阴凉处干燥5天后就可得到go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶材料。所制备材料密度为1.07g/cm³，比表面积为367cm²/g，疏水角为129°。

实例4

在烧杯中加入4ml浓度为5mg/ml的氧化石墨烯水溶液，16.8ml的teos(氧化石墨烯与teos的质量比＝1:781)，33.2ml甲醇和10.5ml去离子水。将混合溶液加热至45℃恒温水浴搅拌15min，转速为650rpm，再加入0.1mol/l甲酸溶液，调节ph值至5，继续搅拌15min后加入8mol/l氨水溶液，调节ph值至8，加快搅拌速率至750rpm搅拌1min，将所制得的go-sio2混合溶胶迅,倒入模具中，与密度为0.99g/cm³，延伸度为3.7％，分子量为450万的超高分子量聚乙烯纤维布复合。静置1.5h，待复合稳定形成凝胶后，用无水乙醇作为老化液来置换湿凝胶中的杂质离子，置换4次,每次24h。置换后的复合纤维布采用常压干燥，放置阴凉处干燥4天后就可得到go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶材料。所制备材料密度为1.14g/cm³，比表面积为327cm²/g，疏水角为131°。

实例5

在烧杯中加入10ml浓度为2mg/ml的氧化石墨烯水溶液，21ml的mtms(氧化石墨烯与mtms的质量比＝1:998)，41.5ml甲醇和13.1ml去离子水。将混合溶液加热至50℃恒温水浴搅拌15min，转速为700rpm，再加入0.05mol/l乙酸溶液，调节ph值至5，继续搅拌15min后加入6mol/l氨水溶液，调节ph值至7，加快搅拌速率至800rpm搅拌1min，将所制得的go-sio2混合溶胶迅,倒入模具中，与密度为1.05g/cm³，延伸度为3.9％，分子量为500万的超高分子量聚乙烯纤维布复合。静置2h，待复合稳定形成凝胶后，用无水乙醇作为老化液来置换湿凝胶中的杂质离子，置换5次,每次24h。置换后的复合纤维布采用常压干燥，放置阴凉处干燥5天后就可得到go-sio2复合超高分子量聚乙烯纤维布气凝胶材料。所制备材料密度为1.26g/cm³，比表面积为276cm²/g，疏水角为124°。