一种氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的制备方法，包括：步骤一、将氧化石墨烯和水溶性聚合物溶于水中，混合均匀，其中，氧化石墨烯和水溶性聚合物的质量比为10:1～1:3，氧化石墨烯和水溶性聚合物的总质量与水的质量比为1:1000～1:50；所述水溶性聚合物为聚乙烯醇、聚乙二醇或聚乙烯吡咯烷酮；步骤二、将产物在模具中进行冷冻干燥，得到固体氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料。该复合材料工艺简单易控制，绿色环保。本发明产物具有空间连续结构，能充分发挥氧化石墨烯材料的特性，如表面丰富的官能团、导电性（热/化学还原后），从而有利于提高复合材料的性能，扩大复合材料的应用范围。
【专利说明】一种氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料制造领域，具体涉及一种氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]聚合物材料具有重要的工业应用价值，已在电子储能、燃料电池、环境净化等不同领域得到广泛应用。聚合物是由相对分子质量很高的分子，通过共价键重复连接聚集而成。通过添加纳米材料可制备聚合物基纳米复合材料,其物理和化学性质发生显著变化,往往表现出更加优异的强度、刚度、粘弹性、硬度、耐磨性和耐热性等，因此引起人们的广泛研究。氧化石墨烯是单原子层二维石墨烯的中间产物，具有巨大的比表面积和丰富的表面官能团，经过改性后可在聚合物基体中形成纳米级分散。将氧化石墨烯与聚合物材料复合，既保持聚合物材料本身易成型、质轻、较高比强度和比密度等优点，又发挥石墨烯材料自身的纳米尺寸效应，将其优异的力学性能、电学性能和热学性能等赋予聚合物基体。现有技术中，对石墨烯-聚合物复合材料大多集中在二维平面、尤其是薄膜方面，较少三维多孔结构。二维材料虽然可以应用于表面封装、功能膜、药物运输等方面，但是难以满足复合材料、电极储能、支撑材料等更多的应用要求。三维多孔结构可大幅度提高材料的比表面积，致密度高，在排污除油、生物医药、航空航天领域有更广泛的应用。目前，三维结构的石墨烯-聚合物的材料大多采用水热法、化学气相沉积(CVD)法等制备。水热合成法高温高压，不适合于与聚合物材料复合，且耗能高，不适合大规模工业化生产。CVD法需要高温低压，而且此方法需要以多孔金属为生长基体，通过刻蚀模板后形成的三维网状石墨烯，由于孔径较大，难以保持其形状，大大限制了其应用。且CVD法形成的石墨烯不含有机官能团，限制了其与聚合物材料的复合。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的制备方法，解决现有技术中三维多孔结构的石墨烯-聚合物纳米复合材料制备耗能高、应用范围受限制等缺陷。
[0004]为解决上述问题，本发明采用以下技术方案:
[0005]一种氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0006]步骤一、将氧化石墨烯和水溶性聚合物溶于水中，混合均匀，其中，氧化石墨烯和水溶性聚合物的质量比为10:1~1:3，氧化石墨烯和水溶性聚合物的总质量与水的质量比为1:1000~1:50 ;所述水溶性聚合物为聚乙烯醇、聚乙二醇或聚乙烯吡咯烷酮；
[0007]步骤二、将 步骤一得到的产物在模具中进行冷冻干燥，得到固体氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料。[0008]步骤一所述聚乙烯醇的分子量16000~150000，所述聚乙二醇的分子量600~1000，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量45000~360000 ;所述混合均匀的条件为在60°C~100°C下搅拌Ih~3h。
[0009]步骤二所述冷冻干燥的条件为在_190°C~_30°C冷冻12h~24h，后在冷冻干燥机中-50°C，小于20pa，进行升华干燥24h~72h。
[0010]本发明的有益效果:
[0011]1、本发明采用水溶液做溶剂，水溶液的均匀性保证材料的均匀性，绿色环保。且一步合成，工艺简单易控制。[0012]2、本发明产物具有多孔结构，使其比块体复合材料，拥有更低的密度I~50mg/cm3、极高的孔隙率30~99%，和极大的比表面积150~1300m2/g。通过调节成分、冷却条件，可控制孔结构，获得不同密度和结构的纳米复合材料。
[0013]3、本发明产物具有空间连续结构，能充分发挥氧化石墨烯材料的特性，如表面丰富的官能团、导电性(热/化学还原后)，从而有利于提高复合材料的性能，扩大复合材料的应用范围。在轻质高强材料、泡沫电极、储能材料、光伏材料、柔性电子器件上有更广泛地应用，促进石墨烯-聚合物复合材料的实用化。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例1得到的氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的承受砝码前后的照片。其中，a为复合材料的光学照片，b为复合材料承受20g砝码的光学照片，c为复合材料承受50g砝码的光学照片。
[0015]图2是本发明实施例1得到的氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的扫描电镜图。
[0016]图3是本发明实施例1得到的氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的热重图。
【具体实施方式】
[0017]参照附图并结合下述实施例进一步说明本发明。应理解附图及实施例都仅是示例性的，而非用于限制本发明。
[0018]实施例1
[0019]取原料氧化石墨烯lOOmg，聚乙烯醇(PVA)lOOmg，溶于20ml去离子水，在水浴锅中加热至90°C，搅拌2h混合均匀；
[0020]将得到的产物分置于硅胶模具中，放入_30°C冰柜冷冻24h后取出，将获得的固体放进冷冻干燥机中_50°C，IOPa进行升华干燥处理24h，得到圆柱状固体氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料。
[0021]为了验证复合材料的强度，将不同质量的砝码放置于30mg复合材料上，可见在50g破码质量下复合材料结构仍能保持稳定,如图1所示。
[0022]对复合材料进行扫描电镜表征，结果如图2所示，可见复合材料为多孔结构。对产物进行热分析表征，结果如图3所示，可见复合材料提高了聚乙烯醇(PVA)的玻璃化转变温度，从而提闻材料的热稳定性。[0023]实施例2
[0024]取原料氧化石墨烯lOOmg，聚乙二醇(PEG) 20mg，溶于20ml去离子水，在水浴锅中加热至70°C，搅拌2h混合均匀；
[0025]将得到的产物分置于硅胶模具中，放入_30°C冰柜冷冻18h后取出，将获得的固体放进冷冻干燥机中_50°C，IOpa进行升华干燥处理36h，得到圆柱状固体氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料。
[0026]实施例3
[0027]取原料氧化石墨烯150mg，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)lOOmg，溶于20ml去离子水，在水浴锅中加热至100°c，搅拌Ih混合均匀；
[0028]将得到的产物分置于硅胶模具中，放入_30°C冰柜冷冻24h后取出，将获得的固体放进冷冻干燥机中-50°C，IOPa进行升华干燥处理72h，得到圆柱状固体氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料。
[0029]实施例4
[0030]取原料氧化石墨烯lOOmg，聚乙烯醇(PVA) 10mg，溶于50ml去离子水，在水浴锅中加热至90°C，搅拌3h混合均匀；
[0031]将得到的产物分置于硅胶模具中，放入_30°C冰柜冷冻24h后取出，将获得的固体放进冷冻干燥机中_50°C，IOPa进行升华干燥处理30h，得到圆柱状固体氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料。
【权利要求】
1.一种氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一、将氧化石墨烯和水溶性聚合物溶于水中，混合均匀，其中，氧化石墨烯和水溶性聚合物的质量比为10:1~1:3，氧化石墨烯和水溶性聚合物的总质量与水的质量比为1:1000~1:50 ;所述水溶性聚合物为聚乙烯醇、聚乙二醇或聚乙烯吡咯烷酮； 步骤二、将步骤一得到的产物在模具中进行冷冻干燥，得到固体氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述聚乙烯醇的分子量16000~150000,所述聚乙二醇的分子量600~1000，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量45000~360000。
3.根据权利要求1或2所述的氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述混合均匀的条件为在60°C~100°C下搅拌Ih~3h。
4.根据权利要求1或2所述的氧化石墨烯-水溶性聚合物三维多孔纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述冷冻干燥的条件为在_190°C~_30°C冷冻12h~24h，后在冷冻干燥机中-50°C，小于20Pa，进行升华干燥24h~72h。
【文档编号】C08L71/08GK103881278SQ201410116812
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】陈坚, 高莹, 史相如, 刘文林 申请人:东南大学