[发明专利]一种粉末状炭气凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于气凝胶材料技术领域，特别涉及一种粉末状炭气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

炭气凝胶材料一经出现，即引起世界各国研究工作者的浓厚兴趣。近年来，人们已经在廉价原料开发、工艺简化（尤其是干燥工艺）、结构控制、性能表征和应用开发等方面进行了大量的研究工作。但时至今日，气凝胶材料无论是在基础理论研究方面，还是在实际生产应用方面，都仍然处于探索阶段。

目前这类材料的合成通常基于酚醛溶液的溶胶-凝胶反应。这种制备方法存在多种问题：（1）由溶胶反应得到酚醛树脂纳米颗粒单元，紧接着利用凝胶化反应将这些单元交联形成三维纳米网络再炭化后形成的纳米炭颗粒单元都是无孔的或准无孔的。（2）溶胶-凝胶化反应通常是在静置的密闭容器内完成，导致聚合过程中的热量难以迅速导出，工艺放大过程中会发生危险的爆聚。（3）大部分溶胶-凝胶化反应后得到的炭气凝胶前驱体力学强度低，无法承受常压下溶剂干燥过程中所产生的强烈的毛细管收缩力，因此通常需采用工艺繁琐、成本昂贵的超临界干燥或冷冻干燥等技术去除溶剂。（4）经过溶胶-凝胶化反应得到的气凝胶材料一般呈块状，无法满足应用的多样化需求。例如，炭气凝胶经常被用作超级电容器电极材料，这时就得把块状气凝胶球磨成微米级粉末（～10μm），不仅费时费力，还费钱。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种粉末状炭气凝胶。

本发明另一目的在于提供一种上述粉末状炭气凝胶的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述粉末状炭气凝胶在制备电极材料、药物控释材料和吸附材料中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种粉末状炭气凝胶，由粒径为20～300nm的炭纳米球构筑单元交联堆叠而成，炭纳米球表面有大量微孔，其比表面积为294～2472m²/g。

上述粉末状炭气凝胶的炭纳米球球间交联与堆叠形成大量中孔与大孔，各孔道间相互贯穿连通，形成具有独特的、三维相连通的层次化纳米网络孔道结构，各层次纳米孔道之间具有协同效应。

上述粉末状炭气凝胶的制备方法，包含以下具体步骤：

（1）聚苯乙烯-二乙烯基苯（PSDVB）纳米球的制备：将表面活性剂加入水中，搅拌至完全溶解，加入St单体和二乙烯基苯（DVB），分散均匀后加入引发剂，加热聚合反应；醇沉，离心、洗涤、干燥后，得到PSDVB纳米球；

（2）将步骤（1）所得PSDVB纳米球加入无水四氯化碳中，搅拌溶胀；加入无水三氯化铝，搅拌加热交联反应；加入丙酮/盐酸/水混合溶剂终止反应，过滤、洗涤、干燥后，得到有机气凝胶；惰气氛围下，高温炭化，得到粉末状炭气凝胶。

步骤（1）中所述表面活性剂的用量为每160mL水使用0.9～18.3g表面活性剂。

（微）乳液聚合反应是以水作溶剂的环境友好温和可控的一类聚合反应。在乳化剂的作用下并借助于机械搅拌，单体在水中分散成乳状液，在水介质中生成的自由基进入胶束或乳胶粒中引发其中单体进行聚合。采用适当种类和浓度的乳化剂，可形成稳定均一的胶束，从而合成出均一的产品。本发明制备过程中采用（微）乳液聚合的方法有利于合成粒径均一球形度好的单分散纳米球，使后续制备的气凝胶拥有形貌均匀的炭纳米球构筑单元。同时在（微）乳液聚合的过程中加入一定量的DVB，可使制备的PSDVB纳米球具有一定的预交联度从而具有一定的机械强度，可避免在之后形成气凝胶的过程中结构的塌陷。并且通过调节乳化剂的种类和浓度，可控制胶束的大小从而控制PSDVB纳米球以及进一步的炭纳米球的尺寸。改变乳液聚合的条件，可使得到的纳米球粒径分布在20～300nm之间，使炭气凝胶的构筑单元多样化。

优选地，所述表面活性剂的用量为每160mL水使用18.3g表面活性剂。

步骤（1）中所述表面活性剂指聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物（P123）、十二烷基硫酸钠（SDS）和十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）中的至少一种。

当所述表面活性剂为SDS时，还需要加入助表面活性剂，如乙醇或正戊醇。

所用助乳化剂的量为每100ml溶剂加入3g助乳化剂。

优选地，所述的表面活性剂指P123。

步骤（1）中所述的引发剂指过硫酸钾（KPS）或偶氮二异丁腈（AIBN）。

优选地，所述的引发剂指KPS。

步骤（1）中所用St：DVB：引发剂：表面活性剂的质量比为4:（0.2～4）:（0.04～0.08）:（0.16～18.3）。