[发明专利]一种三维多孔结构的纤维素基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学材料领域，特别涉及一种三维多孔结构的纤维素基复合材料及其制备方法。

背景技术

三维孔材料在吸附、储能、电极或负载催化材料等领域具有广泛应用前景，其中，增大孔材料的比表面积和对三维孔结构进行调控制备是当前该领域的研究热点，而成本低廉，工艺简单环保、可规模化制备更是可持续工业化发展的追求方向。

石墨烯是一种以sp²-C单原子层规整排列成六角型蜂巢晶格的平面薄膜，只有单个碳原子厚度的二维纳米材料。石墨烯具有许多独特性能(高模量、良导热、电子迁移能力强、比表面积大等)，是近些年来材料、物理、化学领域的研究热点。但石墨烯易于聚集而难以分散，因此，石墨烯在剥离和构建复合材料时，优选经化学氧化处理的官能化氧化石墨烯(GO)为原材料，因为在GO面上和侧边上引入了较多含氧基团(如羟基、环氧基、羰基、羧基等)，大大提高了GO的水溶性，及其与其它材料的复合性能。将具有良好性能的石墨烯与绿色廉价天然分子间进行复合制备出高性能材料是绿色发展之所需。纤维素是地球上最丰富的天然高分子，在膜、纤维、智能、生物医用等众多先进功能材料领域显示美好应用前景。

现有技术中，专利申请号为201010597607.4的中国专利申请公开一种具有多孔结构的石墨烯及其制备方法，采用催化剂，涉及水热、煅烧处理等；申请号为201110063663.4的中国专利申请公开一种细菌纤维素/石墨烯复合材料及其制备方法，涉及超声分散、浸泡、搅拌处理等；申请号为20111035476.9的中国专利申请公开一种氧化石墨烯/纤维素复合材料及其制备方法和应用；申请号为201410121267的中国专利申请公开一种具有微纳结构的超疏水纤维素材料的制备方法，是将事先功能化的二氧化硅粒子在二甲基甲酰胺中超声分散，并在助剂作用下搅拌成均匀分散液直接喷涂或旋涂在天然纤维素材料上，得到具有微纳米级粗糙结构的超疏水纤维素材料。这些方法共同用到的超声分散方法使得规模化应用受到限制，同时存在步骤多、产量少、条件相对苛刻等缺点，并且也未涉及结构、性能的可调控性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构性能可调、可充分利用石墨烯比表面积的三维多孔结构的纤维素基复合材料，进一步提供所述三维多孔结构的纤维素基复合材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种三维多孔结构的纤维素基复合材料，包括以下质量百分比的组分：0.01～99.99％的氧化石墨烯和0.01～99.99％的纤维素，所述氧化石墨烯中的含氧基团与纤维素中的羟基形成氢键，所述纤维素为分子量小于或等于4×10⁵的天然或再生纤维素。

本发明的三维多孔结构的纤维素基复合材料的有益效果在于：

以分子量小于或等于4×10⁵的天然或再生纤维素为基体，将氧化石墨烯与纤维素进行复合，氧化石墨烯均匀分散不团聚，氧化石墨烯的质量百分比含量可达99.99％，从而可以充分利用石墨烯比表面积；所述氧化石墨烯中的含氧基团与纤维素中的羟基形成氢键，从而两者可实现良好复合。

本发明还提供一种上述三维多孔结构的纤维素基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将质量分数为2～10％的纤维素溶液与质量分数为0.5～10％的氧化石墨烯溶液混合，进行剪切分散，所述剪切分散的时间为2～8h，得到氧化石墨烯与纤维素的复合体系；

(2)于所述氧化石墨烯与纤维素的复合体系中加入絮凝剂，获得絮凝物；

(3)将步骤(2)获得的絮凝物用去离子水浸泡洗涤两次以上，得到氧化石墨烯/纤维素水凝胶；

(4)将所述氧化石墨烯/纤维素水凝胶置于液氮中冻结0.5-6h，然后于-45～-55℃下冷冻干燥45-50h，获得三维多孔结构的纤维素基复合材料。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明以易于分散的氧化石墨烯浓缩分散液和纤维素溶液为复合原料，采用剪切分散复合手段，在分子水平上将氧化石墨烯呈单层均匀分散于羟基基团丰富的天然高分子纤维素基体中。氧化石墨烯片上的含氧基团与纤维素分子的羟基间产生氢键作用，两者良好复合，再经在纤维素絮凝剂中共絮凝、冻结干燥，最终得到良好三维多孔结构的纤维素基复合材料；