[发明专利]一种高性能碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备的方法。该方法首先通过改进的Hummers方法制备氧化石墨烯悬浮液，将制备的氧化石墨烯与碳纳米管混合、冷冻干燥制备出碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶；然后通过真空辅助浸渍的方式将含有苯乙烯单体的混合物填充到气凝胶的空隙中，并通过原位聚合反应得到碳纳米管/氧化石墨烯/聚苯乙烯复合材料，最后对所制得的复合材料进行热处理。本发明工艺简单，过程绿色环保，得到的骨架气凝胶具有低密度、高孔隙率等优点，与聚苯乙烯复合以后得到的复合材料比纯聚苯乙烯具有更高的强度和模量。

技术领域

本发明属于纳米多孔材料——碳气凝胶技术领域，同时也属于先进功能复合材料领域，具体涉及一种高性能碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料及其制备方法，所述的碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料具有较高的力学性能。

背景技术

气凝胶是具有三维网状结构、高比表面和较低密度的多孔纳米材料，不仅可以被看作是一种特殊的功能材料，比如纳米骨架，而且可以看作是新的物质状态，如凝聚态的特性。因此气凝胶展现出了独特的属性，如超低热导率、超低模量、超低声波速度、超低折射率、超低介电常数和超低音速度等特点，在很多领域有着广泛的应用。

石墨烯气凝胶是近几年探究最多的一种气凝胶，它具备独特性能，广泛应用于催化剂载体、吸附材料、储氢材料及其电极材料等，将石墨烯与其它材料复合制备成气凝胶的研究和发明专利相继报道，制备的复合气凝胶应用于多个领域。CN104558998A公开了一种石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶的制备方法，其方法是将石墨烯与聚酰亚胺混合冷冻干燥得到的气凝胶再进行高温碳化制备了石墨烯/聚酰亚胺基碳气凝胶，主要用作催化载体、储氢材料级超级电容的电极材料等。王学宝等(石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料的制备及导电性能，复合材料学报，2013,30(6)：1-6)研究了以氧化石墨烯为前驱体，通过溶胶-凝胶法制备了石墨烯气凝胶，然后通过超声混合的方式将石墨烯气凝胶与环氧树脂复合，制备石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料。Zeng Fan等(Advanced multifunctional graphemeaerogel-Poly(methyl methacrylate)composites:Experiments and modeling,Carbon,2015,81:396-404)通过将聚酯(甲基丙烯酸甲脂)回填到石墨烯气凝胶的孔中制备了石墨烯气凝胶/聚酯(甲基丙烯酸甲脂)复合材料，在聚酯(甲基丙烯酸甲脂)基体中均匀分布多层还原氧化石墨烯片。

上述发明专利及文献中均公开了石墨烯与聚合物复合制备气凝胶和复合材料的制备方法，但目前将碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶与聚合物复合制备成复合材料的方法还鲜见报道。在氧化石墨烯中加入碳纳米管粉末进行气凝胶，对其稳定的结构起到一定的支撑作用，从而削弱氧化石墨烯的团聚效应，以得到更大的比表面积；另外，碳纳米管的加入，还能够提高复合材料的强度。

本发明旨在选用合适的热固性聚合物材料，利用氧化石墨烯和碳纳米管制成的气凝胶作为骨架材料，将聚合物填充到气凝胶的三维网络的孔隙中并在真空条件下固化，从而制备出高性能的复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备过程简单、环保、成本较低的气凝胶及其与苯乙烯复合的方法；与其他同类材料相比，采用本方法所制备的复合材料具有更高的显微硬度和压缩模量。

本发明采用的技术方案如下：

一种高性能碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、碳纳米管/氧化石墨烯气凝胶的制备

S1-1、采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯悬浮液；

S1-2、分别称取碳纳米管和步骤S1-1制备的氧化石墨烯悬浮液置于容器中，超声分散3～4h，使得碳纳米管和氧化石墨烯分散均匀，得分散液；