一种有序碳-聚硅氧烷复合气凝胶及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了一种有序碳

【技术实现步骤摘要】
一种有序碳
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聚硅氧烷复合气凝胶及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及气凝胶材料领域，具体涉及一种有序碳
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聚硅氧烷复合气凝胶。

技术介绍

[0002]石墨烯气凝胶是由二维石墨烯纳米片相互组装而成的具有多级次孔结构的三维网络骨架，具有超低密度，高比表面积及良好的理化性能，可为声子、电子、离子、分子提供快速运输通道或储存空间，被广泛的应用于能源存储与转化，环境治理，热管理，传感器等领域。然而各向同性网络结构的石墨烯气凝胶存在孔结构不可控，力学性能较差，热输运途径单一等缺点，大大地限制了其在热管理领域的应用。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种有序碳
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聚硅氧烷复合气凝胶及其制备方法、应用。
[0004]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0005]一种气凝胶材料，包括：
[0006]有序多孔碳气凝胶骨架和生长在碳气凝胶骨架表面的聚硅氧烷气凝胶。
[0007]可选地，其微观结构为，轴向呈现类蜂窝状结构，径向呈现有序多孔微通道结构；
[0008]一种气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]将氧化石墨烯、粘结剂在水中混合均匀得到料浆，通过取向冷冻铸造获得还原氧化石墨烯冰块，经过冷冻干燥得到还原石墨烯气凝胶，再经过热处理得到有序多孔碳气凝胶骨架；
[0010]将醛基物、氨基硅烷、有机硅氧烷、酸催化剂、有机溶剂和去离子水混合形成混合溶液，将所述的有序碳气凝胶骨架浸入所述混合溶液中，经过凝胶得到有序碳
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聚硅氧烷湿凝胶，再经过干燥获得所述的气凝胶材料。
[0011]可选地，醛基物为对苯二甲醛、间苯二甲醛中的一种。
[0012]可选地，氨基硅烷为3
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氨丙基三乙氧基硅烷或3
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氨丙基二乙氧基甲基硅烷。
[0013]可选地，硅氧烷为四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷或四甲基二硅氧烷中的一种或多种。
[0014]可选地，酸催化剂为乙酸、柠檬酸、草酸中的一种或多种。
[0015]可选地，有机溶剂为乙醇、异丙醇、甲醇、二恶烷中的一种或多种。
[0016]可选地，醛基物、氨基硅烷、有机硅氧烷的摩尔比为2:(1～8)：(1～16)，有机溶剂、去离子水和酸催化剂的体积比为(10～50):(1～5):1。
[0017]另一方面，本专利技术还提出了上述的气凝胶材料在微滴传输、智能流体可控界面、热管理领域中的应用。
[0018]本专利技术的有益效果：
[0019]本专利技术以氧化石墨烯为基本构筑单元，采用取向冷冻技术，实现了各向异性的碳
气凝胶，并以此为基体材料，以硅氧烷为硅源，采用浸渍工艺结合原位溶胶凝胶策略制备了有序碳
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聚硅氧烷复合气凝胶，实现了超疏水、高强高弹、宽温域隔热性能。在疏水性方面，轴向具有较高的粘附力和较高的静态疏水角，而径向具有较小的滚动角和较好的滚动疏水效果。这种特殊的疏水性在微滴传输和智能流体可控界面方面具有潜在应用。在隔热性能方面，轴向导热率高于径向导热率，导致轴向散热和径向隔热。因此，它可以在极端天气条件下保持稳定的表面温度，在极端低温/高温环境下具有良好的应用前景。
附图说明
[0020]下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。
[0021]图1为本专利技术的实施例1所制备的气凝胶轴向的扫描电镜图片；
[0022]图2为本专利技术的实施例1所制备的气凝胶径向的扫描电镜图片；
[0023]图3为本专利技术的实施例1所制备的气凝胶压缩
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回弹应力
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应变曲线；
[0024]图4为本专利技术的实施例2所制备的气凝胶压缩
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回弹应力
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应变曲线；
[0025]图5为本专利技术的实施例3所制备的气凝胶压缩
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回弹应力
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应变曲线；
[0026]图6为本专利技术的实施例1～3所制备的气凝胶的接触角照片；
[0027]图7为本专利技术的实施例1所制备的气凝胶在不同pH下的接触角照片。
具体实施方式
[0028]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]本专利技术的一些示例中，公开了一种气凝胶材料的制备方法，可以包括以下步骤：将氧化石墨烯、粘结剂在水中混合均匀得到料浆，通过取向冷冻铸造获得还原氧化石墨烯冰块，经过冷冻干燥得到还原石墨烯气凝胶，再经过热处理得到有序多孔碳气凝胶骨架。
[0030]其中，取向冷冻铸造速率为5～15℃/min，冷冻干燥时间为24～72h，热处理温度为400～800℃，升温速率为1～5℃/min，氛围为氩气或氮气。氧化石墨烯水溶液浓度为5～10mg/ml，粘结剂为海藻酸钠、聚乙烯醇或壳聚糖水溶液中的一种或多种，粘结剂的浓度为10～20mg/ml，氧化石墨烯和粘结的质量比为1：(1～5)。
[0031]然后，将醛基物、氨基硅烷、有机硅氧烷、酸催化剂、有机溶剂和去离子水混合形成混合溶液，将所述的有序碳气凝胶骨架浸入所述混合溶液中，经过凝胶得到有序碳
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聚硅氧烷湿凝胶，再经过干燥获得所述的气凝胶材料。其中，凝胶温度为40～100℃，凝胶时间为6～72h。干燥方法为常压干燥、真空干燥或超临界干燥中的一种。
[0032]具体地说，醛基物例如为但不限于对苯二甲醛、间苯二甲醛中的一种。氨基硅烷例如为但不限于3
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氨丙基三乙氧基硅烷或3
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氨丙基二乙氧基甲基硅烷。硅氧烷例如为但不限于四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷或四甲基二硅氧烷中的一种或多种。酸催化剂例如为但不限于乙酸、柠檬酸、草酸中的一种或多种。有机溶剂例如为但不限于乙醇、异丙醇、甲醇、二恶烷中的一种或多种。醛基物、氨基硅烷、有机硅氧烷的摩尔比可以是2:(1～8)：(1～16)，有机溶剂、去离子水和酸催化剂的体积比可以是(10
～50):(1～5):1。
[0033]通过上述示例制得的复合气凝胶材料具有有序多孔碳气凝胶骨架和生长在碳气凝胶骨架表面的聚硅氧烷气凝胶。其中，聚硅氧烷气凝胶在复合气凝胶中质量占比为90～95wt％。
[0034]对于制得的复合气凝胶的性能，其轴向热导率高于0.05W/(m
·
K)，径向热导率低于0.03W/(m
·
K)，呈现出轴向散热、径向隔热的特性。
[0035]复合气凝胶表现出宽温域(100～400℃)高效热管理能力，在极寒(100℃)条件下具有良好的抗结冰能力。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气凝胶材料，包括：有序多孔碳气凝胶骨架和生长在碳气凝胶骨架表面的聚硅氧烷气凝胶。2.根据权利要求1所述的有序碳
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聚硅氧烷复合气凝胶，其特征在于，其微观结构为，轴向呈现类蜂窝状结构，径向呈现有序多孔微通道结构。3.一种气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯、粘结剂在水中混合均匀得到料浆，通过取向冷冻铸造获得还原氧化石墨烯冰块，经过冷冻干燥得到还原石墨烯气凝胶，再经过热处理得到有序多孔碳气凝胶骨架；将醛基物、氨基硅烷、有机硅氧烷、酸催化剂、有机溶剂和去离子水混合形成混合溶液，将所述的有序碳气凝胶骨架浸入所述混合溶液中，经过凝胶得到有序碳
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聚硅氧烷湿凝胶，再经过干燥获得所述的气凝胶材料。4.根据权利要求3所述的有序碳
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聚硅氧烷复合气凝胶，其特征在于，醛基物为对苯二甲醛、间苯二甲醛中的一种。5.根据权利要求3所述的有序碳
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聚硅氧烷复合气凝胶，其特征在于，氨基硅烷为3

【专利技术属性】
技术研发人员：邵高峰，许如盼，黄啸谷，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：