一种各向异性的氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶制造技术

本发明专利技术公开了一种轴向弹

【技术实现步骤摘要】
一种各向异性的氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶


[0001]本专利技术属于材料制备
，特别涉及一种用于高通量、高精度乳液分离的轴向超弹
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径向超坚硬的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着工业的发展，溢油、石油产品和有机溶剂的泄漏带来了严重的环境问题，如生态系统失衡和水体污染，对人类健康构成了极大的威胁。为了实现油水混合物的分离，已有各种方法被应用于处理含油污水，如原位焚烧、膜过滤、生化降解、物理吸收等。其中超润湿分离材料，包括高分子膜/多孔金属网/海绵/棉织物等等，在油/水分离方面表现出无与伦比的优势，例如分离效率高、环境友好、成本低和操作简单。在处理油水混合物时，会根据分散相的直径，将含油污水可分为以下几类：不混溶的混合物、不稳定的分散体和稳定的乳液。含表面活性剂的稳定的油/水乳液(SSE)往往最难分离，因为其稳定性较高，液滴尺寸较小(<20μm)。此外，由于大多数二维超润湿分离材料的较低孔隙率和不适当的孔径（太大或太小），渗透性和选择性之间的权衡现象限制了其进一步发展，特别是在分离高度稳定的油/水乳液中。因此，开发出高效快速的油水乳液分离材料仍然是一个艰巨的挑战。
[0003]为了解决这个棘手的问题，近年来，三维（3D）多孔材料（例如气凝胶、泡沫和海绵）被广泛探索。其中世界上最轻的固体材料
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石墨烯气凝胶，由于超高孔隙率（＞95%），呈相互连接、曲折的网络结构，和合适且可调节的孔径（几微米到几十微米）等优点，在分离油水方面取得了突出的进展。受益于石墨烯气凝胶显著的结构优势，其内部曲折蜿蜒，错综复杂的孔道，可以解决渗透性和选择性之间的权衡现象获得高通量，并被认为是有效的油水分离候选材料。
[0004]目前许多方法已经致力于制造具有各种微结构和机械性能优异的3D石墨烯材料，包括自组装、模板辅助制备和化学气相沉积。然而，大多数石墨烯组装的气凝胶本质上是脆性的并且在压缩下倾向于失去它们的原始纹理，不能满足复杂环境下油水分离应用。为了提高材料性能，学者使用了多种方法：如采用碳纳米管、纤维素、壳聚糖、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇等多种生物质和聚合物，并与其他有机粘合剂如硫脲、氢醌和乙二胺配合，以提高气凝胶的弹性和比表面积。但其致密度高、制备工艺复杂、成本高、性能改善水平低等问题限制了其实际应用。而且在冷冻干燥过程中，冰晶的形成会在石墨烯气凝胶中形成大量的闭孔，影响油水分离速度。因此，便捷的制备机械坚固、超弹性，分离速度快的石墨烯气凝胶仍然是一个挑战。

技术实现思路

[0005]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种同时具有高通量和高精度的用于乳液分离的轴向超弹
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径向超坚硬的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶及其制备方法和应用，旨在解决现有乳液分离材料通量小精度低的问题。
[0006]为实现上述目标，本专利技术采用如下技术方案：
一种轴向弹
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径向坚硬的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的制备方法包括如下步骤：（1）将聚乙烯醇加入去离子水中，加热搅拌，形成聚乙烯醇溶液；（2）将氧化石墨烯加入去离子水中，超声，得到氧化石墨烯悬浊液；（3）将聚乙烯醇溶液加入氧化石墨烯悬浊液中，经超声和搅拌处理，得到氧化石墨烯/聚乙烯醇悬浊液；（4）将氧化石墨烯/聚乙烯醇悬浊液倒入模具中，置于半浸在液氮中的Cu块上以定向冷冻，直至完全冷冻；（5）冷冻干燥，得到氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶；（6）将氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶与甲基三乙氧基硅烷在高温下反应，抽真空，得到所述的轴向弹
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径向坚硬的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶。
[0007]进一步地，步骤（1）中，聚乙烯醇的分子量为110000
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200000，80℃
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110℃搅拌10
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12小时，聚乙烯醇溶液的浓度为15
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25 mg/mL。
[0008]步骤（2）中，氧化石墨烯悬浊液的浓度为3
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8 mg/mL。
[0009]步骤（3）中，氧化石墨烯和聚乙烯醇的质量比为1:1。
[0010]步骤（4）中，模具形状为正方体、长方体、圆锥、圆柱、圆环中的一种或多种。
[0011]步骤（6）中，甲基三乙氧基硅烷与氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的质量比为2
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3:1，160
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200℃反应2
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4小时。
[0012]应用：将制得的轴向弹
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径向坚硬的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶应用于油包水乳液分离中。所述的油包水乳液中的油为石油醚、二氯乙烷、二甲苯、正己烷、二氯甲烷、三氯甲烷中的一种或多种，表面活性剂为司班80。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：（1）轴向超弹
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径向超坚硬的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的制备方法简单方便，只需要简单的两步就可以代替传统的复杂工序，节约人力物力，同时对环境无害。
[0014]（2）在聚乙烯醇高分子链的“粘结”以及甲基三乙氧基硅烷单体的“缝合”下，氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶优异的各向异性，在X,Y方向展现出超弹性（50%应变50000次以上），在Z轴方向表现出超承载能力（自身20000倍以上），这是目前已知最好的结果。
[0015]（3）制得的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶利用超弹性可以吸收海面浮油和水包油乳液中的油滴，利用其高承载能力可以过滤管路中的油包水乳液，进行按需分离。
[0016]（4）制得的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶克服了通量与效率之间的trade
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off效应，仅在重力下就可以分离水滴粒径小于自身孔径数倍的油包水乳液，而且具有超高通量(3255 L/m2·
h)和超高纯度(99.9%)，比需要外部压力驱动的2d聚合物或无机膜高出1
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2倍。
[0017]（5）制得的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶可以用在工厂污水净化、海上石油收集，厨余油污处理等领域将乳液中的油水快速分开，实现环境保护和能源回收。
附图说明
[0018]图1为各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的工艺流程图、实物图及电镜图。（a）工艺流程图，(b)实物图，（c
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i）电镜图。
[0019]图2为各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的润湿性表征图。（a）超疏水图，（b）超亲油图，（c）油下水的黏附图。
[0020]图3为各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的XPS、XRD、Raman图。（a
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b）XPS图，(c) XRD图，(d) Raman图。
[0021]图4为各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的抗压测试图。（a）实物压缩图，（b
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d）空气中压缩应力应变曲线,(e)能量耗散和压缩应力变化曲线，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轴向弹
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径向坚硬的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）将聚乙烯醇加入去离子水中，加热搅拌，形成聚乙烯醇溶液；（2）将氧化石墨烯加入去离子水中，超声，得到氧化石墨烯悬浊液；（3）将聚乙烯醇溶液加入氧化石墨烯悬浊液中，经超声和搅拌处理，得到氧化石墨烯/聚乙烯醇悬浊液；（4）将氧化石墨烯/聚乙烯醇悬浊液倒入模具中，置于半浸在液氮中的Cu块上以定向冷冻，直至完全冷冻；（5）冷冻干燥，得到氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶；（6）将氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶与甲基三乙氧基硅烷在高温下反应，抽真空，得到所述的轴向弹
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径向坚硬的各向异性氧化石墨烯/聚乙烯醇气凝胶。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，聚乙烯醇的分子量为110000
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200000，80℃
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110℃搅拌10
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12小时，聚乙烯醇溶液的浓度为15
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25 mg/mL。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宇，任志英，林有希，侯林熙，周春辉，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：