一种粉末状炭气凝胶及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明属于气凝胶材料【技术领域】，公开了一种粉末状炭气凝胶及其制备方法和应用。该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，比表面积为294～2472m2/g。本发明的粉末状炭气凝胶呈微米级粉末状，在许多应用领域不用经过球磨可直接使用，有利于应用工艺的简化。本发明的粉末状炭气凝胶具有高比表面积，最高可达2472m2/g以上，在制备电极材料、药物控释材料和吸附材料中有广泛的潜在应用。且其构筑单元具有良好的球形度和粒径均一性，有利于纳米结构的精确构筑。本发明的制备方法简单，反应条件温和易控，有利于工业化放大。
【专利说明】一种粉末状炭气凝胶及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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(-10 μ m)，不仅费时费力，还费钱。
【发明内容】
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]本发明的目的通过下述方案实现:
[0008]—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。
[0009]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。
[0010]上述粉末状炭气凝胶的制备方法，包含以下具体步骤:
[0011](I)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；[0012](2)将步骤(I)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。
[0013]步骤(I)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。
[0014](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。
[0015]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。
[0016]步骤(I)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。
[0017]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。
[0018]所用助乳化剂的量为每IOOml溶剂加入3g助乳化剂。
[0019]优选地,所述的表面活性剂指P123。
[0020]步骤(I)中所述的引发剂指过硫酸钾(KPS)或偶氮二异丁腈(AIBN)。
[0021 ] 优选地，所述的引发剂指KPS。
[0022]步骤(I)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)。
[0023]步骤(I)中所述的加热聚合反应指在70-80°C反应3-24h。
[0024]步骤(I)中所述的醇沉指加入甲醇，使产物形成絮凝物并沉淀分离。
[0025]所用甲醇和乳液的体积比为160:500。
[0026]步骤(I)中所述的干燥指在50°C下干燥12-24h。
[0027]步骤(2)中所用PSDVB纳米球和无水三氯化铝的质量比为0.5: (0.7-2.8)。
[0028]步骤(2)中所用无水四氯化碳的量为每Ig PSDVB纳米球使用120-200mL无水四氯化碳。
[0029]步骤(2)中所述的高温炭化具体包括以下操作:以I-10°C /min的升温速率升温至700-1100°C，炭化3-5h，再以3°C /min降温至500°C，自然冷却至室温。
[0030]步骤(2)中所用丙酮/盐酸/水混合溶剂的量为每Ig PSDVB纳米球使用120-400mLo
[0031]所述的丙酮/盐酸/水混合溶剂由丙酮、盐酸和水按体积比为2020:76:666混合--? 。
[0032]所述的盐酸为体积百分含量为37%的盐酸。
[0033]步骤(2)中所述的溶胀指在室温下溶胀12h。[0034]步骤(2)中所述的搅拌加热交联反应指在30-78°C下搅拌反应0.25-48h。
[0035]步骤(2)中所述的干燥指在120°C下干燥12-24h。
[0036]步骤(2)中所述的惰气氛围指200-500mL/min流速的氮气气氛。
[0037]为更好地实现本发明，优选地，步骤(I)中所述的St单体与DVB使用注射器逐滴加入乳液中以使其充分分散。
[0038]优选地，步骤(I)中所述的引发剂加入前，混合溶液通氮气0.5h以充分除氧。
[0039]优选地，步骤(I)中所述的加热聚合反应在氮气保护下进行。
[0040]优选地，步骤(2)中所述搅拌加热交联反应的装置带有装载无水氯化钙的干燥管。
[0041]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。
[0042]本发明的机理为:
[0043]本发明首先以St和DVB为反应原料，P123、SDS或DTAB为乳化剂，蒸馏水为溶齐[J，KPS或AIBN为引发剂，制备得到单分散的PSDVB纳米球。以上述PSDVB纳米球为原料，无水四氯化碳为溶剂和交联剂，无水三氯化铝为催化剂，在一定温度下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts超交联反应得到粉末状有机气凝胶，然后在惰性气氛中炭化得到粉末状炭气凝胶。该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，在制备电极材料、药物控释材料和吸附材料中具有广泛的潜在应用。
[0044]本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果:
[0045]( I)本发明的粉末状炭气凝胶的制备方法简单，反应条件温和易控，无论是(微)乳液聚合，还是羰基凝胶化交联，均是在搅拌条件下进行，无爆聚现象，有利于工业化放大。同时此方法制备的炭气凝胶前驱体(聚苯乙烯一二乙烯基苯纳米球)可常压条件下直接进行干燥，工艺简便，设备要求低。
[0046](2)不同于经典的块状炭气凝胶材料，本发明所得炭气凝胶呈微米级粉末状，在许多应用领域不用经过球磨可直接使用，有利于应用工艺的简化。
[0047](3)Friedel-Crafts反应中所产生的超高交联化学结构可赋予有机气凝胶三维纳米网络结构的可炭化性和可继承性，而且炭化处理会在凝胶骨架内部产生大量微孔，使所得炭气凝胶具有高比表面积，最高可达2472m2/g以上，在制备电极材料、药物控释材料和吸附材料中有广泛的潜在应用。
[0048](4)利用(微)乳液聚合技术合成的PSDVB纳米球具有高度单分散，因此由其衍生而来的炭气凝胶的堆叠构筑单元也具有优良的球形度和粒径均一性，有利于纳米结构的精确构筑。
【专利附图】
【附图说明】
[0049]图1为实施例1制备得到的粉末状炭气凝胶分散在乙醇中的粒径分布曲线。
[0050]图2为实施例1制备得到的粉末状炭气凝胶的氮气吸附-脱附等温线图。
[0051]图3为实施例1制备得到的粉末状炭气凝胶的扫描电镜图。
[0052]图4为实施例2制备得到的粉末状炭气凝胶的吸附-缓释曲线图。
【具体实施方式】[0053]下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0054]实施例1:一种粉末状炭气凝胶的制备
[0055](I)在250ml四颈烧瓶中加入18.3g P123 (购于阿拉丁试剂公司)和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体(上海试剂厂生产)与0.4g预交联剂DVB (购于阿拉丁试剂公司)混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0056](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0057](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳,搅`拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入0.7g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0058](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸，水为蒸馏水。
[0059](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以10°C /min的升温速率升温至1000°C,恒温炭化3h,然后3°C /min降温至500°C,再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0060]将制备的粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定样品的微观结构，得到的粒径和分散性见图1。由图1可见，所制备的炭气凝胶为平均粒径在2.6 μ m左右的均匀粉末。PSDVB纳米球的粒径为36nm。
[0061]用美国Micromeritics公司产的ASAP2020吸附仪氮气吸附法测试所得粉末状炭气凝胶的孔结构，所得到的N2吸附-脱附等温线如图2所示，其比表面积(BET)为2472m2/g，其中微孔和外部孔比表面积分别为949m2/g和1523m2/g。扫描电镜观察结构表明(图3)，所得粉末状炭气凝胶由粒径30nm左右的炭纳米球共价堆叠而成，为典型的气凝胶材料，具有独特的三维纳米网络结构。
[0062]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪CO2吸附法测试所得粉末状炭气凝胶在(TC对CO2的吸附量为121cm3/g。
[0063]实施例2:—种粉末状炭气凝胶的制备
[0064](I)在250ml四颈烧瓶中加入18.3g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0065](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0066](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳,搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0067](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸；水为蒸馏水。
[0068](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以I°C /min的升温速率升温至800°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0069]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为2.2 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为36nm。
[0070]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为647m2/g。
[0071 ] 以所得粉末状炭气凝胶为电极材料，以氢氧化钾为电解液，组装为化学电容器，用横流充放电法测得其质量比电容为88F/g。
[0072]以所得粉末 状炭气凝胶为吸附剂，以2g/L的卡托普利溶液为吸附质，吸附-缓释曲线如图4所示。该粉末状炭气凝胶在室温下对卡托普利溶液的吸附量为50wt%，在释放120h的释放量为49wt%。
[0073]实施例3:—种粉末状炭气凝胶的制备
[0074](I)在250ml四颈烧瓶中加入18.3g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0075](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0076](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳,搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入0.7g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0077](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸，水为蒸馏水。
[0078](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以1°C /min的升温速率升温至1000°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0079]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为3.1 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为36nm。
[0080]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为1901m2/g。
[0081]实施例4:一种粉末状炭气凝胶的制备
[0082](I)在250ml四颈烧瓶中加入18.3g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。[0083](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0084](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳，搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入0.7g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0085](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸，水为蒸馏水。
[0086](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以10°C /min的升温速率升温至900°C,恒温炭化3h,然后3°C /min降温至500°C,再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0087]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Z eta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为2.6 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为36nm。
[0088]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为1300m2/g。
[0089]实施例5:—种粉末状炭气凝胶的制备
[0090](I)在250ml四颈烧瓶中加入18.3g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0091](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0092](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳，搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入0.7g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0093](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸，水为蒸馏水。
[0094](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以I°C /min的升温速率升温至900°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0095]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为3.3 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为36nm。
[0096]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为1262m2/g。
[0097]实施例6:—种粉末状炭气凝胶的制备
[0098](I)在250ml四颈烧瓶中加入18.3g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0099](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0100](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳，搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0101](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸，水为蒸馏水。
[0102](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以5°C /min的升温速率升温至1100°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0103]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为2.7 μ m左右，PSDVB 纳米球粒径为36nm。
[0104]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为294m2/g。
[0105]实施例7:—种粉末状炭气凝胶的制备
[0106](I)在250ml四颈烧瓶中加入18.3g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0107](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0108](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳，搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0109](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸，水为蒸馏水。
[0110](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以5°C /min的升温速率升温至1000°C,恒温炭化3h,然后3°C /min降温至500°C,再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0111]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为3.7 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为36nm。
[0112]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为463m2/g。
[0113]实施例8:一种粉末状炭气凝胶的制备
[0114](I)在250ml四颈烧瓶中加入18.3g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0115](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0116](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳,搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0117](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸，水为蒸馏水。
[0118](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以5°C /min的升温速率升温至900°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0119]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为3.5 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为36nm。
[0120]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为500m2/g。
[0121]实施例9:一种粉末状炭气凝胶的制备
[0122](I)在250ml四颈烧瓶中加入18.3g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0123](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0124](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳，搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0125](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸；水为蒸馏水。
[0126](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以5°C /min的升温速率升温至800°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0127]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为2.9 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为36nm。
[0128]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为486m2/g。
[0129]实施例10:—种粉末状炭气凝胶的制备
[0130](I)在250ml四颈烧瓶中加入18.3g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0131](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0132](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳，搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0133](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸；水为蒸馏水。
[0134](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以5°C /min的升温速 率升温至700°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0135]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为2.7 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为36nm。
[0136]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为487m2/g。
[0137]实施例11: 一种粉末状炭气凝胶的制备
[0138](I)在250ml四颈烧瓶中加入12.4g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0139](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0140](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳，搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0141](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸；水为蒸馏水。
[0142](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以5°C /min的升温速率升温至800°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0143]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为3.3 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为56nm。
[0144]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为395m2/g。
[0145]实施例12:—种粉末状炭气凝胶的制备[0146](I)在250ml四颈烧瓶中加入8.7g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入
0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0147](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0148](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳，搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0149](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉 末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸；水为蒸馏水。
[0150](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以5°C /min的升温速率升温至800°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0151]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为2.7 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为88nm。
[0152]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为506m2/g。
[0153]实施例13:—种粉末状炭气凝胶的制备
[0154](I)在250ml四颈烧瓶中加入1.7g P123和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入
0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0155](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0156](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳,搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0157](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸；水为蒸馏水。
[0158](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以5°C /min的升温速率升温至800°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0159]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为2.2 μ m左右，PSDVB纳米球粒径为160nm。
[0160]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为544m2/g。[0161]实施例14:一种粉末状炭气凝胶的制备
[0162](I)在250ml四颈烧瓶中加入0.16g SDS、8g戊醇和160ml蒸馏水，搅拌至其完全溶解。向所得溶液中通入氮气，IOmin后，将4.0g St单体与0.9g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为80°C，待温度稳定后加入
0.04g KPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应12h。
[0163](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0164](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳,搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0165](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸；水为蒸馏水。
[0166](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以5°C /min的升温速率升温至900°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0167]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为2785nm，PSDVB纳米球粒径为57nm。`
[0168]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为900m2/g。
[0169]实施例15:—种粉末状炭气凝胶的制备
[0170](I)在250ml四颈烧瓶中加入8g DTAB和160ml蒸馏水，搅拌至P123完全溶解。向所得溶液中通入氮气，30min后，将4.0g St单体与0.4g预交联剂DVB混合，用IOml注射器逐滴加入所得溶液，机械搅拌分散均匀后，设定反应温度为70°C，待温度稳定后加入0.04gKPS,搅拌加热回流，搅拌速率为270r/min，进行自由基聚合反应3h。
[0171](2)反应完成后，将所得乳液加入到500ml甲醇中，静置至白色絮状物与上层清液分离，将絮状物离心，洗涤后于50°C干燥12h，得到单分散的PSDVB纳米球。
[0172](3)在IOOml三颈瓶中加入0.5g干燥后的PSDVB纳米球和60ml无水四氯化碳，搅拌至其完全溶胀，然后设定反应温度为75°C，加入1.4g无水三氯化铝，在75°C下搅拌加热回流进行Friedel-Crafts反应24h。
[0173](4)加入丙酮/盐酸/水混合溶剂60ml终止Friedel-Crafts反应,抽滤、洗漆及常压干燥后得到粉末状有机气凝胶；盐酸为体积百分含量为37%的盐酸；水为蒸馏水。
[0174](5)将所得有机气凝胶用磁舟装载置于炭化炉中，在400ml/min流速的氮气气氛下，以5°C /min的升温速率升温至800°C，恒温炭化3h，然后3°C /min降温至500°C，再自然冷却至室温，即得到粉末状炭气凝胶。
[0175]将制备的PSDVB纳米球以及粉末状炭气凝胶在乙醇中搅拌分散后，用美国Brookhaven公司产的Zeta PALS动态激光光散射仪测定,可得所制备的炭气凝胶平均粒径为893nm，PSDVB纳米球粒径为30nm。
[0176]用美国Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪氮气吸附法测试，所得粉末状炭气凝胶的比表面积(BET)为375m2/g。
[0177]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换 方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种粉末状炭气凝胶,其特征在于: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。
2.一种根据权利要求1所述的粉末状炭气凝胶的制备方法，其特征在于包含以下具体步骤: (1)聚苯乙烯-二乙烯基苯纳米球的制备: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，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，得到聚苯乙烯-二乙烯基苯纳米球； (2)将步骤(I)所得聚苯乙烯-二乙烯基苯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。
3.根据权利要求2所述的粉末状炭气凝胶的制备方法，其特征在于:步骤(I)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；所用St:二乙烯基苯: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)。
4.根据权利要求2所述的粉末状炭气凝胶的制备方法，其特征在于:步骤(I)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、十二烷基硫酸钠和十二烷基三甲基溴化铵中的至少一种；所述的引发剂指过硫酸钾或偶氮二异丁腈。
5.根据权利要求2所述的粉末状炭气凝胶的制备方法，其特征在于:所述表面活性剂的用量为每160mL水使用18.3g表面活性剂；所述的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；所述的引发剂指过硫酸钾。
6.根据权利要求2所述的粉末状炭气凝胶的制备方法，其特征在于:步骤(I)中所述的加热聚合反应指在70-80°C反应3-24h ;所述的醇沉指加入甲醇，使产物形成絮凝物并沉淀分离；所述的干燥指在50°C下干燥12-24h。
7.根据权利要求2所述的粉末状炭气凝胶的制备方法，其特征在于:步骤(2)中所用聚苯乙烯-二乙烯基苯纳米球和无水三氯化铝的质量比为0.5: (0.7-2.8);所用无水四氯化碳的量为每Ig聚苯乙烯-二乙烯基苯纳米球使用120-200mL无水四氯化碳；所用丙酮/盐酸/水混合溶剂的量为每Ig聚苯乙烯-二乙烯基苯纳米球使用120-400mL ;所述的丙酮/盐酸/水混合溶剂由丙酮、盐酸和水按体积比为2020:76:666混合而成。
8.根据权利要求2所述的粉末状炭气凝胶的制备方法，其特征在于:步骤(2)中所述的高温炭化具体包括以下操作:以I-10°c /min的升温速率升温至700-1100°C,炭化3-5h，再以3°C /min降温至500°C，自然冷却至室温。
9.根据权利要求2所述的粉末状炭气凝胶的制备方法，其特征在于:步骤(2)中所述的溶胀指在室温下溶胀12h ;所述的搅拌加热交联反应指在30-78°C下搅拌反应0.25-48h ;所述的干燥指在120°C下干燥12-24h ;所述的惰气氛围指200-500mL/min流速的氮气气氛。
10.根据权利要求1所述的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。
【文档编号】C08F2/24GK103449406SQ201310390643
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】吴丁财, 许静, 符若文 申请人:中山大学