石墨烯/纤维织物制备方法、石墨烯/纤维织物和传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种石墨烯/纤维织物制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：1)将纤维织物于牛血清蛋白溶液中在室温下浸泡，干燥后用去离子水清洗，得到经正离子化处理的纤维织物；2)将步骤1)中所述经正离子化处理的纤维织物于氧化石墨烯溶液中浸泡，干燥后得到氧化石墨烯/纤维织物；3)将步骤2)中所述氧化石墨烯/纤维织物于还原剂中浸泡，用去离子水清洗后干燥，得到石墨烯/纤维织物。本发明提供的制备方法工艺简化，制备得到的石墨烯/纤维织物与石墨烯复合良好、电阻稳定、灵敏性高，安全环保。
【专利说明】
石墨烯/纤维织物制备方法、石墨烯/纤维织物和传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及柔性导电织物领域，更具体地说，涉及一种石墨烯/纤维织物制备方法、石墨烯/纤维织物和传感器。
【【背景技术】】
[0002]人类对于智能服装的追求促进了可穿戴设备及电子织物的飞速发展，而可穿戴设备及电子织物的发展又依赖于性能优良的导电织物的制备。鉴于穿着体验，衣服等织物作为人类已经适应了几千年的穿戴物品，会更适合于人体穿戴。以此为基体，将其开发为智能纺织品将会具有较大潜力，制备兼具轻量性、柔韧性以及可拉伸性等的导电织物尤其是基于通用纤维的导电织物将会加速推进电子织物及可穿戴设备的发展。
[0003]导电织物的研制至今已有近50年的历史，其发展历程大致包括四个阶段:金属纤维、碳纤维及含碳黑聚合物的复合型导电纤维、含有金属盐的导电纤维、导电高聚物导电纤维。导电织物是由导电纤维混合服用纤维纺织而成或是以服用织物为基底在其上负载导电材料，例如金属、碳材料、导电高聚物制备而成。因此导电织物一般可分为金属导电织物、镀金属导电织物、导电高聚物复合导电织物以及碳材料复合导电织物等。尽管导电织物得到了长足的发展，但也存在着一定的问题，如金属导电织物和镀金属导电织物的手感粗糙，舒适性较差;导电聚合物导电织物工艺较复杂，污染严重等。因此开发新的制备导电织物的新方法具有重要的意义和实际应用前景。
[0004]石墨烯是碳原子以Sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维(2D)原子晶体，具有一系列丰富而新奇的物理性质。是目前世界上已知的最薄也是最坚硬的纳米材料，机械性能优异，导电性能极佳。其杨氏模量约I 10GPa模量，断裂强度约130GPa，电子迀移率约2 X14Cm2/(V.s)、比表面积最高可达2630m2/g。石墨稀独特的物理、化学和力学性能为复合材料的开发提供了原动力。但是，氧化石墨烯(GO)与纺织品之间缺乏亲和力，因此很难通过传统工艺将氧化石墨烯包覆到纺织品上。
[0005]目前，智能纺织品主要应用于航空航天、医疗保健、运动娱乐等领域。其主要功能是传感探测应力、应变、温度及其气体参数的变化等。现在的大部分可穿戴传感器敏感元件一一导电纤维，主要由导电材料与纤维织物通过涂覆、混编等方式复合，但受到电导性、机械性能和有毒害性的制约。
【
【发明内容】
】
[0006]本发明提供了一种石墨烯/纤维织物制备方法、石墨烯/纤维织物和传感器，解决了现有技术中氧化石墨烯(GO)与纺织品之间缺乏亲和力，难以将氧化石墨烯包覆到纺织品上的问题。
[0007]第一方面，本发明提供一种石墨烯/纤维织物制备方法，所述制备方法包括:
[0008]I)将纤维织物于牛血清蛋白溶液中在室温下浸泡，干燥后用去离子水清洗，得到经正离子化处理的纤维织物；[0009 ] 2)将步骤I)中所述经正离子化处理的纤维织物于氧化石墨烯溶液中浸泡，干燥后得到氧化石墨烯/纤维织物；
[0010]3)将步骤2)中所述氧化石墨烯/纤维织物于还原剂中浸泡，用去离子水清洗后干燥，得到石墨烯/纤维织物。
[0011]优选地，所述步骤I)中，所述牛血清蛋白溶液的质量浓度为I?20mg/ml。
[0012]优选地，所述步骤I)中，所述浸泡的时间为10?60min，所述干燥的温度为25°C?800C，所述干燥的时间为10?120min。
[0013]优选地，所述步骤2)中，所述浸泡过程包括:将所述经正离子化处理的纤维织物于40 0C?80 0C水浴中浸泡1?60min。
[0014]优选地，所述步骤2)中，所述干燥的温度为2 5 °C?8 O °C，干燥的时间为1?120mino
[0015]优选地，所述步骤3)中，所述还原剂包括氢碘酸和乙酸混合液，其中氢碘酸和乙酸的体积比为1:5?3:5。
[0016]优选地，所述步骤3)中，所述还原剂为抗坏血酸溶液，所述抗坏血酸溶液的质量浓度为I?5mg/ml。
[0017]优选地，所述步骤3)中，所述浸泡的温度为25°C?60°C，浸泡的时间为10?60min。
[0018]第二方面，本发明提供一种石墨烯/纤维织物，通过上述任意一项所述的制备方法制备得到。
[0019]第三方面，本发明提供一种传感器，包括上述任意一项所述的制备方法制备得到的所述石墨烯/纤维织物。
[0020]该石墨烯/纤维织物的制备方法采用常用的弹性纤维织物为基体，先用BSA溶液对待染弹性纤维织物进行正离子化处理，然后将正离子化的纤维浸入氧化石墨烯溶液，使该弹性纤维织物与导电性极好、机械性能优异的石墨烯复合，制备得到的石墨烯/纤维织物与石墨烯复合良好、电阻稳定、灵敏性高，将该石墨烯/纤维织物制作成可穿戴织物的传感器，不仅具有柔软、穿戴舒适、易折叠、耐洗涤、无毒害等特点，而且拥有较高的电导性、良好的机械性能和稳定性，可以达到灵敏度较高，重复性好的要求。
【【具体实施方式】】
[0021]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]本发明提供一种石墨烯/纤维织物制备方法、石墨烯/纤维织物和传感器，下面以实施例1详细阐述该石墨烯/纤维织物的制备过程，以及石墨烯/纤维织物和传感器。
[0023]实施例1
[0024]I)织物正离子化处理:
[0025]将纤维织物浸于5mg/ml的牛血清蛋白(BSA)溶液中，搓揉所述纤维织物使得其与牛血清蛋白溶液充分接触，在室温下浸泡30min后，于60 °C的干燥箱中干燥30min，用去离子水反复清洗三次，得到经正离子化处理的纤维织物，干燥待用。
[0026]其中，纤维织物选自氨纶线、棉包芯橡胶、涤纶包芯橡胶和尼龙包芯橡胶等。
[0027]2)制备氧化石墨烯(GO)/纤维织物
[0028]将步骤I)中所述经正离子化处理的纤维织物浸于2mg/ml氧化石墨烯溶液中，放入60°C的水浴锅中浸泡，搓揉所述经正离子化处理的纤维织物使得其与氧化石墨烯溶液充分接触，保温30min后，除去放入60 °C的干燥箱中干燥30min，得到氧化石墨稀包覆的纤维织物，即氧化石墨烯/纤维织物。
[0029]其中，2mg/ml氧化石墨烯溶液的制备方法为:称取氧化石墨烯放入去离子水中，超声30min，超声时控制温度不超过30°C。
[0030]3)制备石墨烯/纤维织物
[0031]将步骤2)中所述氧化石墨烯/纤维织物于还原剂中浸泡，在40°C下保温lOmin，用去离子水反复清洗，直至无还原剂残留为止，然后干燥，得到石墨烯包覆的纤维织物，即石墨烯/纤维织物。
[0032]其中，所述还原剂包括氢碘酸和乙酸，氢碘酸和乙酸的体积比为2:5;在清洗过程中，同时将包覆不够牢固的石墨烯清洗掉。
[0033]该石墨烯/纤维织物的制备方法采用常用的弹性纤维织物为基体，先用BSA溶液对待染弹性纤维织物进行正离子化处理，然后将正离子化的纤维浸入GO溶液，使该弹性纤维织物与导电性极好、机械性能优异的石墨烯复合，制备得到的石墨烯/纤维织物与石墨烯复合良好，耐洗涤，可以使用较长时间，石墨烯的高导电性也保持了纤维织物的导电性，同时制备得到的石墨烯/纤维织物电阻稳定，灵敏度高。具体的，纤维织物的各个纤维上都包覆了石墨烯，在没有受到拉力时，纤维之间紧密接触，连接良好，在受到拉力时，一些纤维之间不再接触，电阻会显著增大，较小的应变便会引起电阻的较大变化。整个制造过程仅通过简单的浸染和漂洗，工艺简单，而且没有任何有毒物质的引入，安全环保。
[0034]检测纤维织物的导电性后，便可把石墨烯/纤维织物接入电阻检测电路中，石墨烯/纤维织物可以和手套、护腕、护肘、护膝、紧身服等编织在一起制作成可穿戴织物的传感器，当外力引起石墨烯/纤维织物发生应变时，其电阻便会发生变化，只要检测电阻的变化，便可算出受力，弯曲程度等，可用于手势检测、脉搏检测等，进一步可用于人机互动、生物医疗等方向。将该石墨烯/纤维织物制作成可穿戴织物的传感器，由于纤维织物本身具备弹性，不仅具有柔软、穿戴舒适、易折叠、耐洗涤、无毒害、重复性好等特点，而且拥有较高的电导性、良好的机械性能和稳定性，灵敏度较高，可检测100%甚至更大的应变。
[0035]实施例2
[0036]I)织物正离子化处理:
[0037]将纤维织物浸于lmg/ml的牛血清蛋白(BSA)溶液中，搓揉所述纤维织物使得其与牛血清蛋白溶液充分接触，在室温下浸泡1min后，于25 °C的干燥箱中干燥1min，用去离子水反复清洗三次，得到经正离子化处理的纤维织物，干燥待用。
[0038]其中，纤维织物选自氨纶线、棉包芯橡胶、涤纶包芯橡胶和尼龙包芯橡胶等。
[0039]2)制备氧化石墨烯(GO)/纤维织物
[0040]将步骤I)中所述经正离子化处理的纤维织物浸于2mg/ml氧化石墨烯溶液中，放入40°C的水浴锅中浸泡，搓揉所述经正离子化处理的纤维织物使得其与氧化石墨烯溶液充分接触，保温1min后，除去放入25 V的干燥箱中干燥1min，得到氧化石墨烯包覆的纤维织物，即氧化石墨烯/纤维织物。
[0041]其中，2mg/ml氧化石墨烯溶液的制备方法为:称取氧化石墨烯放入去离子水中，超声lOmin，超声时控制温度不超过30°C。
[0042]3)制备石墨烯/纤维织物
[0043]将步骤2)中所述氧化石墨烯/纤维织物于还原剂中浸泡，在25°C下保温30min，用去离子水反复清洗，直至无还原剂残留为止，然后干燥，得到石墨烯包覆的纤维织物，即石墨烯/纤维织物。
[0044]其中，所述还原剂包括氢碘酸和乙酸，氢碘酸和乙酸的体积比为1:5;在清洗过程中，同时将包覆不够牢固的石墨烯清洗掉。
[0045]实施例3
[0046]I)织物正离子化处理:
[0047]将纤维织物浸于20mg/ml的牛血清蛋白(BSA)溶液中，搓揉所述纤维织物使得其与牛血清蛋白溶液充分接触，在室温下浸泡60min后，于80°C的干燥箱中干燥120min，用去离子水反复清洗三次，得到经正离子化处理的纤维织物，干燥待用。
[0048]其中，纤维织物选自氨纶线、棉包芯橡胶、涤纶包芯橡胶和尼龙包芯橡胶等。
[0049]2)制备氧化石墨烯(GO) /纤维织物
[0050]将步骤I)中所述经正离子化处理的纤维织物浸于2mg/ml氧化石墨烯溶液中，放入80°C的水浴锅中浸泡，搓揉所述经正离子化处理的纤维织物使得其与氧化石墨烯溶液充分接触，保温60min后，除去放入80°C的干燥箱中干燥120min，得到氧化石墨烯包覆的纤维织物，即氧化石墨烯/纤维织物。
[0051 ]其中，2mg/ml氧化石墨烯溶液的制备方法为:称取氧化石墨烯放入去离子水中，超声60min，超声时控制温度不超过30 V。
[0052]3)制备石墨烯/纤维织物
[0053]将步骤2)中所述氧化石墨烯/纤维织物于还原剂中浸泡，在60°C下保温60min，用去离子水反复清洗，直至无还原剂残留为止，然后干燥，得到石墨烯包覆的纤维织物，即石墨烯/纤维织物。
[0054]其中，所述还原剂包括氢碘酸和乙酸，氢碘酸和乙酸的体积比为3:5;在清洗过程中，同时将包覆不够牢固的石墨烯清洗掉。
[0055]实施例4
[0056]I)织物正离子化处理:
[0057]将纤维织物浸于lmg/ml的牛血清蛋白(BSA)溶液中，搓揉所述纤维织物使得其与牛血清蛋白溶液充分接触，在室温下浸泡1min后，于25 °C的干燥箱中干燥1min，用去离子水反复清洗三次，得到经正离子化处理的纤维织物，干燥待用。
[0058]其中，纤维织物选自氨纶线、棉包芯橡胶、涤纶包芯橡胶和尼龙包芯橡胶等。
[0059]2)制备氧化石墨烯(GO) /纤维织物
[0060]将步骤I)中所述经正离子化处理的纤维织物浸于2mg/ml氧化石墨烯溶液中，放入40°C的水浴锅中浸泡，搓揉所述经正离子化处理的纤维织物使得其与氧化石墨烯溶液充分接触，保温1min后，除去放入25 V的干燥箱中干燥1min，得到氧化石墨烯包覆的纤维织物，即氧化石墨烯/纤维织物。
[0061]其中，2mg/ml氧化石墨烯溶液的制备方法为:称取氧化石墨烯放入去离子水中，超声lOmin，超声时控制温度不超过30°C。
[0062]3)制备石墨烯/纤维织物
[0063]将步骤2)中所述氧化石墨烯/纤维织物于还原剂中浸泡，在25°C下保温30min，用去离子水反复清洗，直至无还原剂残留为止，然后干燥，得到石墨烯包覆的纤维织物，即石墨烯/纤维织物。
[0064]其中，所述还原剂为抗坏血酸溶液，所述抗坏血酸溶液的质量浓度为5mg/ml;在清洗过程中，同时将包覆不够牢固的石墨烯清洗掉。
[0065]实施例5
[0066]I)织物正离子化处理:
[0067]将纤维织物浸于20mg/ml的牛血清蛋白(BSA)溶液中，搓揉所述纤维织物使得其与牛血清蛋白溶液充分接触，在室温下浸泡60min后，于80°C的干燥箱中干燥120min，用去离子水反复清洗三次，得到经正离子化处理的纤维织物，干燥待用。
[0068]其中，纤维织物选自氨纶线、棉包芯橡胶、涤纶包芯橡胶和尼龙包芯橡胶等。
[0069]2)制备氧化石墨烯(GO) /纤维织物
[0070]将步骤I)中所述经正离子化处理的纤维织物浸于2mg/ml氧化石墨烯溶液中，放入80°C的水浴锅中浸泡，搓揉所述经正离子化处理的纤维织物使得其与氧化石墨烯溶液充分接触，保温60min后，除去放入80°C的干燥箱中干燥120min，得到氧化石墨烯包覆的纤维织物，即氧化石墨烯/纤维织物。
[0071]其中，2mg/ml氧化石墨烯溶液的制备方法为:称取氧化石墨烯放入去离子水中，超声60min，超声时控制温度不超过30 V。
[0072]3)制备石墨烯/纤维织物
[0073]将步骤2)中所述氧化石墨烯/纤维织物于还原剂中浸泡，在60°C下保温60min，用去离子水反复清洗，直至无还原剂残留为止，然后干燥，得到石墨烯包覆的纤维织物，即石墨烯/纤维织物。
[0074]其中，所述还原剂为抗坏血酸溶液，所述抗坏血酸溶液的质量浓度为lmg/ml;在清洗过程中，同时将包覆不够牢固的石墨烯清洗掉。
[0075]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种石墨烯/纤维织物制备方法，其特征在于，所述制备方法包括: 1)将纤维织物于牛血清蛋白溶液中在室温下浸泡，干燥后用去离子水清洗，得到经正离子化处理的纤维织物； 2)将步骤I)中所述经正离子化处理的纤维织物于氧化石墨烯溶液中浸泡，干燥后得到氧化石墨烯/纤维织物； 3)将步骤2)中所述氧化石墨烯/纤维织物于还原剂中浸泡，用去离子水清洗后干燥，得到石墨烯/纤维织物。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤I)中，所述牛血清蛋白溶液的质量浓度为I?20mg/ml。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤I)中，所述浸泡的时间为10?60min，所述干燥的温度为25 °C?80 °C，所述干燥的时间为1?120min。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述浸泡过程包括:将所述经正离子化处理的纤维织物于40 0C?80 0C水浴中浸泡1?60min。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述干燥的温度为25°C?80°C，干燥的时间为10?120min。6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述还原剂包括氢碘酸和乙酸混合液，其中氢碘酸和乙酸的体积比为1:5?3: 5。7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述还原剂为抗坏血酸溶液，所述抗坏血酸溶液的质量浓度为I?5mg/ml。8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述浸泡的温度为25°C?60°C，浸泡的时间为10?60min。9.一种石墨烯/纤维织物，其特征在于，通过如权利要求1?8中任意一项所述的制备方法制备得到。10.—种传感器，其特征在于，包括如权利要求1?8中任意一项所述的制备方法制备得到的所述石墨烯/纤维织物。
【文档编号】D06B3/10GK105951427SQ201610362588
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】李准, 马乾力, 王丹
【申请人】深圳市微纳集成电路与系统应用研究院