一种三维石墨烯应变传感器的制备方法与流程

本发明涉及应变传感器领域，尤其涉及一种三维石墨烯应变传感器的制备方法。

背景技术：

应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件，是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。应变传感器在电子皮肤、机器人、柔性电子、智能生活、运动检测、健康管理等领域具有重要应用前景。

中国专利公开号103076031A公开了一种柔性可拉伸应变式传感器的制备方法，具体包括制备柔性接收集衬底、静电纺丝溶液的配制与注入纺丝针管、静电纺丝法制备扭曲结构的微纳米纤维和传感器的性能测试四个步骤：将一块具有弹性的高分子材料基片固定在玻璃片上，然后放置在接电源负极的铝箔上；配制掺加二甲基亚砜(DMSO)的聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)乙醇溶液作为纺丝溶液并将其注入纺丝针管；选用纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置制备扭曲结构的微纳米纤维；对制备的传感器进行性能测试；其制备方法简单，原理可靠，制备成本低，产品性能好，操作简便，产率高，环境友好。但是，目前应变传感器主要通过传统的导电填料和聚合物弹性体进行共混等方式进行制备，成本高，灵敏度低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维石墨烯应变传感器的制备方法，该制备方法解决了应变传感器灵敏度低的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种三维石墨烯应变传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯与还原剂反应，制得还原氧化石墨烯水凝胶；

(2)所述还原氧化石墨烯水凝胶经过冷冻、干燥，得到石墨烯气凝胶；

(3)将所述石墨烯气凝胶与弹性体聚合物进行复合，制得三维石墨烯应变传感器。

其中，所述步骤(1)中还原剂与氧化石墨烯的质量比为0.5～20:1，例如可以为0.5:1、1:1、3:1、6:1、10:1、15:1或20:1等，优选2～10:1，进一步优选5:1。

其中，所述步骤(1)中还原剂选自水合肼、碘化氢、维生素C、硫化铵、茶多酚或乙二胺中一种或至少两种的混合物，优选乙二胺。

其中，所述步骤(1)中反应在水溶液中进行；氧化石墨烯水溶液的浓度可以为0.1mg/mL、0.3mg/mL、0.5mg/mL、0.8mg/mL、1mg/mL、1.5mg/mL、2mg/mL、3mg/mL、5mg/mL、8mg/mL或10mg/mL等；

优选地，反应温度为50～100℃，例如可以为50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃等，优选60～70℃，进一步优选60℃；

优选地，所述反应时间为0.5～24h，例如可以为0.5h、1h、3h、5h、8h或10h等，优选2～10h，优选5h。

其中，所述步骤(2)中冷冻温度为-80～-20℃，例如可以为-80℃、-70℃、-60℃、-50℃、-40℃、-30℃或-20℃等，优选-40～-20℃，进一步优选-20℃。

其中，所述步骤(2)中弹性体聚合物选自为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚氨酯或PDMS中的一种或至少两种的混合物，优选PDMS。

其中，所述步骤(3)中原位聚合过程为：将所述三维石墨烯气凝胶用导电银浆和铜导线连接，通过真空辅助灌入弹性聚合物和固化剂进行固化。

其中，所述弹性聚合物和固化剂的质量比为1:3～8，例如可以为1:3、1:4、1:5、1:6或1:8等，优选1:4～6，进一步优选1:5。

其中，所述固化温度为75～85℃，例如可以为75℃、78℃、80℃、82℃、84℃或85℃等，优选76～82℃，进一步优选80℃；

优选地，所述固化时间为0.5～5h，例如可以为0.5h，1h、1.5h、2h、3h、4h或5h等，优选2～4h，进一步优选3h。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明的氧化石墨烯与还原剂在温和的条件下进行反应，经过简单的冷冻干燥后得到三维石墨烯气凝胶，通过在三维石墨烯气凝胶中灌注聚合物弹性体可以得到高灵敏度、高稳定性的应变传感器；同时，该制备方法步骤简单，原料成本较低。

附图说明

图1为实施例1制得的三维石墨烯气凝胶的扫描电子显微镜图；

图2为实施例1制得的三维石墨烯传感器的I/V曲线测试；

图3为实施例1制得的三维石墨烯传感器的应变-电阻变化曲线；

图4为实施例1制得的三维石墨烯传感器的应变-电阻变化循环曲线；

图5为实施例1制得的三维石墨烯传感器对手腕弯曲的检测。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

实施例1

取20ml浓度为1mg/ml的氧化石墨烯水溶液与1ml浓度为200mg/mL的硫化铵水溶液在密闭的条件下在60℃下反应5h，制得还原氧化石墨烯水凝胶，将得到的还原氧化石墨烯水凝胶进行清洗，在-20℃的冰箱中进行冷冻结冰，放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，经过24h后，即可得到三维石墨烯气凝胶；

将上述三维石墨烯气凝胶用导电银浆与铜导线进行连接，向其中灌入PDMS预聚物和固化剂，预聚物和固化剂的质量比为1:5，经过真空辅助灌封后在80℃下进行固化，固化时间为3h，最终，即可得到三维石墨烯应变传感器。

实施例2

取20ml浓度为0.5mg/ml的氧化石墨烯水溶液与1ml浓度为160mg/mL的硫化铵水溶液在密闭的条件下在50℃下反应6h，制得还原氧化石墨烯水凝胶，将得到的还原氧化石墨烯水凝胶进行清洗，在-30℃的冰箱中进行冷冻结冰，放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，经过20h后，即可得到三维石墨烯气凝胶；

将上述三维石墨烯气凝胶通过导电银浆与铜导线进行连接，向其中灌入PDMS预聚物和固化剂，预聚物和固化剂的质量比为1:4，经过真空辅助灌封后在80℃下进行固化，固化时间为3h，最终，即可得到三维石墨烯应变传感器。

实施例3

取30ml浓度为2mg/ml的氧化石墨烯水溶液与2ml浓度为250mg/mL的硫化铵水溶液在密闭的条件下在60℃下反应5h，制得还原氧化石墨烯水凝胶，将得到的还原氧化石墨烯水凝胶进行清洗，在-20℃的冰箱中进行冷冻结冰，放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，经过24h后，即可得到三维石墨烯气凝胶；

将上述三维石墨烯气凝胶用导电银浆与铜导线进行连接，向其中灌入PDMS预聚物和固化剂，预聚物和固化剂的质量比为1:6，经过真空辅助灌封后在80℃下进行固化，固化时间为3h，最终，即可得到三维石墨烯应变传感器。

性能测试：

1、对实施例1制得的制得的三维石墨烯气凝胶进行扫描电子显微镜观察，结果如图1所示，从图中可以看出所制备的三维石墨烯气凝胶具有三维连续多孔的结构，实施例2～3与之类似；

2、对实施例1制得的三维石墨烯传感器进行I/V曲线分析，得到图2，如图2所示，从图中可以看到三维石墨烯传感器的I/V曲线表现出良好的线性关系，实施例2～3与之类似；

3、对实施例1制得的三维石墨烯传感器进行拉伸过程中电阻变化测试，得到图3，从图中可以看出实施例1制得的制备三维石墨烯传感器在拉伸过程中表现出显著的电阻变化，实施例2～3与之类似；

4、对实施例1制得的三维石墨烯传感器进行拉伸过程稳定性测试，得到图4，从中可以看到其具有优异多次循环稳定性，实施例2～3与之类似；

5、对实施例1制得的三维石墨烯传感器进行手腕弯曲测试，得到图5，从中可以看到其具有优异的生物信号传感性能；实施例2～3与之类似。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及施工方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及施工方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及施工方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。