CN107629255A - 一种石墨烯‑橡胶及其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合物材料领域，特别是一种石墨烯‑橡胶及其制备方法及应用。其技术方案是：一种石墨烯‑橡胶其制备方法是：步骤一：称取石墨粉，PVP溶于乙醇和去离子水组成的混合溶剂中；步骤二：将混合溶液密封超声后进行离心，取出上清液；步骤三：上清液再次离心，将所得沉淀用乙醇洗一次后取出，烘干至得到干燥的粉末即为石墨烯；步骤四：截取橡皮筋精确称量后，用一定量甲苯进行浸泡并超声；步骤五：超声结束后，将已经溶胀的橡皮筋转移到由石墨烯和DMF（二甲基甲酰胺）组成的混合溶液中，超临界反应釜中，超临界反应，反应后取出产物，用去离子水漂洗三次，干燥即可。本发明石墨烯‑橡胶制备过程简单，成本低，可大量生产。

Description

一种石墨烯-橡胶及其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及复合物材料领域，特别是一种石墨烯-橡胶及其制备方法及应用。

背景技术

传感器是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

电阻应变式传感器(straingauge type transducer)以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。

在运动过程中，可穿戴式传感器可以评估运动员在训练过程中的生理信号和身体运动学的性能指标。这种传感器完全地嵌入集成在运动员的服装里。这将允许监测其穿戴者运动全过程，因此他们在运动训练时，无需连接任何外部设备。使得这种生理监测进入一个完全自然的境界。通过发展纺织品中植入智能传感器，然后做成有益无害的运动服装中。

可穿戴式传感器可用于监测人体在运动中的生理反应和运动学方面的性能。检测可以在一个自然环境中进行，装有传感器的纺织品应该是在十分良好的工艺条件下制造出来的产品，辅助以某些技术的保障使之制成服装后便于存取信息。使得被植入传感器的织物做成服装后增加服装的功能，同时仍然保持正常的触觉特性的服装。

动态姿势的调整是运动技能训练的基础。体育运动并不依赖于静态姿而取决于动姿。良好的运动姿态，实际上是一系列的姿势联系在一起而产生有效的运动。运动服装通常都是设计紧贴身体，以捕捉运动员在运动过程的理想手段。反馈信息对运动员加强身体的意识，有助于提高技术。最常见的方法是通过肉眼观察或调用视频播放，但这也不可能得到真正的实际效果。除了通过教练肉眼观察和昂贵的视频设备以外，还有体育服装的改进成了解决这个问题的捷径。

一方面在面料上要开发功能性的能够嵌入其他材质的纺织品，另一方面要提供与计算机应用相连接的友好界面。作为一种人机交互界面的技术演变已经越来越变得无处不在，无处不有。所使用的技术应该是容易被人接受，容易被人理解的。

发明内容

针对现有的传感器材料发展的需求，本发明的目的是提供一种石墨烯-橡胶，具有灵敏度与可延展性的结合的特性使这种复合物可以作为理想的动态应变传感器材料。

其解决问题的技术方案是：

一种石墨烯-橡胶制备方法，包括以下步骤：

步骤一：

称取石墨粉，PVP(聚乙烯吡咯烷酮)溶于乙醇和去离子水组成的混合溶剂中；

步骤二：

将混合溶液密封超声后进行离心，取出上清液；

步骤三：

上一步骤中得到的上清液进行再次离心，将所得沉淀用乙醇洗一次后取出，烘干得到干燥的粉末即为石墨烯；

步骤四：

截取的橡皮筋精确称量后，用一定量甲苯进行浸泡并超声；

步骤五：

超声结束后，将已经溶胀的橡皮筋转移到由石墨烯和DMF(二甲基甲酰胺)组成的混合溶液中，随后将反应瓶转移到40℃恒温的超临界反应釜中，分别以8MPa，10MPa，12MPa，14MPa，16MPa反应压力下超临界反应，反应后取出产物，用去离子水漂洗三次，然后干燥即可。

石墨烯是由六边形碳结构的原子级厚纳米片层组成的，具有优异的电学特性，可以大量制备。

天然橡胶是一种良好的可扩展材料，石墨烯的负载会在一定程度上降低其应变破坏值，这个特性使橡胶这种材料可以被用于高应变的应变传感器。

将超临界CO2剥离的石墨烯，在超临界CO2作为溶剂的条件下，使其负载于橡胶上来制备传导型复合物。

本发明石墨烯-橡胶传感器结合低硬度，高应变系数，高张力和快速动态响应的传感能力，同时具有制备过程简单，成本低，可大量生产的这一系列优异性能。通过本发明方法制得的石墨烯对人体细胞是完全无毒的，可以大量制备，且与其它纳米材料相比更便宜。尤其是由于这种传感器的低成本。一个普通的石墨烯-橡胶传感器包含约0.1g的橡胶和小于1mg的石墨烯，这些材料的费用基本为零。以上这些优势在实验中反映出来，它们具有高敏感性和高速率，可以在高应变下工作。

可延展性可以帮助监测动态应变，使其可以作为加速度和速度传感器。

相比于其它用炭黑，碳纳米管，碳纳米纤维或纳米石墨作为填料制备的纳米复合物应变传感器，这种石墨烯-橡胶传感器能够在频率和应变幅度的结合下工作，

本发明方法中，石墨烯进入聚合物中是通过内部结构的扩散，能够形成一个连接良好的网状结构片层，且无内部片层的聚合物层。这个过程是通用的，可以加入其它纳米材料。

在一定体积分数范围内对该复合物缓慢施加应变，除了尺寸改变之外，电阻在应变应用下也会发生增长。

附图说明

图1为产品反应前后，宏观颜色发生明显变化图。

图2为产品的电阻与石墨烯的负载量关系图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作出详细说明

实施例1

一种石墨烯-橡胶制备方法，包括以下步骤：

步骤一：

称取300mg石墨粉，200mgPVP(聚乙烯吡咯烷酮)溶于2ml乙醇和8ml去离子水组成的混合溶剂中；

步骤二：

将混合溶液密封超声24h(240W，T<25℃)后进行离心(转速1500r/min，45min)，取出上清液；

步骤三：

上一步骤中得到的上清液在10000r/min的转速下进行再次离心15min，将所得沉淀用乙醇洗一次后取出，在60℃下烘干得到干燥的粉末即为石墨烯；

步骤四：

截取约4cm长，侧面直径约1.5mm的橡皮筋精确称量后，用一定量甲苯(浸没橡皮筋即可)进行浸泡并超声3h(240W，T<25℃)；

步骤五：

超声结束后，将已经溶胀的橡皮筋转移到由10mg石墨烯和5mlDMF(二甲基甲酰胺)组成的混合溶液中，随后将反应瓶转移到40℃恒温的超临界反应釜中，分别以8MPa，10MPa，12MPa，14MPa，16MPa每个反应压力下的反应时间均为3h的超临界反应，反应后取出产物，用去离子水漂洗三次，然后60℃下干燥72h即可。

如图1所示，反应前后，宏观上颜色发生明显变化，黑色石墨烯的负载使其颜色加深，微观上，反应后的产品表面出现了大量石墨烯的片层，表明石墨烯已经成功负载于橡胶上。

图2说明产品的电阻与石墨烯的负载量有关，而电阻的变化正是其作为传感器的指示信号。

灵敏度与可延展性的结合使这种复合物可以作为理想的动态应变传感器材料。这种传感器材料具有良好的循环稳定性，可作为肌肉运动知觉的运动传感器，并能够用来探测与呼吸和脉搏有关的精细敏感运动。作为肌肉运动的传感器时，将其固定于所需检测的肌肉区域。肌肉运动所带来的应变会导致其电阻发生变化，作为肌肉运动的探测信号。类似的，作为呼吸传感器时，将其固定于胸腔处。呼吸所带来的应变会导致其电阻发生变化，可作为呼吸运动的探测信号。一个可穿戴的石墨烯-橡胶网状结构用来监测人体健康状况通过对人体功能如呼吸，心率和脉搏的连续记录。

这些特性的结合会使这些传感器具有一系列非常理想的应用，从汽车航天工业的震动检测到医疗器械工业中的肌肉运动人体传感。由于它们轻质的本性，高顺从性和潜在的可以形成纤维状，丝状的结构特性。可以把这种传感器能够编织进衣服里来检测运动员或康复过程中的病人的身体运动。

另外，它们也可以被用于早期的警示体系，对于婴儿猝死或是睡眠呼吸中止症的诊断。

Claims (4)

1.一种石墨烯-橡胶制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：

称取石墨粉， PVP溶于乙醇和去离子水组成的混合溶剂中；

步骤二：

将混合溶液密封超声后进行离心，取出上清液；

步骤三：

上一步骤中得到的上清液进行再次离心，将所得沉淀用乙醇洗一次后取出，烘干得到干燥的粉末即为石墨烯；

步骤四：

截取橡皮筋精确称量后，用一定量甲苯进行浸泡并超声；

步骤五：

超声结束后，将已经溶胀的橡皮筋转移到由石墨烯和DMF组成的混合溶液中，随后将反应瓶转移到40℃恒温的超临界反应釜中，分别以8 MPa，10 MPa，12MPa，14 MPa，16 MPa反应压力下超临界反应，反应后取出产物，用去离子水漂洗三次，然后干燥即可。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯-橡胶制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：

称取300mg石墨粉，200mgPVP溶于2ml乙醇和8ml去离子水组成的混合溶剂中；

步骤二：

将混合溶液在240W，T<25℃的条件下密封超声24h后，再在转速1500r/min进行离心45min，取出上清液；

步骤三：

上一步骤中得到的上清液在10000r/min的转速下进行再次离心15min，将所得沉淀用乙醇洗一次后取出，在60℃下烘干得到干燥的粉末即为石墨烯；

步骤四：

截取约4cm长，侧面直径约1.5mm的橡皮筋精确称量后，用一定量甲苯浸没橡皮筋即可，进行浸泡并在240W，T<25℃条件下超声3h；

步骤五：

超声结束后，将已经溶胀的橡皮筋转移到由10mg石墨烯和5mlDMF组成的混合溶液中，随后将反应瓶转移到40℃恒温的超临界反应釜中，分别以8 MPa，10 MPa，12MPa，14 MPa，16MPa每个反应压力下的反应时间均为3h的超临界反应，反应后取出产物，用去离子水漂洗三次，然后60℃下干燥72h即可。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯-橡胶制备方法制备的石墨烯-橡胶。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯-橡胶制备方法制备的石墨烯-橡胶在高应变的应变传感器中的应用。