一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶及其制备方法。本发明专利技术方法基于构建纤维增强复合以及采用碳纳米管增加传感灵敏性的思路，将石墨烯、海藻酸钠以及碳纳米管混合形成气凝胶后，在H4N2·H2O蒸汽气氛中进行还原反应，制备得到所述用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶。本发明专利技术的气凝胶具有高机械耐久性、良好弹性、结构连续性以及高灵敏度，通过控制氧化石墨烯、海藻酸钠以及碳纳米管配比的比例，控制了气凝胶的孔结构的规则度，形成了较为规则的网络，从而调控了气凝胶的机械性能，以及电阻变化响应性能；同时通过水合肼蒸汽的充分还原，使制备的气凝胶具有疏水性能。

A composite elastic aerogel of graphene / sodium alginate / carbon nanotube and its preparation method for strain sensor

The present invention discloses a kind of graphene / sodium alginate / carbon nanotube composite elastic aerogel for strain sensor and a preparation method. The method is based on the construction of fiber reinforced composite with carbon nanotubes and increase the sensitivity of sensing ideas, Shi Moxi, sodium alginate and carbon nanotube hybrid aerogels formed after the reduction reaction of H4N2 - H2O in steam atmosphere, prepared for the graphene / strain sensor of sodium alginate / carbon nanotube composite elastic aerogels. Gas gel of the invention has high mechanical durability, good elasticity, structural continuity and high sensitivity, by controlling the graphene oxide, sodium alginate and the ratio of the proportion of carbon nanotubes, the pore structure control of the aerogel rules, forming a more regular network, so as to control the mechanical properties of aerogels, and resistance in response to changes in performance; at the same time through the full steam hydrazine reduction, the preparation of aerogels with hydrophobic properties.

【技术实现步骤摘要】
一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶及其制备方法
本专利技术属于应变传感器材料领域，具体涉及一种石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶及其制备方法。
技术介绍
高弹性应变传感器由于其在结构健康检测、电子皮肤、可伸缩的太阳能电池以及压力分布分析等方面的应用，已经成为了人们研究的一个热点。迄今为止，弹性应变传感器一般通过使用炭黑、碳纳米管、石墨烯、纳米线、纳米颗粒以及它们的复合纳米结构组织来制造。如GongShu，SchwalbWillem等人通过将超薄金纳米线浸渍的薄纸夹在两个薄的聚二甲基硅氧烷片之间，构建出高灵敏度，灵活的压力传感器（GongS,SchwalbW,WangY,etal.Awearableandhighlysensitivepressuresensorwithultrathingoldnanowires[J].NatureCommunications,2014,5(2):3132.）。DarrenJ.Lipomi等人报告了一种透明的，导电的单层碳纳米管的喷涂膜，可以通过沿着每个轴施加应变来拉伸，然后释放该应变。该方法在纳米管中产生类似弹簧的结构，其容纳高达150％的应变（VosgueritchianM,LipomiDJ,BaoZ.HighlyConductiveandTransparentPEDOT:PSSFilmswithaFluorosurfactantforStretchableandFlexibleTransparentElectrodes[J].AdvancedFunctionalMaterials,2012,22(2):421-428.）。具有超低密度和快速恢复变形率的多孔石墨烯气凝胶材料是制造具有优良电子传导性能和机械性能的应变传感器的首选材料之一。然而由于石墨烯的π-π键特性以及范德华力的作用，石墨烯片层总是趋向于形成不可逆的团聚体，这导致了大多数石墨烯气凝胶易破裂的机械性能。例如：在进行压缩测试时，气凝胶往往会发生结构的坊塌或严重的不可逆形变。造成这一现象的原因可能是由于在诱导组装过程中，石墨稀片层之间严重堆叠造成的。尽管目前已研究的气凝胶表现出所需的一定的导电性，有的也有一定的机械稳定性能，然后两者紧密联系，同时兼顾，则较为不易。还有一些关键问题仍有待解决。例如，这些报告的制备过程通常很复杂，电阻不稳定，循环变形如压缩，弯曲，拉伸或变化扭转大大限制了混合气凝胶的实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶。该气凝胶具有高机械耐久性、具有良好疏水性、良好弹性、结构连续性以及高灵敏度，在应变传感器材料中具有广阔的应用前景。本专利技术的目的还在于提供所述的一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶的制备方法。该方法基于构建纤维增强复合以及采用米管增加传感灵敏性的思路，将石墨烯、海藻酸钠以及碳纳米管混合形成气凝胶后，在H4N2·H2O蒸汽气氛中进行还原反应，制备得到所述用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶。本专利技术制备方法基于构建纤维增强复合以及采用碳纳米管复合增加机械稳定和传感灵敏性的思路，以氧化石墨烯片层作为复合气凝胶的骨架基体；碳纳米管起着支撑作用，构建孔结构；海藻酸钠则用来加固增强，提高了气凝胶结构的稳定性；三者共同作用实现复合气凝胶良好弹性和应变感应性能。本专利技术的目的通过如下技术方案实现。一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶的制备方法，包括如下步骤：（1）将海藻酸钠溶液、氧化石墨烯溶液以及碳纳米管悬浮液混合后，搅拌均匀，冷冻干燥，得到复合气凝胶；（2）将得到的复合气凝胶置于H4N2·H2O蒸汽气氛中进行还原反应，反应结束后静置通风，得到所述用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶。进一步地，步骤（1）中，所述海藻酸钠（SA）溶液、氧化石墨烯（GO）溶液以及碳纳米管（CNTs）悬浮液的浓度均为1～10mg/L。配制氧化石墨烯溶液为：将氧化石墨烯置于去离子水中，再调节氧化石墨烯水溶液的浓度为1～10mg/L，并再通过超声0.5～3h分散均匀；采用的氧化石墨烯采用普遍的改进的Hummers法制备得到。配制海藻酸钠溶液以及碳纳米管悬浮液为：分别将海藻酸钠与碳纳米管溶解与去离子水中分散均匀得到。进一步地，步骤（1）中，所述氧化石墨烯溶液、海藻酸钠溶液以及碳纳米管悬浮液的混合量按质量比：氧化石墨烯：海藻酸钠：碳纳米管=20：10～1：1～10。进一步地，步骤（1）中，所述搅拌是在100～200rpm的转速下搅拌1～4h。进一步地，步骤（1）中，所述冷冻干燥是在-40℃～-70℃冷冻干燥48～72h。进一步地，步骤（2）中，所述还原反应是在50～100℃反应5～24h，采用水合肼（H4N2·H2O）蒸汽进行还原，将使制备的气凝胶具有疏水性能；同时，通过水合肼还原过程，使制备方法简单实用、效果卓越，具有良好的可操作性和低成本特点。进一步地，步骤（2）中，所述静置通风的时间为5～24h；通过静置通风，可将多余的水合肼（H4N2·H2O）蒸汽消除。由上述任一项所述的制备方法制得的一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：（1）本专利技术的复合气凝胶具有高机械耐久性、良好弹性、结构连续性以及高灵敏度，在50%应变下承受的最大应力达到8400pa，且复合气凝胶的压缩性能均相对纯rGO气凝胶得到了大大改善，在应变传感器材料中具有广阔的应用前景；（2）本专利技术的气凝胶具有对压缩变形的高敏感性，且电阻变化较为灵敏，在压缩释放循环试验中，ΔR/R0值与应变的关系大致呈线性变化趋势，压缩过程中，ΔR/R0值随着应变的变化而增大（最大值达到了58%），而在卸载后电阻几乎恢复到原始值，且该同步线性关系呈现出周期性，显示出优异的应变感应性能；（3）本专利技术制备过程中通过控制氧化石墨烯、海藻酸钠以及碳纳米管配比的比例，控制了气凝胶的孔结构的规则度，形成了较为规则的网络，从而调控了气凝胶的机械性能，以及电阻变化响应性能；（4）本专利技术制备方法通过水合肼蒸汽的充分还原，使制备的气凝胶具有疏水性能，能够防潮，具有高耐用性和稳定性，静态水接触角最大为132°，且随着碳管含量的增加，接触角逐渐增加；（5）本专利技术制备工艺流程简单、成本低，而且由于没有多级化学反应，具有可再生产性。附图说明图1为本专利技术复合气凝胶rGO/SA/CNTs的制备流程及复合气凝胶的结构示意图；图2为具体实施例中复合气凝胶的水合肼还原反应的装置示意图；图3a为纯rGO气凝胶的SEM图；图3b为实施例1制备的复合气凝胶rGO/SA/CNTs-1的SEM图；图3c为实施例2制备的复合气凝胶rGO/SA/CNTs-2的SEM图；图3d为实施例3制备的复合气凝胶rGO/SA/CNTs-3的SEM图；图3e为实施例4制备的复合气凝胶rGO/SA/CNTs-4的SEM图；图3f为实施例3制备的复合气凝胶rGO/SA/CNTs-3的高倍SEM图；图4a为纯rGO气凝胶的接触角测试图；图4b为实施例1制备的复合气凝胶rGO/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将海藻酸钠溶液、氧化石墨烯溶液以及碳纳米管悬浮液混合后，搅拌均匀，冷冻干燥，得到复合气凝胶；（2）将得到的复合气凝胶置于H4N2·H2O蒸汽气氛中进行还原反应，反应结束后静置通风，得到所述用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将海藻酸钠溶液、氧化石墨烯溶液以及碳纳米管悬浮液混合后，搅拌均匀，冷冻干燥，得到复合气凝胶；（2）将得到的复合气凝胶置于H4N2·H2O蒸汽气氛中进行还原反应，反应结束后静置通风，得到所述用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述海藻酸钠溶液、氧化石墨烯溶液以及碳纳米管悬浮液的浓度均为1～10mg/L。3.根据权利要求1所述的一种用于应变传感器的石墨烯/海藻酸钠/碳纳米管复合弹性气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述氧化石墨烯溶液、海藻酸钠溶液以及碳纳米管悬浮液的混合量按质量比：氧化石墨烯：海藻酸钠：碳纳米管=20：10～1：...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟明锋，吴文刚，张志杰，张腾飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44