具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法，该制备方法包括对制备的聚合物纳米纤维通过表面生长磁性镍金属颗粒，然后与还原氧化石墨烯溶液混合并继续通过超声波分散技术得到均匀分散的混合液，后经定向冷冻处理和冷冻干燥处理得到磁性石墨烯基气凝胶。金属镍的引入在提高该磁性石墨烯基气凝胶导电性的同时还赋予了其良好的磁场响应效果，实现了对磁场变化的快速响应和监测，同时由于其内部的三维框架结构保证了其同样具备良好的压力传感效应。因此，该石墨烯基气凝胶具备对磁场和压力的同时传感功能，在智能可穿戴设备、电磁屏蔽和吸波降噪等领域具有广阔的应用前景。

Magnetic graphene based aerogel material with magnetic field and pressure and sensing effect and preparation method thereof

The invention discloses a magnetic graphene based aerogel material with magnetic field and pressure and its sensing effect, and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: preparing the polymer nano fiber through the surface growth of magnetic nickel metal particles, then mixing with the reduced graphene oxide solution, and continuing to obtain uniformly dispersed mixture through ultrasonic dispersion technology, and then after directional freezing treatment. The magnetic graphene based aerogels were obtained by freeze-drying. The introduction of metallic nickel enhances the conductivity of the magnetic graphene based aerogels, and gives good response to magnetic field. It realizes rapid response and monitoring of magnetic field changes, and its internal three-dimensional frame structure ensures that it has good pressure sense effect as well. Therefore, the graphene based aerogel has the simultaneous sensing function of magnetic field and pressure, and has broad application prospects in intelligent wearable devices, electromagnetic shielding, and wave absorption and noise reduction.

【技术实现步骤摘要】
具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法
本专利技术涉及石墨烯基气凝胶材料，属于新材料
，具体地涉及一种具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法。
技术介绍
石墨烯作为材料界的新宠，它的各种形态在各领域都被认为有潜在的应用价值。通过冰模板法制备得到的的纯石墨烯基气凝胶具有极低的密度、极大的孔隙率和极高的比表面积。但是因为其极其疏松的结构和在冷冻干燥冰晶升华过程中导致的大量氢键受到破坏，导致石墨烯片层间缺乏足够的交联与结合力。因而在受压或者变形时，石墨烯片层间在较强的π-π堆叠作用、范德华力的双重作用下将发生严重的堆叠而无法恢复其原有的结构，最终导致三维结构的坍塌。结构的脆弱极大的限制了石墨烯基气凝胶材料的实际应用。虽然石墨烯具备诸多优良性能，但由于目前制备工艺技术的限制，导致石墨烯基气凝胶材料结构、性能较为单一，应用范围狭窄。因此多功能化复合的石墨烯基气凝胶材料成为当前的研究趋势与研究热点。中国专利技术专利申请(申请公布号：CN106057471A，申请公开日：2016-10-26)公开了一种三维石墨烯基气凝胶负载二硫化钼纳米片杂化材料的制备方法及其应用。该专利技术提供了一种在三维石墨烯基气凝胶骨架上生长纳米片层晶相二硫化钼的制备方法。制备出的气凝胶将二硫化钼的高催化性与石墨烯的高比表面积与优异导电性相结合，将杂化材料应用到染料电池并组成电池组以获得高效光电转化效率。中国专利技术专利申请(申请公布号：CN104474980A，申请公开日：2016-08-24)公开了一种超分子杂合石墨烯基气凝胶及其制备方法和应用。该方法制备的水凝胶通过二茂铁-氨基酸凝胶因子与氧化石墨烯进行非共价键组装得到，再将超分子杂合水凝胶通过原位合成法得到包含Fe3O4/氮掺杂的石墨烯基气凝胶。该专利技术制备的石墨烯基气凝胶对氧化还原反应的电催化效果显著，其还具有良好的电学性能。但是该专利技术的部分实验条件要求较高，并且采用的试剂为单一试剂，其适用面较窄，难以工业化批量生产。目前多功能化石墨烯基气凝胶材料的研究主要集中在其优良的导电性及吸附性能方面，在其磁性能领域方面的研究较少，并且其独特的三维网络结构无法得到有效应用。主要原因在于难以在引入功能化因子的基础上同时达到对结构的调控，从而得到多功能化、结构有序的石墨烯基气凝胶。同时现有技术在对石墨烯基气凝胶进行功能化处理时会对其本身结构产生一定程度的影响或破坏，导致其性能下降，难以做到多方面兼顾，这极大的制约了石墨烯基气凝胶材料的发展。磁性石墨烯基气凝胶同时具备优良的磁性、导电性及独特的三维空间结构。因为三维空间结构的改变能够导致石墨烯基气凝胶电学性能发生显著变化，这种特性使得石墨烯基气凝胶能够作为一种压力传感材料得到广泛应用。而磁性石墨烯基气凝胶因为内部磁性因子的存在，当受到外部磁场作用时同样能够引起其内部三维空间结构的变化而引起电学性能的改变。而磁场传感器本质上是将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置，因此磁性的石墨烯基气凝胶能够同时作为压力传感材料和磁场传感材料得到有效应用。磁场传感器已经成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件，在众多领域中对磁场传感器的需求也是日益增加。目前在磁场传感领域，最为便利的检测方式主要是利用磁电阻磁强计进行磁场的探测，这其中包括各向异性磁阻传感器(Anisotropicmagnetoresistance(AMR)sensor)、巨磁阻传感器(Giantmagnetoresistance(GMR)sensor、磁隧道结构传感器(Magnetictunneljunction(MTJ)sensor)等。这些磁场传感器的主要传感原理是利用某些材料在外加磁场下引起的电阻变化，并通过惠斯通电桥结构对信号进一步的放大处理，同时通过算法建立起材料电阻变化与外加磁场大小之间的对应关系，从而量化外部磁场强度，实现对磁场的检测和传感性能。目前传统的磁场传感器存在其电阻值变化程度较小的问题，导致其磁场检测量程较小，同时在弱磁场检测方面无法做到快速响应与高灵敏度。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料及其制备方法，该制备方法在赋予石墨烯基气凝胶材料良好的电磁性能同时，对其内部结构也实现有效调控，最终制得具备磁场和压力同传感效果的功能化石墨烯基气凝胶材料。为实现上述目的，本专利技术公开了一种具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料的制备方法，它包括如下步骤：1)制备还原氧化石墨烯水溶液：取改进的Hummers法制得的氧化石墨烯水溶液进行乙二胺还原；2)制备磁性聚合物纳米纤维分散液：取聚合物纳米纤维分散液经镍盐敏化处理、硼氢化钠活化处理后置于金属镍浴中震荡反应，得表面包覆有金属镍颗粒的磁性聚合物纳米纤维，于醇系溶剂中超声分散得到均匀分散的磁性聚合物纳米纤维分散液；3)制备磁性石墨烯基气凝胶：取步骤1)的还原氧化石墨烯水溶液，步骤2)的磁性聚合物纳米纤维分散液及PVA水溶液超声处理后得到均匀分散的混合溶液，对混合溶液依次进行定向冷冻处理、冷冻干燥处理后得到磁性石墨烯基气凝胶，将制备得到的磁性石墨烯基气凝胶转移至密闭条件下的水合肼气氛中进行气相还原处理，制得具备磁场和压力同传感效果的石墨烯基气凝胶。进一步地，步骤2)中的镍盐为乙酸镍、硫酸镍、硝酸镍或氯化镍中的一种。具体的，取聚合物纳米纤维分散液并向其中加入镍盐水溶液，搅拌溶解分散30～60min，即可实现对聚合物纳米纤维的敏化。优选的，聚合物纳米纤维的材质为PVA-co-PE(乙烯乙烯醇共聚物)、POE(聚烯烃弹性体)、PA6(尼龙6)、PA66(尼龙66)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或PPT(聚对苯二甲酸丙二醇酯)中至少一种。优选的，聚合物纳米纤维为经熔融共混及挤出造粒技术制得，以PVA-co-PE为例具体制备过程如下：取热塑性PVA-co-PE母粒与乙酸丁酸纤维素(CAB)粉末按照一定质量比混合后，喂入双螺杆挤出机的料斗，喂料速度为10g/min。PVA-co-PE与CAB在双螺杆强制输送以及混合的作用下，通过温度逐级递增的加热区域变为熔融状态(其中螺杆转速为80r/min，加热区的五个区域温度分别是110、130、180、200、210℃)，最后熔融状态的混合纤维在220℃的机头挤出，挤出物牵伸倍数为25。将混合纤维绕柱成柱状然后置于索氏提取器的提取管中，80℃条件加热气化丙酮，连续回流96小时萃取混合纤维中的CAB成分，得到PVA-co-PE纳米纤维原丝；将PVA-co-PE纳米纤维悬浮液放置于醇水体系中，经搅拌器强力剪切作用制得均匀分散的乳白色纳米纤维分散液。优选的，聚合物纳米纤维分散液为其醇系溶液。优选的，镍盐水溶液质量分数为0.5％～10％。具体的，配置一定浓度的硼氢化钠水溶液并于搅拌状态下缓慢滴加至敏化液中，持续搅拌15～30min。优选的，硼氢化钠水溶液质量分数为0.05％～2％。进一步地，步骤2)中的金属镍浴为取硫酸镍、氯化铵、柠檬酸钾、次亚磷酸钠溶解于去离子水中，并调节pH至8.5的溶液。进一步地，所述金属镍浴中硫酸镍浓度为10～30g/L，氯化铵浓度为10～50g/L，柠檬酸钾浓度为5～20g/L，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料的制备方法，它包括如下步骤：1)制备还原氧化石墨烯水溶液：取改进的Hummers法制得的氧化石墨烯水溶液进行乙二胺还原；2)制备磁性聚合物纳米纤维分散液：取聚合物纳米纤维分散液经镍盐敏化处理、硼氢化钠活化处理后置于金属镍浴中震荡反应，得到表面包覆有金属镍颗粒的磁性聚合物纳米纤维，于醇系溶剂中超声分散得到均匀分散的磁性聚合物纳米纤维分散液；3)制备磁性石墨烯基气凝胶：取步骤1)的还原氧化石墨烯水溶液，步骤2)的磁性聚合物纳米纤维分散液及PVA水溶液经搅拌超声处理后得到均匀分散的混合溶液，对混合溶液依次进行定向冷冻处理、冷冻干燥处理后得到磁性石墨烯基气凝胶，将制备得到的石墨烯基气凝胶转移至密闭条件下的水合肼气氛中进行气相还原处理，制得具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料的制备方法，它包括如下步骤：1)制备还原氧化石墨烯水溶液：取改进的Hummers法制得的氧化石墨烯水溶液进行乙二胺还原；2)制备磁性聚合物纳米纤维分散液：取聚合物纳米纤维分散液经镍盐敏化处理、硼氢化钠活化处理后置于金属镍浴中震荡反应，得到表面包覆有金属镍颗粒的磁性聚合物纳米纤维，于醇系溶剂中超声分散得到均匀分散的磁性聚合物纳米纤维分散液；3)制备磁性石墨烯基气凝胶：取步骤1)的还原氧化石墨烯水溶液，步骤2)的磁性聚合物纳米纤维分散液及PVA水溶液经搅拌超声处理后得到均匀分散的混合溶液，对混合溶液依次进行定向冷冻处理、冷冻干燥处理后得到磁性石墨烯基气凝胶，将制备得到的石墨烯基气凝胶转移至密闭条件下的水合肼气氛中进行气相还原处理，制得具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶。2.根据权利要求1所述具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中的镍盐为乙酸镍、硫酸镍、硝酸镍或氯化镍中的一种。3.根据权利要求1所述具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中的金属镍浴为取硫酸镍、氯化铵、柠檬酸钾、次亚磷酸钠溶解于去离子水中，并调节pH至8.5得到的混合盐溶液。4.根据权利要求3所述具备磁场和压力同传感效果的磁性石墨烯基气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘琼珍，王栋，贺晓伟，陈佳慧，孙灯明，刘轲，王雯雯，李沐芳，王跃丹，鲁振坦，蒋海青，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42