一种基于明胶制备氧化石墨烯的方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种基于明胶制备氧化石墨烯的方法与应用，属于氧化石墨烯技术领域。解决了现有技术中制备氧化石墨烯的方法存在不安全因素、工艺流程复杂、成本高等技术问题。本发明专利技术的制备方法，先将明胶用溶剂溶解，过滤除去杂质，得到明胶溶液；然后将明胶溶液内的溶剂挥发，得到固定形态的明胶基质；再将固定形态的明胶基质在惰性气体氛围保护下进行高温碳化处理，冷却至室温，得到氧化石墨烯。该制备方法以生物质为前驱体制备氧化石墨烯，原材料资源丰富、廉价易得、无污染且可再生，同时，该方法工艺安全可控、流程简单、易于操作。

Preparation and application of graphene oxide based on gelatin

【技术实现步骤摘要】
一种基于明胶制备氧化石墨烯的方法与应用
本专利技术属于氧化石墨烯
，具体涉及一种基于明胶制备氧化石墨烯的方法与应用。
技术介绍
石墨烯是一种二维碳纳米材料，具有优异的力学性能、电学性能、热学性能和光学性能，在透明导电薄膜、场发射晶体管、柔性电子器件、传感器和超级电容器等方面具有广阔的应用前景。氧化石墨烯作为石墨烯的衍生物与其有着相似的结构，由于其结构中存在含氧基团，使得氧化石墨烯具有较强的反应活性、良好的亲水性，在改善材料的力学、电学以及热学性能上有着较为突出的效果。现有技术中，制备氧化石墨烯的方法主要有Hummers法、改进的Hummers法、Brodie法、Staudenmaier法等。这些方法通常是以石墨或石墨烯作为制备原料，其中Brodie和Staudenmaier两种方法虽然氧化程度高，但反应过程中使用的氧化剂KClO3、发烟HNO3存在不安全因素，同时会产生ClO2、NO2、N2O4等有害气体；Hummers法和改进的Hummers法存在工艺流程复杂，试剂用量大而导致成本高的问题。因此，开发一种反应条件温和、工艺流程简单的氧化石墨烯的制备方法非常具有实际价值。明胶是由动物皮肤、骨、肌腱等结缔组织中的胶原部分降解的产物，是一种无脂肪的高蛋白。明胶具有良好的生物降解性、生物相容性与组织相容性，资源广泛，价格低廉。以生物质为前驱体制备碳材料因其资源丰富、廉价易得、无污染且可再生等优点引起人们的广泛关注。迄今为止，已有将明胶作为前驱体在惰性气氛中碳化、活化来制备活性炭的报道(J.Mater.Chem.，2012年，22卷，19088页)。专利技术内容有鉴于此，为解决现有技术中制备氧化石墨烯的方法存在不安全因素、工艺流程复杂、成本高等技术问题，本专利技术提供一种基于明胶制备氧化石墨烯的方法与应用。本专利技术解决上述技术问题采取的技术方案如下。本专利技术提供一种基于明胶制备氧化石墨烯的方法，步骤如下：步骤一、将明胶用溶剂溶解，过滤除去杂质，得到明胶溶液，将明胶溶液内的溶剂挥发，得到固定形态的明胶基质；步骤二、将步骤一得到的固定形态的明胶基质在惰性气体氛围保护下进行高温碳化处理，冷却至室温，得到氧化石墨烯；所述高温碳化处理的最高处理温度为200-1000℃。优选的，所述步骤一中，将明胶溶液内的溶剂挥发，得到固定形态的明胶基质的方法为喷涂、棒涂、旋涂、静电纺丝、模具定型或丝网印刷。优选的，所述步骤一中，固定形态为薄膜状、立方体块状或圆柱体状。优选的，所述步骤一中，明胶为食用明胶、药用明胶、照相明胶、工业明胶中的一种或几种的混合。优选的，所述步骤一中，溶剂为水、丙三醇、甲酸或乙酸中的一种或几种的混合。优选的，所述步骤一中，溶剂溶解的条件为加热、搅拌、超声中的一种或几种的混合。优选的，所述步骤二中，惰性气氛为高纯氮气、高纯氩气中的一种或几种的混合。优选的，所述步骤二中，高温碳化处理逐级升温，分阶段加热恒温。优选的，所述步骤二中，高温碳化处理的升温速率为1-10℃/min。优选的，所述步骤二中，高温碳化处理的处理时间为2-8h。本专利技术还提供上述基于明胶制备氧化石墨烯的方法制备的氧化石墨烯。本专利技术还提供上述氧化石墨烯在制备柔性可穿戴压力传感器中的应用，步骤如下：步骤一、将明胶用溶剂溶解，过滤除去杂质，得到明胶溶液，采用静电纺丝将明胶溶液沉积到铜箔表面，挥发溶剂，得到薄膜状明胶基质；步骤二、将步骤一得到的薄膜状明胶基质在惰性气体氛围保护下进行高温碳化处理，冷却至室温，得到氧化石墨烯-铜箔复合薄膜；步骤三、将聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚二甲基硅氧烷固化剂混合均匀，得到的混合溶液涂覆到步骤二得到的氧化石墨烯-铜箔复合薄膜的氧化石墨烯的表面，然后在恒温箱中进行加热固化处理，得到聚二甲基硅氧烷-氧化石墨烯-铜箔复合薄膜；步骤四、将步骤三得到的聚二甲基硅氧烷-氧化石墨烯-铜箔复合薄膜置于过硫酸盐溶液中浸泡除去铜箔，取出后用去离子水清洗，得到氧化石墨烯-聚二甲基硅氧烷复合薄膜；步骤五、将两片氧化石墨烯-聚二甲基硅氧烷复合薄膜的氧化石墨烯面相对贴合，将两根铜导线的一端分别与两片氧化石墨烯-聚二甲基硅氧烷复合薄膜的氧化石墨烯面固定连接，得到柔性可穿戴压力传感器。优选的，所述步骤一中，静电纺丝的电压为10-50KV，明胶纺丝液在铜箔表面随机排布，所得薄膜状明胶基质的厚度为100-1000nm。优选的，所述步骤三中，聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂的体积比为(1-10):1。优选的，所述步骤三中，涂覆的混合溶液的厚度为1-10mm。优选的，所述步骤三中，加热固化处理的温度为60-150℃，处理时间为1-4h。优选的，所述步骤四中，过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的一种或几种的混合，过硫酸盐溶液的浓度为40-80wt％，浸泡时间为4-10h。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术提供的基于明胶制备氧化石墨烯的方法，将明胶基质直接进行高温碳化处理即可得到氧化石墨烯，与现有制备氧化石墨烯的方法相比，本专利技术的方法以生物质为前驱体制备氧化石墨烯，原材料资源丰富、廉价易得、无污染且可再生，同时，该方法工艺安全可控、流程简单、易于操作。2、本专利技术利用明胶的可纺性，采用静电纺丝技术得到的薄膜状明胶基质，薄膜状明胶基质经过高温碳化处理可以得到氧化石墨烯薄膜，该方法成本低，绿色环保，对环境友好且来源广泛，可以实现大规模生产制备，制备的薄膜状明胶基质厚度均匀可控，具有较高的机械强度和抗拉伸性能，拉伸断裂应力可以达到35MPa，进而制备的氧化石墨烯薄膜比表面积高、厚度均匀可控，具有优异的柔性、导电性和生物相容性，导电率可以达到5.4S/m。3、本专利技术制备所得的氧化石墨烯薄膜可用于构筑柔性可穿戴器件，如同时兼具柔性、高导电性及高灵敏性的压阻式触觉传感器，柔性可穿戴压力传感器可以用于发声的识别、脉搏的监测以及心尖搏动图的测量，结构设计简单、成本低、灵敏度高、性能稳定，有望实现商品化。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本专利技术的氧化石墨烯的制备原理示意图。图2为本专利技术的柔性可穿戴压力传感器的制备流程示意图。图3中，(A)为实施例5的薄膜状明胶基质的SEM图，(B)为实施例5的薄膜状明胶基质(3cm×2.5cm×1mm)提拉600mL瓶装水的照片。图4中，(A)为实施例5的氧化石墨烯薄膜的拉曼光谱图，(B)为实施例5的氧化石墨烯薄膜的TEM图。图5中，(A)为实施例5的氧化石墨烯-PDMS复合薄膜的SEM截面图，(B)为实施例5的氧化石墨烯薄膜的电导率与碳化温度的关系图。图6为实施例5的柔性可穿戴压力传感器分别用于监测(A)喉咙发声(B)心脏的心尖搏动的人体生理信号的变化。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合具体实施方式对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。本专利技术的基于明胶制备氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：步骤一、明胶基质的准备将明胶用溶剂溶解，过滤除去杂质，得到明胶溶液，将明胶溶液的溶剂挥发掉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于明胶制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、将明胶用溶剂溶解，过滤除去杂质，得到明胶溶液，将明胶溶液内的溶剂挥发，得到固定形态的明胶基质；步骤二、将步骤一得到的固定形态的明胶基质在惰性气体氛围保护下进行高温碳化处理，冷却至室温，得到氧化石墨烯；所述高温碳化处理的最高处理温度为200‑1000℃。

【技术特征摘要】
1.基于明胶制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、将明胶用溶剂溶解，过滤除去杂质，得到明胶溶液，将明胶溶液内的溶剂挥发，得到固定形态的明胶基质；步骤二、将步骤一得到的固定形态的明胶基质在惰性气体氛围保护下进行高温碳化处理，冷却至室温，得到氧化石墨烯；所述高温碳化处理的最高处理温度为200-1000℃。2.根据权利要求1所述的基于明胶制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤一中，将明胶溶液内的溶剂挥发，得到固定形态的明胶基质的方法为喷涂、棒涂、旋涂、静电纺丝、模具定型或丝网印刷。3.根据权利要求1所述的基于明胶制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤一中，固定形态为薄膜状、立方体块状或圆柱体状。4.根据权利要求1所述的基于明胶制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤一中，明胶为食用明胶、药用明胶、照相明胶、工业明胶中的一种或几种的混合；溶剂为水、丙三醇、甲酸或乙酸中的一种或几种的混合；溶剂溶解的条件为加热、搅拌、超声中的一种或几种的混合。5.根据权利要求1所述的基于明胶制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤二中，惰性气氛为高纯氮气、高纯氩气中的一种或几种的混合；高温碳化处理的过程中逐级升温，且分阶段加热恒温；高温碳化处理的升温速率为1-10℃/min；高温碳化处理的处理时间为2-8h。6.权利要求1-5任何一项所述的基于明胶制备氧化石墨烯的方法制备的氧化石墨烯。7.权利要求6所述的氧化石墨烯在制备柔性可穿戴压力传感器中的应用，其特征在于，步骤如下：步骤一、将明胶用溶剂溶解，过滤除去杂质，得到明胶溶液，采用静电纺丝将明胶溶液沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：由爱梅，张强，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22