一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。石墨烯气凝胶浆料的制备方法包括：向氧化石墨烯溶液中滴加AA溶液，80℃下进行还原反应，至溶液由棕黄色变为灰黑色，洗涤，得到还原氧化石墨烯悬浮液；向还原氧化石墨烯悬浮液中加入卡波姆，混匀，其中m(水):m(卡波姆)＝100：1，滴加20mg/mL的NaOH调节浆料粘度至，得到石墨烯气凝胶浆料。该石墨烯气凝胶浆料可以制备石墨烯传感器，该石墨烯传感器制备的仿生电子皮肤具有较高的灵敏度和较宽的检测范围。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种石墨烯气凝胶及传感器的制备方法，属于石墨烯材料制备

技术介绍
石墨烯材料(包括石墨烯气凝胶/泡沫/海绵)一直以来备受关注，因为它们具有丰富的三维(3D)多孔宏观结构，大的比表面积，低质量密度，出色的导电性和柔韧性等独特特性。此外，3D石墨烯(3DG)材料出色的物理和化学性能可以满足不同应用的要求。众所周知，高度可压缩的3DG材料是压阻式压力传感器应用的有前途的材料。通过在材料的两端添加电极，可以轻松地从3DG材料组装成压力传感器。基于此，业界已经进行了各种尝试来制备高质量的3DG材料，制备方法也有很多，包括化学气相沉积(CVD)，浸涂模板海绵和3D打印等，但是，通过CVD法和浸涂模板海绵法制备的3DG材料在蚀刻掉模板后内部结构很容易被破坏，造成塌陷，并且在制备过程中不易控制其几何形状，密度和孔隙率。相比之下，3D打印在结构设计方面显示出明显的优势，即高的自由度。已报道的用于制备3DG材料的几种3D打印方法，包括异辛烷等支持的打印，冷沉辅助打印以及在空气环境中直接打印。在空气环境中直接打印也称为直接墨水书写，它是最理想的3D打印方法，但对墨水的流变特性有严格的要求。现有研究通常将石墨烯溶液浓缩或混合大量的纳米粘土等物质以增加粘度，进而改变油墨的流变性。基于这些情况制备的3DG材料的密度调节受到很大限制，特别是对于超低密度石墨烯气凝胶的制备。因此，亟需在直接墨水书写技术的基础上开发出更好的方案，以制备不同密度尤其是超低密度的3DG材料。>皮肤是人体的第一道物理防线，也是人体最大的感受器官。因此，皮肤的基本功能包括缓冲能量和感受外部的机械刺激。作为人体第一道物理防线的皮肤结构内充满了胶原纤维、弹性纤维和脂肪颗粒，它们相互作用形成弹性网络，具有良好的弹性以缓冲外部冲击力，对人体起到物理性保护的作用。作为人体最大的感受器官的皮肤结构内分布着许多感受器。触觉感受器(包括自由神经末梢和触觉小体)位于皮肤结构上层的皮肤中，可以感觉到较弱的机械刺激。压力感受器(圆环小体)，位于皮肤结构下层的皮下组织中，可以感知更大的作用力。这些感受器将外部刺激转换为生物信号并将其传递到大脑，从而影响机体运作。作为人体的感觉器官，皮肤的压力感知范围主要集中在低压(1-10kPa)和中压(10-100kPa)区域。但是，在实际生活中，还有微压(1Pa-1kPa)和高压区域(>100kPa)。微压区域内存在许多弱相互作用和小物体所产生的压力。对此范围内的细微压力的敏感响应对于超敏感电子皮肤的发展至关重要，它代表着具有比人类皮肤更好的传感特性。高压区域也很常见，但人体会习惯性的躲避它，因为它通常具有破坏性，并考验着人体的承受能力。受人类皮肤的启发，各种类型的类皮肤的传感器应运而生。但是，这些传感器的感测范围通常相对较窄(<90kPa)，无法涵盖人体皮肤的完整感测区域，灵敏度更是无法兼顾。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种具有高灵敏度和宽检测范围的电子皮肤。本专利技术的另一目的在于提供一种可以制备具有高灵敏度和宽检测范围的电子皮肤的石墨烯传感器。本专利技术的再一目的在于提供一种可以制备上述石墨烯传感器的石墨烯气凝胶浆料。为了实现上述任一目的，本专利技术首先提供了一种石墨烯气凝胶浆料的制备方法，该制备方法包括：向氧化石墨烯溶液中滴加AA(L-Ascorbicacid)溶液，60℃-80℃下进行还原反应，至溶液由棕黄色变为灰黑色，洗涤，得到还原氧化石墨烯悬浮液；在还原氧化石墨烯悬浮液中加入卡波姆，混匀，还原氧化石墨烯悬浮液中的m(水):m(卡波姆)＝90-120：1(优选100：1)，滴加10mg/mL-20mg/mL的NaOH调节浆料粘度至流变性质符合打印要求(可以实现自支撑)，得到石墨烯气凝胶浆料。本专利技术又提供了一种石墨烯气凝胶浆料，该石墨烯气凝胶浆料是通过本专利技术的上述石墨烯气凝胶浆料的制备方法制备得到的。本专利技术还提供了一种石墨烯传感器，该石墨烯传感器是通过本专利技术的上述石墨烯气凝胶浆料通过直接墨水书写技术制备得到的。本专利技术又提供了上述石墨烯传感器的制备方法，其中，该制备方法包括：将上述石墨烯气凝胶浆料转移到3cc的专用针筒中，震荡并脱气；将装有打印浆料的针筒连接针筒适配器，再将适配器另一端连接气压控制器，然后选用适当大小的针头后将针筒固定到机械臂的固定横杆上；调整并测试气压控制器的气压，实现浆料顺利从针头挤出，然后计算机控制3D打印机按程序设计打印得到设计好的三维结构；将打印好的结构冷冻干燥45小时-50小时(优选48小时)，然后转移到管式炉中在氢氩混合气氛围下进行热处理，制得石墨烯气凝胶；在10g乙酸乙酯中，加入1g的聚二甲基硅氧烷原液和0.1g的引发剂，超声混合5分钟，再将石墨烯气凝胶放入混合溶液中浸泡30min，然后取出组装电极，并放于烘箱内直至PDMS完全固化，得到所述石墨烯传感器。在本专利技术的一具体实施方式中，热处理：以2℃/min-5℃/min的升温速率升温至300℃-380℃(优选350℃)，保温处理25min-35min(优选30min)，然后自然降至室温。本专利技术还提供了一种仿生电子皮肤，该电子皮肤是由两种不同密度的本专利技术的上述石墨烯传感器制备得到的。本专利技术提供了一种仿生电子皮肤，其中，该电子皮肤中采用的石墨烯传感器的密度分别为2mg/cm3-4mg/cm3(优选3mg/cm3)和20mg/cm3-28mg/cm3(优选25mg/cm3)。本专利技术还提供了上述仿生电子皮肤的制备方法，其中，该制备方法包括：将密度为2mg/cm3-4mg/cm3和20mg/cm3-28mg/cm3的石墨烯传感器一步堆叠成型；上层为密度为2mg/cm3-4mg/cm3的石墨烯传感器，下层为密度为20mg/cm3-28mg/cm3的石墨烯传感器；在PDMS溶液中浸泡25min-35min，取出，以铜箔为上下电极，组装成三明治结构并放于烘箱内直至PDMS完全固化，然后在上下电极接上导线，得到仿生电子皮肤。在本专利技术的一具体实施方式中，通过墨水直写技术一步堆叠成型，上层为低密度下层为高密度，将叠层石墨烯气凝胶放入PDMS溶液中浸泡30min，取出，以铜箔为上下电极，组装成三明治结构并放于烘箱内直至PDMS完全固化，然后在上下电极接上导线，后期可通过中间电路的信息转化完成信息输出，即完成覆盖人体完整压力感知跨度的仿生电子皮肤的制备。本专利技术的该仿生电子皮肤具有高灵敏度和较宽检测范围，可以用于智能机器人，仿生假肢，便携式医疗设备中。附图说明图1为实施例1的3mg/mL和25mg/mL的Pr-Go浆料的黏度-剪切速率及剪切损耗模量曲线。图2为实施例1的3mg/mL和25mg/mL的石墨烯传感器的压阻性能曲线。图3为实施例1的叠层石墨烯电子皮肤的机电性能，其中，图片(a)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯气凝胶浆料的制备方法，该制备方法包括：/n向氧化石墨烯溶液中滴加AA溶液，60℃-80℃下进行还原反应，至溶液由棕黄色变为灰黑色，洗涤，得到还原氧化石墨烯悬浮液；/n向所述还原氧化石墨烯悬浮液中加入卡波姆，混匀，其中还原氧化石墨烯悬浮液中的m(水):m(卡波姆)＝90-120：1，滴加10mg/mL-20mg/mL的NaOH，得到所述石墨烯气凝胶浆料。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯气凝胶浆料的制备方法，该制备方法包括：
向氧化石墨烯溶液中滴加AA溶液，60℃-80℃下进行还原反应，至溶液由棕黄色变为灰黑色，洗涤，得到还原氧化石墨烯悬浮液；
向所述还原氧化石墨烯悬浮液中加入卡波姆，混匀，其中还原氧化石墨烯悬浮液中的m(水):m(卡波姆)＝90-120：1，滴加10mg/mL-20mg/mL的NaOH，得到所述石墨烯气凝胶浆料。


2.一种石墨烯气凝胶浆料，该石墨烯气凝胶浆料是通过权利要求1所述的石墨烯气凝胶浆料的制备方法制备得到的。


3.一种石墨烯传感器，该石墨烯传感器是通过权利要求2的石墨烯气凝胶浆料通过直接墨水书写法制备得到的。


4.权利要求3所述的石墨烯传感器的制备方法，其中，该制备方法包括：
将权利要求2所述的石墨烯气凝胶浆料转移到3cc的专用针筒中，震荡并脱气；
将装有打印浆料的针筒连接针筒适配器，再将适配器另一端连接气压控制器，选用适当大小的针头后将针筒固定到机械臂的固定横杆上；
调整并测试气压控制器的气压，实现浆料顺利从针头挤出，打印得到设计好的三维结构；
将打印好的结构冷冻干燥45小时-50小时，然后转移到管式炉中在氢氩混合气氛围下进行热处理，制得石墨烯气凝胶；
在10g乙酸乙酯中，加入1g的聚二甲基硅氧烷原液和0.1g的引发剂，超声混合5分钟，将石墨烯气凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：江林，曹坤丽，梁志强，孙迎辉，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32