一种超柔导电硅气凝胶及其制备方法和在传感器中的应用技术

本发明专利技术公开了一种超柔导电硅气凝胶及其制备方法和在传感器中的应用。该超柔导电硅气凝胶包括超柔硅气凝胶和负载在超柔硅气凝胶中的热电材料；热电材料为3，4

【技术实现步骤摘要】
一种超柔导电硅气凝胶及其制备方法和在传感器中的应用


[0001]本专利技术属于多孔材料以及传感器
，特别涉及一种超柔导电硅气凝胶及其制备方法和在传感器中的应用。

技术介绍

[0002]压力、温度、湿度是生产和生活中常需要进行测量或者进行动态监测的物理量。随着人工智能技术的发展，多参数传感器作为智能元件的重要组成部分，受到越来越多学者的关注。目前对多参数传感器的研究主要集中在传感器阵列、集成传感器以及无线多参数传感器网络。对多功能材料应用在传感器方面的研究主要集中在电化学传感器以及生物传感器，并且对物理参数感应传感器研究受限在单一参数中，所以实现同一传感器的多参数传感仍然是一个挑战。而气凝胶作为一种特殊的固体材料，由三维纳米结构网络组成，具有超低密度、高比表面积等优点，是新型的多孔纳米材料，这种充满气体的支架结构密度较低，孔隙度超过95％。由气凝胶具有大多数固体材料所不具备的独特性能，因此气凝胶在航空、航空航天、国防军事、石化工业、节能建筑、尖端科学等诸多领域具有广泛的应用和潜在的应用。然而，现阶段气凝胶在各领域的应用主要依赖于其高孔隙率、疏水性、低导热系数等特性。石墨烯气凝胶具有一定的导电性能，但是制备成本较高。相对于石墨烯气凝胶，硅气凝胶的制备成本较低，但是受制于现有制备工艺的限制，目前硅气凝胶尚未获得导电功能，亦未见硅气凝胶在电传导方面应用的相关报道，并且二氧化硅气凝胶本身的脆弱性没有从根本上解决，柔性硅气凝胶的制备仍然是一个难题。因而现有的传感器技术尚未很好的满足现实需求。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对现有传感器技术的不足，提供了一种超柔导电硅气凝胶及其制备方法和在传感器中的应用，该超柔导电硅气凝胶，机械性能良好，柔性优异，可压缩范围大，并具有导电特性，用于传感器中，具有探测下限低、灵敏度高、可实现同一传感器的自供电多参数传感的特性，应用前景广泛。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]提供一种超柔导电硅气凝胶，包括超柔硅气凝胶和负载在所述超柔硅气凝胶中的热电材料；其中热电材料为3，4
‑
(亚乙二氧噻吩)
‑
聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)。
[0006]按上述方案，所述超柔硅气凝胶以含有乙烯基的硅烷作为硅源，与共轭双烯发生双烯合成反应，并通过一步溶胶
‑
凝胶法制备得到。
[0007]优选地，含有乙烯基的硅烷为乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)或乙烯基甲基二甲氧硅烷(VMDMS)中的至少一种。
[0008]优选地，共轭双烯为异戊二烯或者山梨酸钾。
[0009]按上述方案，热电材料为3，4
‑
(亚乙二氧噻吩)
‑
聚(苯乙烯磺酸)热电材料，为混合电子离子导体，同时具有电子Seebeck效应以及离子Seebeck效应。
[0010]按上述方案，所述超柔导电硅气凝胶，通过一步溶胶
‑
凝胶法、利用乙烯基硅烷作为硅源，与共轭双烯发生双烯合成反应，并负载热电材料，常压干燥制备得到。
[0011]按上述方案，所述超柔导电硅气凝胶具有导电性、可压缩性和多孔网络结构。
[0012]按上述方案，所述超柔导电硅气凝胶的孔隙率在50
‑
90％范围内；热稳定性高达350℃。
[0013]按上述方案，所述超柔导电硅气凝胶在加载至原尺寸90％的压缩应变后能完全回复或者部分回复。
[0014]按上述方案，所述气凝胶可为任意形状。优选的，可为球体、立方体、圆柱体、多边柱体；不规则的几何体；任意形状的薄片、薄膜或者纤维等。
[0015]提供上述超柔导电硅气凝胶的制备方法，通过一步溶胶
‑
凝胶法、利用乙烯基硅烷作为硅源，与共轭双烯发生双烯合成反应，并负载热电材料，干燥后得到的超柔导电硅气凝胶。
[0016]按上述方案，所述制备方法有三种方式：
[0017]方式一：以VTMS、VMDMS、尿素和表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)为原料，混合在醋酸溶液中，通过溶胶
‑
凝胶法得到凝胶后，浸泡在异戊二烯溶液中，以氯化锌作催化剂，浸泡结束后常压干燥得到超柔硅气凝胶；再将超柔性硅气凝胶浸泡在PEDOT:PSS溶液中，取出干燥即可超柔导电硅气凝胶；
[0018]方式二：以VTMS、VMDMS、山梨酸钾、尿素和表面活性剂CTAC为原料，混合在醋酸溶液中，通过溶胶
‑
凝胶法得到超柔硅气凝胶；再将超柔硅气凝胶浸泡在PEDOT:PSS溶液中，取出干燥即可得到超柔导电硅气凝胶；
[0019]方式三：以VTMS、VMDMS、山梨酸钾、尿素和表面活性剂CTAC为原料，混合在PEDOT:PSS溶液中，通过溶胶
‑
凝胶法制备得到超柔导电硅气凝胶。
[0020]优选地，方式一具体包括以下步骤：
[0021]1)将VTMS、VMDMS、尿素和表面活性剂CTAC混合在醋酸溶液中，室温搅拌下酸性条件下硅烷发生水解，得到透明溶胶；
[0022]2)将步骤1)得到的透明溶胶在60
‑
80℃下进行凝胶化，以促进尿素水解成氨，形成碱性条件，碱性条件有利于凝胶结构中硅氧烷网络的形成。
[0023]3)将步骤2)所得凝胶利用异丙醇、正己烷清洗去除表面活性剂以及其他未反应的化学试剂并在常压进行干燥，然后浸泡在异戊二烯溶液中，加入氯化锌作催化剂，浸泡结束后常压干燥得到超柔硅气凝胶；
[0024]4)将步骤3)制备所得超柔硅气凝胶；浸渍在3，4
‑
(亚乙二氧噻吩)
‑
聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)溶液中，PEDOT:PSS溶液充分与超柔硅气凝胶接触，使得PEDOT:PSS溶液均匀灌注在超柔硅气凝胶中，常压干燥后得到超柔导电硅气凝胶。
[0025]更优选地，所述步骤1)中，VTMS、VMDMS、尿素和表面活性剂CTAC摩尔比为1:0.5～2：3～6：0.1～1。
[0026]更优选地，所述步骤1)中，醋酸溶液浓度为5～30mmol/L。
[0027]更优选地，所述步骤1)中，室温搅拌水解时间为30～60min。
[0028]更优选地，所述步骤2)中，凝胶时间为24～48h。
[0029]更优选地，所述步骤3)中，催化剂氯化锌的添加量为5
‑
10％的催化量，即氯化锌占
异戊二烯的摩尔百分比。
[0030]更优选地，所述步骤3)中，浸泡时间为24～48h。
[0031]更优选地，所述步骤4)中，40℃～60℃常压干燥20～30min。
[0032]优选地，方式二具体包括以下步骤：
[0033]1)将VTMS、VMDMS、山梨酸钾、尿素和表面活性剂CTAC混合在醋酸溶液中，室温搅拌下酸催化水解烷氧硅烷，得透明溶胶；
[0034]2)将步骤1)得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超柔导电硅气凝胶，其特征在于，包括超柔硅气凝胶和负载在所述超柔硅气凝胶中的热电材料；其中热电材料为PEDOT:PSS。2.根据权利要求1所述的超柔导电硅气凝胶，其特征在于，所述超柔硅气凝胶以含有乙烯基的硅烷作为硅源，与共轭双烯发生双烯合成反应，并通过一步溶胶
‑
凝胶法制备得到。3.根据权利要求2所述的超柔导电硅气凝胶，其特征在于，含有乙烯基的硅烷为乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基甲基二甲氧硅烷中的至少一种。4.根据权利要求2所述的超柔导电硅气凝胶，其特征在于，共轭双烯为异戊二烯或山梨酸钾。5.一种权利要求1
‑
4任一项所述的超柔导电硅气凝胶的制备方法，其特征在于，通过一步溶胶
‑
凝胶法，利用乙烯基硅烷作为硅源，与共轭双烯发生双烯合成反应，并负载热电材料，得到超柔导电硅气凝胶。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，包括三种方式：方式一：以乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基甲基二甲氧硅烷、尿素和表面活性剂CTAC为原料，混合在醋酸溶液中，通过溶胶
‑
凝胶法得到凝胶后，浸泡在异戊二烯溶液中，以氯化锌作催化剂，浸泡结束后常压干燥得到超柔硅气凝胶；再将超柔硅气凝胶浸泡在PEDOT:PSS溶液中，取出干燥即可得到超柔导电硅气凝胶；方式二：以乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基甲基二甲氧硅烷、山梨酸钾、尿素和表面活性剂CTAC为原料，混合在醋酸溶液中，通过溶胶
‑
凝胶法得到超柔硅气凝胶；再将超柔硅气凝胶浸泡在PEDOT:PSS溶液中，取出干燥即可得到超柔导电硅气凝胶；方式三：以乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基甲基二甲氧硅烷、山梨酸钾、尿素和表面活性剂CTAC为原料，混合在PEDOT:PSS溶液中，通过溶胶
‑
凝胶法制备得到超柔导电硅气凝胶。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，方式一中，乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基甲基二甲氧硅烷、尿素和表面活性剂CTAC摩尔比为1:0.5～2：3～6：0.1～1；催化剂氯化锌的添加量为5
‑
10％的催化量；方式二中，乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基甲基二甲氧硅烷、山梨酸钾、尿素和表面活性剂CTAC摩尔比为1:0.5～2：1*10
‑3～0.1：3～6：0.1～1；...

【专利技术属性】
技术研发人员：何松，杜春花，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：