[发明专利]一种磺酸化石墨烯材料及其制备方法和温度感应开关

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料合成领域，尤其是一种磺酸化石墨烯材料及其制备方法与应用。

背景技术

石墨烯是一种碳原子之间呈六角环形排列的二维片状体，2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等人首次发现。石墨烯材料具有良好的光热性质、高比表面积(2600m²/g)，而且廉价易得。

温度感应开关是当前市场上最为常用的电路开关控制系统之一，它以温度变化作为控制信号，当温度升高或下降至设定阀值时，感温元件发生形态或性质变化，从而触发开关，接通或切断电路。温度开关以其体积小、灵敏高、寿命长等特点广泛应用于家用电器、电机及电气设备等各个领域。

感温元件是温度开关最为核心的部件，现有温度开关感应元件的制材一般为热敏材料，主要有合金和陶瓷两种。合金材料温度感应开关利用合金易熔的等特性，在高温度条件下熔化，而降电路断开，这种开关不仅成本高，而且往往只能一次性使用。陶瓷材料温度感应开关则利用陶瓷材料的热伸缩性去触发开关，成本低，而且能够反复使用。例如专利200310110050.7公开了一种热伸缩开关材料及其制备方法，该开关使用陶瓷材料作为感温元件，当温度升高时，陶瓷材料受热伸长，触动开关，从而控制电路打开或闭合，这种开关材料便宜，性质稳定，但必须在200～300℃的高温条件下才能工作，无法满足日常普通环境的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种磺酸化石墨烯材料及其制备方法，所述磺酸化石墨烯材料可用于制备温度感应开关的热敏材料，并且能够在低于120℃的温度下工作，所述制备方法工艺条件简单，适于工业化生产。本发明还提供了由所述磺酸化石墨烯材料作为感温元件的温度感应开关。

第一方面，本发明提供了一种磺酸化石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯溶于水中，搅拌均匀制成0.006～1mol/L的氧化石墨烯悬浮液；

(2)往氧化石墨烯悬浮液中依次加入磺胺酸、亚硝酸钠、稀盐酸，在0～5℃环境下充分搅拌3～8小时，移除低温环境后继续搅拌至溶液温度回升至20～30℃；

(3)加入水合肼，并将溶液加热至80～120℃，反应15～30小时，反应结束后进行清洗和过滤，得到磺酸化石墨烯材料。

优选地，步骤(1)所述的水为去离子水。

优选地，步骤(1)所述的氧化石墨烯悬浮液浓度为0.01～0.1mol/L。

更优选地，步骤(1)所述的氧化石墨烯悬浮液浓度为0.01mol/L。

优选地，步骤(2)所述的石墨烯悬浮液、磺胺酸、亚硝酸钠、稀盐酸四者的质量比例为1000∶1～3∶0.5～1∶5～7。

优选地，步骤(3)所述的溶液加热至100℃，反应24小时。

优选地，所述制备方法还包括将过滤得到的磺酸化石墨烯材料进行干燥，从而更有利于其保存。

本发明以廉价易得的氧化石墨烯为原料，通过化学作用将磺酸基官能团附着到石墨烯的表面，进一步提高了石墨烯的热敏性，原料成本低，工艺简单，适合大规模的工厂化生产。

第二方面，本发明提供了一种磺酸化石墨烯材料，所述磺酸化石墨烯材料通过上述制备方法制得。

通过本发明制得的磺酸化石墨烯材料，质地均匀，热稳定性好。

第三方面，本发明提供了一种温度感应开关，包括开关基体与感温元件，所述开关基体包括外壳，固定在外壳内部且相互分离的一号铜板与二号铜板，固定在一号铜板上且与二号铜板形成弹性接触的铜片，分别连接一号铜板和二号铜板的电源线；

所述感温元件固定在所述外壳内部，所述感温元件受热伸长可推动所述铜片与所述二号铜板接触；所述感温元件是由上述磺酸化石墨烯材料按5～20∶1的比例加入明胶，混合后风干最后压制而成的。

优选地，所述感温元件是由上述磺酸化石墨烯材料按10～15∶1的比例加入明胶，混合后风干最后压制而成的。

本发明在磺酸化石墨烯材料中加入明胶制成石墨烯感温元件，将其装配到开关基体上，制作温度感应开关，当环境温度瞬间上升时，石墨烯感温元件受热伸长并推动所述铜片与所述二号铜板接触，使得电路接通，而当环境温度回归正常时，石墨烯感温元件逐渐缩短，松开所述铜片并使其与二号铜板分离，电路因此断开，结构简单，灵敏度高。从制得的石墨烯感温元件来看，在-30～120℃条件下，0.05℃的温度变化就能引起石墨烯感温元件的形态变化。

本发明提供的一种磺酸化石墨烯材料及其制备方法与应用，具有以下有益效果：