[发明专利]一种基于石墨烯泡沫-离子凝胶的传感材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯泡沫‑离子凝胶的传感材料，包括如下按重量份数组成的各原料：氧化石墨烯1份、聚乙烯吡咯烷酮0.25‑1.25份、化学还原剂1‑4份、多元有机单体80‑120份、极性有机溶剂0‑250份、交联剂0.1‑0.5份、引发剂0.5‑2份、催化剂0.1‑0.5份、去离子水。本发明的目的是提供一种基于石墨烯泡沫‑离子凝胶的传感材料，具有较高的传感敏感性、较宽的工作范围、较低的传感及力学迟滞性、优异的高低温耐受性，采用冰模板及水热还原两步法制备成型，制备方法简单、成本低廉且便于大规模生产。本发明的另一个目的是提供一种基于石墨烯泡沫‑离子凝胶的传感材料的制备方法。

技术领域

本发明涉及传感材料技术领域，尤其是涉及一种基于石墨烯泡沫-离子凝胶的传感材料及其制备方法。

背景技术

近年来，离子凝胶材料因其优异的可拉伸性、回弹性、应变顺应性、电传导性，以及多功能响应性，被愈来愈多地应用于可穿戴设备、人工智能、人机交互系统、生物医药等各种领域。其独特的物理化学性质使得离子凝胶材料在交流电场作用下可与电极材料形成双电层电容，进而构建电容式柔性传感器。然而，其传感敏感性、应变传感范围、响应时间仍需进一步突破，此外，以水为溶剂的离子凝胶材料通常具有较低的环境耐受性，往往因溶剂蒸发及低温冷冻而丧失传感性能，无法满足实际要求。

石墨烯因其特殊的碳原子结构，具有优异的导电性和较高的电子迁移率，通常被开发应用到电子与光电器件、应变传感器件等领域。近年来，石墨烯多孔材料被应用于柔性传感材料的研究中，以提升传感材料传感敏感性。传统制备石墨烯多孔结构的方法主要有两种，包括：(1)采用化学气相沉积法将石墨烯沉积在镍泡沫模板上，并用氢氟酸蚀刻；(2)以聚氨酯、方糖等可去除材料为模板，再采用化学法还原。然而，传统方法具有制备过程复杂、成本较高、无法大规模生产等不足。此外，石墨烯泡沫通常存在亲水性较低的问题，加之其三维多孔结构，阻碍其和凝胶前驱体溶液的充分浸润，不利于凝胶在石墨烯三维多孔骨架中的聚合，限制其在传感材料中的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于石墨烯泡沫-离子凝胶的传感材料，具有较高的传感敏感性、较宽的工作范围、较低的传感及力学迟滞性、优异的高低温耐受性，采用冰模板及水热还原两步法制备成型，制备方法简单、成本低廉且便于大规模生产。本发明的另一个目的是提供一种基于石墨烯泡沫-离子凝胶的电容式柔性传感材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于石墨烯泡沫-离子凝胶的传感材料，包括如下按重量份数组成的各原料：氧化石墨烯1份、聚乙烯吡咯烷酮0.25-1.25份、化学还原剂1-4份、多元有机单体80-120份、极性有机溶剂0-250份、交联剂0.1-0.5份、引发剂0.5-2份、催化剂0.1-0.5份、去离子水。

优选的，所述极性有机溶剂为乙二醇、丙三醇中的任一种。

优选的，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，所述引发剂为过氧化二苯甲酰、过硫酸钾、过硫酸铵中的任一种，所述催化剂为N,N,N',N'-四甲基二乙胺。

优选的，所述化学还原剂为乙二胺、对苯二胺、尿素、抗坏血酸、甘氨酸中的任一种。

优选的，所述多元有机单体为丙烯酰胺类单体、丙烯酸钠酯类单体、丙烯酸钠类单体、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸类单体、二甲基二烯丙基氯化铵中的一种或几种。

上述的一种基于石墨烯泡沫-离子凝胶的传感材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将聚乙烯吡咯烷酮与氧化石墨烯溶解于去离子水中，在室温、480W超声功率条件下，超声分散10-15min，随后400-600rpm匀速磁力搅拌2h，将搅拌后的混合液注入3mm厚的聚四氟乙烯板型模具中，放入-20℃冰箱中冷冻处理1-4h，随后放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，得到氧化石墨烯泡沫；