[发明专利]一种三维石墨烯/碳纳米管弹性体及其在柔性压阻式传感器中的应用

说明书

本发明公开了一种三维石墨烯/碳纳米管弹性体，其特征在于该弹性体通过以下方法制备得到：将碳纳米管分散到碱金属氢氧化物溶液中超声得到碳纳米管悬浮液；将氧化石墨烯悬浮液和碳纳米管悬浮液混合搅拌1 h～3 h使其均匀，然后将所得混合液于170℃～190℃反应10 h～12 h；反应结束后，自然冷却至室温，得到石墨烯/碳纳米管水凝胶；将水凝胶冷冻干燥48 h～72 h后在氮气保护下于800℃～850℃下煅烧10 min～30 min，自然冷却。本发明还公开了三维石墨烯/碳纳米管弹性体在柔性压阻式传感器中的应用。本发明所述三维石墨烯/碳纳米管弹性体兼具优异力学和导电性能，由该类弹性体所组装的柔性压阻式传感器具有非常高的灵敏度。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种三维石墨烯/碳纳米管弹性体及其在柔性压阻式传感器中的应用。

背景技术

近年来，柔性压阻式传感器已被广泛用于人工肌肉、电子皮肤、可穿戴设备和医疗诊断等领域。其中，三维石墨烯是一种新型的常用于制备柔性压阻式传感器的基础材料。为了提高柔性压阻式传感器的灵敏度，设计和制备一种兼具高弹性、高导电性的低密度三维石墨烯至关重要。

然而，所报道的基于氧化石墨烯的低密度三维石墨烯具有较差的导电性和力学性能，致使所组装的柔性压阻式传感器的灵敏度不高。这是由于三维石墨烯的力学性能和电导率与其密度具有很强的相关性，即低密度三维石墨烯以其稀疏导电通道和孔状结构而难以获得优良的导电性能和力学性能。

为了提高低密度三维氧化石墨烯的导电性，包括化学还原和热还原在内的许多方法被用于还原氧化石墨烯。例如2012年浙江大学高超教授课题组以氢碘酸水溶液为还原剂，通过化学/热还原过程制备了还原氧化石墨烯三维多孔圆柱体（Z. Xu, Y. Zhang, P.Li, C. Gao, ACS Nano 2012, 6, 7103.），还原后的三维石墨烯的导电性得到了一定程度的提高。另外，该课题组还采用冷冻干燥法，以碳纳米管为导电性能和力学性能的增强物质，制备了导电率为0.6 S/m低密度石墨烯/碳纳米管三维材料（H. Sun, Z. Xu, C. Gao,Adv. Mater. 2013, 25, 2554.）。然而，由于在利用浓硫酸和浓硝酸混合液对碳纳米管进行预处理的过程中，在其表面上造成了严重的结构缺陷并引入了大量的含氧官能团，严重制约了碳纳米管作为导电性能和力学性能增强材料的强化效果。

由此可见，现存方法和技术存在着无法同时提高低密度三维石墨的导电性能和力学性能以获得高敏感度柔性压阻式传感器的关键技术问题。

发明内容

针对三维石墨烯存在的上述性能缺陷，本发明提供了一种三维石墨烯/碳纳米管弹性体及其柔性压阻式传感器中的应用，以此解决现有技术无法同时提高低密度三维石墨的导电性能和力学性能以制备高敏感度柔性压阻式传感器的技术难题。

一种三维石墨烯/碳纳米管弹性体，其特征在于该弹性体通过以下方法制备得到：

将碳纳米管分散到碱金属氢氧化物溶液中超声得到碳纳米管悬浮液；将氧化石墨烯悬浮液和碳纳米管悬浮液混合搅拌1 h～3 h使其均匀，然后将所得混合液于170℃～190℃反应10 h～12 h；反应结束后，自然冷却至室温，得到石墨烯/碳纳米管水凝胶；将水凝胶冷冻干燥48 h～72 h后在氮气保护下于800℃～850℃下煅烧10 min～30 min，自然冷却后得到三维石墨烯/碳纳米管弹性体。

所述碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。

所述碱金属氢氧化物溶液为氢氧化钾或氢氧化钠溶液，浓度为0.1mol/L～1.0mol/L。

所述碳纳米管悬浮液的浓度为0.1mg/mL～1.0 mg/mL。

所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.5mg/mL～7 mg/mL。