[发明专利]一种具有压阻效应的石墨烯基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有压阻效应的石墨烯基复合材料，所述复合材料以硅橡胶作为基体和保护层，纳米纤维素为骨架，石墨烯为导电填料，所述纳米纤维素和石墨烯形成复合薄膜层，所述硅橡胶包覆在所述复合薄膜层外且充分填充所述复合薄膜层的孔隙中。本发明制得的石墨烯基复合材料柔韧性好、灵敏度高、重复性好，具有优异的压阻性能。

技术领域

本发明属于石墨烯基压阻传感器技术领域，具体涉及一种具有压阻效应的石墨烯基复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的二维纳米材料，具有优异的力学和电学性能。石墨烯纳米粉末可以作为导电填料与聚合物复合形成导电高分子复合材料，导电填料通过隧道效应或接触传导形成导电通路，当复合材料发生形变时，导致导电通路发生变化，从而引起复合材料电阻发生变化，且高分子聚合物柔韧性好、成本低、易于加工。石墨烯/聚合物压阻复合材料能够克服传统的金属和硅半导体脆性大，易损坏，成本高等缺点。随着电子器件向柔性化方向发展，具有柔性的传感器材料得到了广泛的关注，石墨烯/聚合物压阻复合材料是一种理想的应力应变传感器的替代材料。

影响压阻复合材料的因素主要为导电填料在聚合物中的分散程度以及导电填料与聚合物之间的界面结合程度。当导电填料在聚合物中均匀分散时，能够形成稳定的导电网络；

当填料与聚合物可以产生较强的界面结合时，聚合物上的应变可以及时的传递到填料上，从而引起导电填料的有效位移，进而引起导电网络的重构，表现出优异的压阻性能。对于传统的聚合物基压阻复合材料，主要问题在于以炭黑为代表的导电填料的压阻复合材料具有灵敏度低，高填充量，重复性不佳的问题。另外，近些年来将石墨烯作为导电填料的聚合物基复合材料表现出良好的压阻性能，然而石墨烯在聚合物基体中的分散仍是一个难点，通常的做法为将石墨烯分散于有机溶剂中，然后加入聚合物，混合后去除有机溶剂，固化得到石墨烯/聚合物复合材料。这种方法一方面石墨烯较难分散于有机溶剂中，另一方面有机溶剂大多污染环境。

纳米纤维素是一种来源广泛的天然纳米材料，具有轻质、可再生、可降解和相容性好等特性。由于纤维尺寸达到纳米级，纳米纤维素的结构、性状均发生了很大的变化，具有很多独特的性能，可用于改性增强纳米复合材料。纳米纤维素能够在溶剂中形成均匀稳定的悬浮液，以纳米纤维素为分散剂，搭载石墨烯从而形成均匀稳定的石墨烯/纳米纤维素悬浮液。纳米纤维素之间的相互交叉、搭接，使得石墨烯形成稳定的三维交联的多层次导电网络结构，同时纳米纤维素良好的相容性，使石墨烯/纳米纤维素与聚合物能产生良好的微观界面结合性，从而显著提高复合材料的电学性能。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供了一种具有压阻效应的石墨烯基复合材料，该复合材料柔韧性好、灵敏度高、重复性好，具有优异的压阻性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种具有压阻效应的石墨烯基复合材料，所述复合材料以硅橡胶作为基体和保护层，纳米纤维素为骨架，石墨烯为导电填料，所述纳米纤维素和石墨烯形成复合薄膜层，所述硅橡胶包覆在所述复合薄膜层外且充分填充所述复合薄膜层的孔隙中。

优选的，所述石墨烯与纳米纤维素的质量比为1:0.5～1:2。

优选的，所述石墨烯为单层、少层或多层石墨烯纳米粉末，片层直径为0.5～50μm，层数为1～10层。

优选的，所述纳米纤维素直径为5～13nm，长度为1～3μm。

优选的，所述复合薄膜的孔隙率为10％～30％。

优选的，所述复合材料的厚度为10～100μm。

本发明还提供了所述石墨烯基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石墨烯与纳米纤维素分别溶于水中，混合后搅拌、超声分散得到稳定的石墨烯/纳米纤维素悬浮液；