一種石墨烯-pdms柔性電極及其制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及柔性電極材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種石墨烯-PDMS柔性電極及其制備方法和用途。
技術(shù)背景
[0002]隨著具有柔性和可拉伸特性的新型壓阻材料的研究深入，其在人工皮膚，可穿著電子器件，航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的壓阻傳感器研究主要關(guān)注于無機半導(dǎo)體材料(Si)和金屬材料(Cu)，但是此類材料多具有脆性大，高模量，加工困難，制備成本高等問題，更重要的是其無法滿足當今對于電子器件易彎曲，可拉伸，質(zhì)輕，高敏感度的需求。為了解決這些問題，基于炭黑硅橡膠導(dǎo)電復(fù)合材料得以開發(fā)。但是此類材料的主要問題是壓阻敏感度較低，均一化電阻(R/R0)的范圍往往較小。同樣，以炭黑為填料的壓阻復(fù)合材料往往需要較高的填料填充量才能達到理想的導(dǎo)電率，然而較高的填料添加量會導(dǎo)致復(fù)合材料模量顯著增加后聚合物自身優(yōu)異的回彈性，低模量等優(yōu)異特性大大喪失等問題。隨著碳納米管的發(fā)現(xiàn)，基于碳納米管的壓阻復(fù)合材料展現(xiàn)出了極大的壓阻敏感度(I至100)以及正壓阻效應(yīng)(材料電阻隨壓力增加而增加)。如此優(yōu)異的壓阻敏感特性主要得益于碳納米管自身極大的長徑比，這有利于其在較低添加量的情況下在聚合物基體內(nèi)部搭建成較為完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。盡管如此，根據(jù)目前報道的碳納米管/硅橡膠體系的文獻，碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料體系在壓阻測試，尤其是動態(tài)壓阻測試中依然無法在保證較高的壓阻敏感度下實現(xiàn)理想的動態(tài)壓阻重復(fù)性，較小滯后以及理想的耐久特性。
[0003]近幾年石墨烯作為一個新型的二維納米材料引起了物理，化學，生物領(lǐng)域多方面的研究興趣。隨著氧化石墨法制備石墨烯工藝的成熟，以廉價石墨為原料的氧化石墨得以宏量制備。本發(fā)明公開了上述石墨烯-PDMS柔性電極的一種制備方法，具體步驟如下:先將石墨烯(G)制成氧化石墨(G0),再用十八胺(ODA)對氧化石墨進行表面改性,制成表面改性石墨烯(G-0DA)，表面改性石墨烯(G-ODA)和PDMS經(jīng)特定工藝處理混合后最終合成所述石墨烯-PDMS柔性電極。
[0004]綜上所述，石墨烯/聚合物復(fù)合材料具備作為一種新型的壓阻材料的潛力。當前對與導(dǎo)電壓阻復(fù)合材料壓阻特性中的壓阻敏感度，壓阻重復(fù)性以及耐久性等研究僅僅處于起步階段。本發(fā)明中所述的石墨烯-PDMS柔性電極在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域、可穿戴設(shè)備領(lǐng)域等未來重要科技領(lǐng)域?qū)⒂写笠?guī)模應(yīng)用前景，具備極好的經(jīng)濟效益前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種石墨烯一 PDMS柔性電極的制備方法是:
1)將石墨烯制成氧化石墨烯；
2)用十八胺對氧化石墨烯進行表面改性，制成表面改性石墨烯；
3)用表面改性石墨烯和PDMS合成表面改性石墨烯/硅橡膠復(fù)合材料；
4)表面改性石墨烯/硅橡膠復(fù)合材料最終合成所述石墨烯-PDMS柔性電極。
[0006]所述步驟I)為:
A)將過篩處理的天然石墨粉、五氧化二磷、硫代硫酸鉀，以6:5:5的質(zhì)量比，在80°〇濃硫酸中加熱攪拌5小時，進行預(yù)氧化；每克天然石墨粉使用的濃硫酸量為4mL;
B)將得到的預(yù)氧化產(chǎn)物用去離子水稀釋并靜置一夜，將靜置后的上層清液去除后，對所得產(chǎn)物進行抽濾清洗至PH值為7，并烘干；
C)把烘干之后的預(yù)氧化產(chǎn)物加入到濃硫酸中，濃硫酸使用量為步驟A)中濃硫酸用量的10倍，并在其中緩慢加入高錳酸鉀進行氧化，高錳酸鉀與五氧化二磷的質(zhì)量比為3:1，直到氧化完全，5小時后加入去離子水稀釋；
將質(zhì)量百分比濃度為30%的過氧化氫水溶液加入到步驟C得到的溶液中，得到金黃色石墨氧化物，將其靜置一夜后用稀鹽酸溶液抽濾清洗溶液中的雜質(zhì)，得到沉淀物；
D)將得到的沉淀物稀釋后放入透析袋中透析至PH值為7，得到氧化石墨的水溶液，得到的氧化石墨的水溶液在80V下烘干，得到深棕色的氧化石墨烯。
[0007]所述步驟2)為:
將氧化石墨烯分散在水中，得到2.5 mg/mL的分散液，并用氨水將PH值調(diào)節(jié)至8，通過超聲處理得到分散均勻的棕褐色氧化石墨烯分散液；
將濃度為5.0 mg/mL的ODA乙醇溶液加入到氧化石墨烯分散液中，二者體積比保持1:2，并在90°C下加熱回流反應(yīng)20小時，將水合肼加入到加熱回流后的混合液中，水合肼與混合液的體積比為500:1，并繼續(xù)在90 °C下加熱反應(yīng)4h，反應(yīng)結(jié)束后，通過流動相過濾器用60°C熱乙醇對產(chǎn)物進行清洗。清洗后將得到的產(chǎn)物放入70°C的真空干燥箱中保存24小時后得到表面改性石墨烯。
[0008]所述步驟3)為:
將表面改性石墨烯分散在二甲苯溶劑中，室溫下超聲分散2小時后得到穩(wěn)定分散液，將硅橡膠溶解在二甲苯中制成質(zhì)量百分比20%的分散液，并與G-ODA分散液混合在室溫下攪拌30分鐘，將混合液轉(zhuǎn)移到熱臺上以80°C進行磁力攪拌揮發(fā)溶劑，并將所得產(chǎn)物放入80°C真空干燥箱進一步進行干燥，得到復(fù)合物，最后，將固化劑正硅酸乙酯及催化劑二月桂酸二丁錫加入干燥后的復(fù)合物中攪拌均勻，然后將其在室溫下壓片成型，得到表面改性石墨烯/硅橡膠復(fù)合材料，所述正硅酸乙酯、二月桂酸二丁錫與干燥后的復(fù)合物的質(zhì)量比為1:1:2。
[0009]所述步驟4)為:
將氧化石墨烯以濃度為lmg/mL分散在DMF中，并在室溫下超聲120分鐘，得到分散均勻的氧化石墨烯/DMF分散液，同時，將熱塑性聚氨酯分散到DMF中制成質(zhì)量分數(shù)為3%的分散液，并在60°C下磁力攪拌至燒杯中熱塑性聚氨酯顆粒消失，即形成均勻熱塑性聚氨酯/ DMF分散液，將通過上述步驟得到的兩種分散液均勻混合，再進行超聲分散30分鐘，得到氧化石墨烯/熱塑性聚氨酯/DMF均勻的三相分散液，將此分散液傾倒入表面皿中，并放入鼓風烘箱中加熱80°C下5小時使溶劑DMF揮發(fā)，為了完全蒸干溶劑，最后將其轉(zhuǎn)入80°C真空干燥箱12小時，進一步去除殘留DMF溶劑，即得到分散均勻的氧化石墨烯/熱塑性聚氨酯復(fù)合材料，將得到的氧化石墨烯/熱塑性聚氨酯復(fù)合材料在200°C下放入烘箱中加熱120分鐘，復(fù)合材料由深棕色變成灰黑色，然后將其從表面皿上取下，得到薄膜狀樣品，為了對其進行導(dǎo)電率測試，將薄膜狀樣品剪成帶狀碎片，在200°C下對其熱壓成型，制備成直徑為11.2 mm厚度為5.5 _圓片狀樣品。
[0010]所述方法制備的石墨烯-PDMS柔性電極由石墨烯和PDMS經(jīng)過權(quán)利要求1所述方法制備，PDMS與石墨烯形成聚合物，二者具備良好的導(dǎo)電性和柔性。
[0011]所述的石墨烯-PDMS柔性電極在制作柔性電子產(chǎn)品或可穿戴式電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。本發(fā)明的石墨烯-PDMS柔性電極兼顧了導(dǎo)電性和柔性的性能，考慮了人體舒適度，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和柔性。
【附圖說明】
[0012]圖1為石墨烯-PDMS柔性電極的微觀模型圖；
圖2是利用石墨粉(G)制備氧化石墨(GO)的流程圖；
圖3是利用氧化石墨(GO)制備表面改性石墨烯(G-ODA)的流程圖；
圖4是利用表面改性石墨烯(G-ODA)/硅橡膠(PDMS)復(fù)合材料制備石墨烯-PDMS柔性電極的流程圖；
圖5為實施例1制備的石墨烯-PDMS柔性電極的實物圖；
圖6為實施例1制備的石墨烯-PDMS柔性電極隨石墨烯比率不同導(dǎo)電率變化，和同Ag-PDMS導(dǎo)電率變化比較曲線圖。
【具體實施方式】
[0013]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更