[發明專利]一種具有壓阻效應的石墨烯基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201910347772.5
• 申請日: 2019-04-28
• 公開（公告）號: CN110054797B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 衛軍;吳志強;董榮珍;孫鼎浩;祝學真
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C08L83/04
• 分類號: C08L83/04;C08L1/04;C08K3/04;C08J5/18;C08J7/04
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 顏勇

本發明公開了一種具有壓阻效應的石墨烯基復合材料，所述復合材料以硅橡膠作為基體和保護層，納米纖維素為骨架，石墨烯為導電填料，所述納米纖維素和石墨烯形成復合薄膜層，所述硅橡膠包覆在所述復合薄膜層外且充分填充所述復合薄膜層的孔隙中。本發明制得的石墨烯基復合材料柔韌性好、靈敏度高、重復性好，具有優異的壓阻性能。

技術領域

本發明屬于石墨烯基壓阻傳感器技術領域，具體涉及一種具有壓阻效應的石墨烯基復合材料及其制備方法。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的二維納米材料，具有優異的力學和電學性能。石墨烯納米粉末可以作為導電填料與聚合物復合形成導電高分子復合材料，導電填料通過隧道效應或接觸傳導形成導電通路，當復合材料發生形變時，導致導電通路發生變化，從而引起復合材料電阻發生變化，且高分子聚合物柔韌性好、成本低、易于加工。石墨烯/聚合物壓阻復合材料能夠克服傳統的金屬和硅半導體脆性大，易損壞，成本高等缺點。隨著電子器件向柔性化方向發展，具有柔性的傳感器材料得到了廣泛的關注，石墨烯/聚合物壓阻復合材料是一種理想的應力應變傳感器的替代材料。

影響壓阻復合材料的因素主要為導電填料在聚合物中的分散程度以及導電填料與聚合物之間的界面結合程度。當導電填料在聚合物中均勻分散時，能夠形成穩定的導電網絡；

當填料與聚合物可以產生較強的界面結合時，聚合物上的應變可以及時的傳遞到填料上，從而引起導電填料的有效位移，進而引起導電網絡的重構，表現出優異的壓阻性能。對于傳統的聚合物基壓阻復合材料，主要問題在于以炭黑為代表的導電填料的壓阻復合材料具有靈敏度低，高填充量，重復性不佳的問題。另外，近些年來將石墨烯作為導電填料的聚合物基復合材料表現出良好的壓阻性能，然而石墨烯在聚合物基體中的分散仍是一個難點，通常的做法為將石墨烯分散于有機溶劑中，然后加入聚合物，混合后去除有機溶劑，固化得到石墨烯/聚合物復合材料。這種方法一方面石墨烯較難分散于有機溶劑中，另一方面有機溶劑大多污染環境。

納米纖維素是一種來源廣泛的天然納米材料，具有輕質、可再生、可降解和相容性好等特性。由于纖維尺寸達到納米級，納米纖維素的結構、性狀均發生了很大的變化，具有很多獨特的性能，可用于改性增強納米復合材料。納米纖維素能夠在溶劑中形成均勻穩定的懸浮液，以納米纖維素為分散劑，搭載石墨烯從而形成均勻穩定的石墨烯/納米纖維素懸浮液。納米纖維素之間的相互交叉、搭接，使得石墨烯形成穩定的三維交聯的多層次導電網絡結構，同時納米纖維素良好的相容性，使石墨烯/納米纖維素與聚合物能產生良好的微觀界面結合性，從而顯著提高復合材料的電學性能。

發明內容

為了解決現有技術中的問題，本發明的目的在于提供了一種具有壓阻效應的石墨烯基復合材料，該復合材料柔韌性好、靈敏度高、重復性好，具有優異的壓阻性能。

為了實現上述技術目的，本發明提供了一種具有壓阻效應的石墨烯基復合材料，所述復合材料以硅橡膠作為基體和保護層，納米纖維素為骨架，石墨烯為導電填料，所述納米纖維素和石墨烯形成復合薄膜層，所述硅橡膠包覆在所述復合薄膜層外且充分填充所述復合薄膜層的孔隙中。

優選的，所述石墨烯與納米纖維素的質量比為1:0.5～1:2。

優選的，所述石墨烯為單層、少層或多層石墨烯納米粉末，片層直徑為0.5～50μm，層數為1～10層。

優選的，所述納米纖維素直徑為5～13nm，長度為1～3μm。

優選的，所述復合薄膜的孔隙率為10％～30％。

優選的，所述復合材料的厚度為10～100μm。

本發明還提供了所述石墨烯基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將石墨烯與納米纖維素分別溶于水中，混合后攪拌、超聲分散得到穩定的石墨烯/納米纖維素懸浮液；