[发明专利]一种石墨烯基杂化多层结构纤维材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯基杂化多层结构纤维材料制备方法与传感器材料应用，属于功能纳米材料的制备技术领域。通过湿法纺丝技术制备过渡金属离子交联的氧化石墨烯纤维，化学还原提高纤维的强度与导电性，之后与适量的三聚氰胺混合于惰性气体气氛中热还原原位催化生长碳纳米管得到石墨烯基杂化多层结构纤维。该方法制备的材料在传感器材料应用中，具有灵敏度高，检测范围大，响应速度快，稳定性好的优点。整个材料的制备流程简单，反应过程中无有毒产物生成，能耗低，绿色环保，适合工业化大规模生产。

技术领域

一种可作为柔性可穿戴传感器导电材料的石墨烯基杂化多层结构纤维的制备方法，属于功能纳米材料的制备技术领域。

背景技术

近年来，柔性电子设备发展迅速，相对于传统电子，柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的复杂工作环境，满足设备的形变要求。其中柔性可穿戴传感器因其在人体生理信号监测以及智能人机操控等领域表现出巨大的潜力而受到了广泛关注。通过柔性传感器与人体皮肤或者衣物便捷地贴合，可实现对各种动作或者生理信号的实时检测，包括脉搏、心跳、发声、呼吸等微弱的信号以及肢体运动等较为强烈的信号；温度和湿度传感器还可以用来检测人体温度或者环境湿度的变化。这些信号促进了个性化健康管理系统的出现，也为疾病的诊断、预防和康复护理提供了重要的临床信息。

目前大多数的电阻性应变传感器采用导电性好的纳米材料与机械强度较高的柔性聚合物基底相结合的方式来获取较高的灵敏度和检测范围，常见的纳米材料包括金属纳米颗粒和纳米线以及各种碳材料(包括石墨烯，碳纳米管，碳黑等)。然而，大多数传感材料面临着制作成本较高，工艺繁琐，传感器性能较差的问题。因此，寻求方便快捷且能大规模生产高性能传感材料的方法，已经成为这一领域的研究热点。

与大多数常见的薄膜状或者泡沫状导电材料制成的传感器相比，由纤维材料制成的传感器有很多独特的有点，例如体积小，质量轻，透明度高，透气性好。基于纤维材料的传感器可以很容易地编织到日常的衣物或纺织品中，以提高穿着的舒适性，同时检测不同方向的变形。此外，纤维还可以被编织成各种形状(纱线，织物等)以适应不规则的表面，从而满足佩戴与检测需求。

石墨烯是近年来广受关注的一种二维碳纳米材料，碳原子以sp²杂化轨道成六角形晶格，碳原子平面间存在空隙并具有较强的相互作用，使得其有作为传感材料的潜力。石墨烯纤维作为一种石墨烯宏观组装体，很好的继承了这些特点，具有质量轻、强度高、导电好以及柔性佳等优点。此外，还可以通过向石墨烯中掺入杂质原子来改变片层间距，从而改善其力学和电学性质并广泛应用于包括传感器等柔性电子器件中去。

发明内容

本发明的目的在于提出一种方便快捷且能用于大规模生产的石墨烯基杂化多层结构纤维材料的制备方法，克服常规传感器导电材料制备流程复杂，成本高等缺点。制备得到的石墨烯基杂化多层结构纤维材料导电性较高，柔性较好，用该材料组装的传感器在各方面(特别是小应变下的灵敏度)表现优异。

本发明制备的纳米复合材料是通过以下实验方案实现的：

一种石墨烯基杂化多层结构纤维材料制备方法，该制备方法包括以下步骤：

a、通过湿法纺丝技术，将氧化石墨烯的水分散液注入到溶质质量分数5％的过渡金属盐的凝固浴中以制备GO纤维，纤维的尺寸可通过选用不同尺寸的纺丝喷嘴来决定；调节注射器速率以及凝固浴旋转速率等参数以制备连续且直径均匀的GO纤维；

b、将步骤a中获得的GO纤维置于室温中12h晾干，随后将纤维置于强还原剂溶液气氛的密闭条件下，90℃加热2h对氧化石墨烯进行化学还原，得到还原氧化石墨烯(rGO)纤维；

c、将步骤b中得到的rGO纤维与适量的三聚氰胺混合，混合物在惰性气体气氛下的管式炉内进行热还原，升温速率为5℃/min，700℃保持0.5h，从而实现了碳纳米管CNT在rGO纤维表面与内部的原位生长，得到石墨烯基杂化多层结构纤维材料CNT-rGO。