石墨烯/纖維織物制備方法、石墨烯/纖維織物和傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種石墨烯/纖維織物制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：1)將纖維織物于牛血清蛋白溶液中在室溫下浸泡，干燥后用去離子水清洗，得到經(jīng)正離子化處理的纖維織物；2)將步驟1)中所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物于氧化石墨烯溶液中浸泡，干燥后得到氧化石墨烯/纖維織物；3)將步驟2)中所述氧化石墨烯/纖維織物于還原劑中浸泡，用去離子水清洗后干燥，得到石墨烯/纖維織物。本發(fā)明提供的制備方法工藝簡化，制備得到的石墨烯/纖維織物與石墨烯復(fù)合良好、電阻穩(wěn)定、靈敏性高，安全環(huán)保。
【專利說明】
石墨烯/纖維織物制備方法、石墨烯/纖維織物和傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及柔性導(dǎo)電織物領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種石墨烯/纖維織物制備方法、石墨烯/纖維織物和傳感器。
【【背景技術(shù)】】
[0002]人類對(duì)于智能服裝的追求促進(jìn)了可穿戴設(shè)備及電子織物的飛速發(fā)展，而可穿戴設(shè)備及電子織物的發(fā)展又依賴于性能優(yōu)良的導(dǎo)電織物的制備。鑒于穿著體驗(yàn)，衣服等織物作為人類已經(jīng)適應(yīng)了幾千年的穿戴物品，會(huì)更適合于人體穿戴。以此為基體，將其開發(fā)為智能紡織品將會(huì)具有較大潛力，制備兼具輕量性、柔韌性以及可拉伸性等的導(dǎo)電織物尤其是基于通用纖維的導(dǎo)電織物將會(huì)加速推進(jìn)電子織物及可穿戴設(shè)備的發(fā)展。
[0003]導(dǎo)電織物的研制至今已有近50年的歷史，其發(fā)展歷程大致包括四個(gè)階段:金屬纖維、碳纖維及含碳黑聚合物的復(fù)合型導(dǎo)電纖維、含有金屬鹽的導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電高聚物導(dǎo)電纖維。導(dǎo)電織物是由導(dǎo)電纖維混合服用纖維紡織而成或是以服用織物為基底在其上負(fù)載導(dǎo)電材料，例如金屬、碳材料、導(dǎo)電高聚物制備而成。因此導(dǎo)電織物一般可分為金屬導(dǎo)電織物、鍍金屬導(dǎo)電織物、導(dǎo)電高聚物復(fù)合導(dǎo)電織物以及碳材料復(fù)合導(dǎo)電織物等。盡管導(dǎo)電織物得到了長足的發(fā)展，但也存在著一定的問題，如金屬導(dǎo)電織物和鍍金屬導(dǎo)電織物的手感粗糙，舒適性較差;導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電織物工藝較復(fù)雜，污染嚴(yán)重等。因此開發(fā)新的制備導(dǎo)電織物的新方法具有重要的意義和實(shí)際應(yīng)用前景。
[0004]石墨烯是碳原子以Sp2雜化連接的單原子層構(gòu)成的新型二維(2D)原子晶體，具有一系列豐富而新奇的物理性質(zhì)。是目前世界上已知的最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料，機(jī)械性能優(yōu)異，導(dǎo)電性能極佳。其楊氏模量約I 10GPa模量，斷裂強(qiáng)度約130GPa，電子迀移率約2 X14Cm2/(V.s)、比表面積最高可達(dá)2630m2/g。石墨稀獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能為復(fù)合材料的開發(fā)提供了原動(dòng)力。但是，氧化石墨烯(GO)與紡織品之間缺乏親和力，因此很難通過傳統(tǒng)工藝將氧化石墨烯包覆到紡織品上。
[0005]目前，智能紡織品主要應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療保健、運(yùn)動(dòng)娛樂等領(lǐng)域。其主要功能是傳感探測應(yīng)力、應(yīng)變、溫度及其氣體參數(shù)的變化等。現(xiàn)在的大部分可穿戴傳感器敏感元件一一導(dǎo)電纖維，主要由導(dǎo)電材料與纖維織物通過涂覆、混編等方式復(fù)合，但受到電導(dǎo)性、機(jī)械性能和有毒害性的制約。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]本發(fā)明提供了一種石墨烯/纖維織物制備方法、石墨烯/纖維織物和傳感器，解決了現(xiàn)有技術(shù)中氧化石墨烯(GO)與紡織品之間缺乏親和力，難以將氧化石墨烯包覆到紡織品上的問題。
[0007]第一方面，本發(fā)明提供一種石墨烯/纖維織物制備方法，所述制備方法包括:
[0008]I)將纖維織物于牛血清蛋白溶液中在室溫下浸泡，干燥后用去離子水清洗，得到經(jīng)正離子化處理的纖維織物；[0009 ] 2)將步驟I)中所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物于氧化石墨烯溶液中浸泡，干燥后得到氧化石墨烯/纖維織物；
[0010]3)將步驟2)中所述氧化石墨烯/纖維織物于還原劑中浸泡，用去離子水清洗后干燥，得到石墨烯/纖維織物。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟I)中，所述牛血清蛋白溶液的質(zhì)量濃度為I?20mg/ml。
[0012]優(yōu)選地，所述步驟I)中，所述浸泡的時(shí)間為10?60min，所述干燥的溫度為25°C?800C，所述干燥的時(shí)間為10?120min。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟2)中，所述浸泡過程包括:將所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物于40 0C?80 0C水浴中浸泡1?60min。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟2)中，所述干燥的溫度為2 5 °C?8 O °C，干燥的時(shí)間為1?120mino
[0015]優(yōu)選地，所述步驟3)中，所述還原劑包括氫碘酸和乙酸混合液，其中氫碘酸和乙酸的體積比為1:5?3:5。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟3)中，所述還原劑為抗壞血酸溶液，所述抗壞血酸溶液的質(zhì)量濃度為I?5mg/ml。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟3)中，所述浸泡的溫度為25°C?60°C，浸泡的時(shí)間為10?60min。
[0018]第二方面，本發(fā)明提供一種石墨烯/纖維織物，通過上述任意一項(xiàng)所述的制備方法制備得到。
[0019]第三方面，本發(fā)明提供一種傳感器，包括上述任意一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的所述石墨烯/纖維織物。
[0020]該石墨烯/纖維織物的制備方法采用常用的彈性纖維織物為基體，先用BSA溶液對(duì)待染彈性纖維織物進(jìn)行正離子化處理，然后將正離子化的纖維浸入氧化石墨烯溶液，使該彈性纖維織物與導(dǎo)電性極好、機(jī)械性能優(yōu)異的石墨烯復(fù)合，制備得到的石墨烯/纖維織物與石墨烯復(fù)合良好、電阻穩(wěn)定、靈敏性高，將該石墨烯/纖維織物制作成可穿戴織物的傳感器，不僅具有柔軟、穿戴舒適、易折疊、耐洗滌、無毒害等特點(diǎn)，而且擁有較高的電導(dǎo)性、良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定性，可以達(dá)到靈敏度較高，重復(fù)性好的要求。
【【具體實(shí)施方式】】
[0021]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0022]本發(fā)明提供一種石墨烯/纖維織物制備方法、石墨烯/纖維織物和傳感器，下面以實(shí)施例1詳細(xì)闡述該石墨烯/纖維織物的制備過程，以及石墨烯/纖維織物和傳感器。
[0023]實(shí)施例1
[0024]I)織物正離子化處理:
[0025]將纖維織物浸于5mg/ml的牛血清蛋白(BSA)溶液中，搓揉所述纖維織物使得其與牛血清蛋白溶液充分接觸，在室溫下浸泡30min后，于60 °C的干燥箱中干燥30min，用去離子水反復(fù)清洗三次，得到經(jīng)正離子化處理的纖維織物，干燥待用。
[0026]其中，纖維織物選自氨綸線、棉包芯橡膠、滌綸包芯橡膠和尼龍包芯橡膠等。
[0027]2)制備氧化石墨烯(GO)/纖維織物
[0028]將步驟I)中所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物浸于2mg/ml氧化石墨烯溶液中，放入60°C的水浴鍋中浸泡，搓揉所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物使得其與氧化石墨烯溶液充分接觸，保溫30min后，除去放入60 °C的干燥箱中干燥30min，得到氧化石墨稀包覆的纖維織物，即氧化石墨烯/纖維織物。
[0029]其中，2mg/ml氧化石墨烯溶液的制備方法為:稱取氧化石墨烯放入去離子水中，超聲30min，超聲時(shí)控制溫度不超過30°C。
[0030]3)制備石墨烯/纖維織物
[0031]將步驟2)中所述氧化石墨烯/纖維織物于還原劑中浸泡，在40°C下保溫lOmin，用去離子水反復(fù)清洗，直至無還原劑殘留為止，然后干燥，得到石墨烯包覆的纖維織物，即石墨烯/纖維織物。
[0032]其中，所述還原劑包括氫碘酸和乙酸，氫碘酸和乙酸的體積比為2:5;在清洗過程中，同時(shí)將包覆不夠牢固的石墨烯清洗掉。
[0033]該石墨烯/纖維織物的制備方法采用常用的彈性纖維織物為基體，先用BSA溶液對(duì)待染彈性纖維織物進(jìn)行正離子化處理，然后將正離子化的纖維浸入GO溶液，使該彈性纖維織物與導(dǎo)電性極好、機(jī)械性能優(yōu)異的石墨烯復(fù)合，制備得到的石墨烯/纖維織物與石墨烯復(fù)合良好，耐洗滌，可以使用較長時(shí)間，石墨烯的高導(dǎo)電性也保持了纖維織物的導(dǎo)電性，同時(shí)制備得到的石墨烯/纖維織物電阻穩(wěn)定，靈敏度高。具體的，纖維織物的各個(gè)纖維上都包覆了石墨烯，在沒有受到拉力時(shí)，纖維之間緊密接觸，連接良好，在受到拉力時(shí)，一些纖維之間不再接觸，電阻會(huì)顯著增大，較小的應(yīng)變便會(huì)引起電阻的較大變化。整個(gè)制造過程僅通過簡單的浸染和漂洗，工藝簡單，而且沒有任何有毒物質(zhì)的引入，安全環(huán)保。
[0034]檢測纖維織物的導(dǎo)電性后，便可把石墨烯/纖維織物接入電阻檢測電路中，石墨烯/纖維織物可以和手套、護(hù)腕、護(hù)肘、護(hù)膝、緊身服等編織在一起制作成可穿戴織物的傳感器，當(dāng)外力引起石墨烯/纖維織物發(fā)生應(yīng)變時(shí)，其電阻便會(huì)發(fā)生變化，只要檢測電阻的變化，便可算出受力，彎曲程度等，可用于手勢檢測、脈搏檢測等，進(jìn)一步可用于人機(jī)互動(dòng)、生物醫(yī)療等方向。將該石墨烯/纖維織物制作成可穿戴織物的傳感器，由于纖維織物本身具備彈性，不僅具有柔軟、穿戴舒適、易折疊、耐洗滌、無毒害、重復(fù)性好等特點(diǎn)，而且擁有較高的電導(dǎo)性、良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定性，靈敏度較高，可檢測100%甚至更大的應(yīng)變。
[0035]實(shí)施例2
[0036]I)織物正離子化處理:
[0037]將纖維織物浸于lmg/ml的牛血清蛋白(BSA)溶液中，搓揉所述纖維織物使得其與牛血清蛋白溶液充分接觸，在室溫下浸泡1min后，于25 °C的干燥箱中干燥1min，用去離子水反復(fù)清洗三次，得到經(jīng)正離子化處理的纖維織物，干燥待用。
[0038]其中，纖維織物選自氨綸線、棉包芯橡膠、滌綸包芯橡膠和尼龍包芯橡膠等。
[0039]2)制備氧化石墨烯(GO)/纖維織物
[0040]將步驟I)中所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物浸于2mg/ml氧化石墨烯溶液中，放入40°C的水浴鍋中浸泡，搓揉所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物使得其與氧化石墨烯溶液充分接觸，保溫1min后，除去放入25 V的干燥箱中干燥1min，得到氧化石墨烯包覆的纖維織物，即氧化石墨烯/纖維織物。
[0041]其中，2mg/ml氧化石墨烯溶液的制備方法為:稱取氧化石墨烯放入去離子水中，超聲lOmin，超聲時(shí)控制溫度不超過30°C。
[0042]3)制備石墨烯/纖維織物
[0043]將步驟2)中所述氧化石墨烯/纖維織物于還原劑中浸泡，在25°C下保溫30min，用去離子水反復(fù)清洗，直至無還原劑殘留為止，然后干燥，得到石墨烯包覆的纖維織物，即石墨烯/纖維織物。
[0044]其中，所述還原劑包括氫碘酸和乙酸，氫碘酸和乙酸的體積比為1:5;在清洗過程中，同時(shí)將包覆不夠牢固的石墨烯清洗掉。
[0045]實(shí)施例3
[0046]I)織物正離子化處理:
[0047]將纖維織物浸于20mg/ml的牛血清蛋白(BSA)溶液中，搓揉所述纖維織物使得其與牛血清蛋白溶液充分接觸，在室溫下浸泡60min后，于80°C的干燥箱中干燥120min，用去離子水反復(fù)清洗三次，得到經(jīng)正離子化處理的纖維織物，干燥待用。
[0048]其中，纖維織物選自氨綸線、棉包芯橡膠、滌綸包芯橡膠和尼龍包芯橡膠等。
[0049]2)制備氧化石墨烯(GO) /纖維織物
[0050]將步驟I)中所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物浸于2mg/ml氧化石墨烯溶液中，放入80°C的水浴鍋中浸泡，搓揉所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物使得其與氧化石墨烯溶液充分接觸，保溫60min后，除去放入80°C的干燥箱中干燥120min，得到氧化石墨烯包覆的纖維織物，即氧化石墨烯/纖維織物。
[0051 ]其中，2mg/ml氧化石墨烯溶液的制備方法為:稱取氧化石墨烯放入去離子水中，超聲60min，超聲時(shí)控制溫度不超過30 V。
[0052]3)制備石墨烯/纖維織物
[0053]將步驟2)中所述氧化石墨烯/纖維織物于還原劑中浸泡，在60°C下保溫60min，用去離子水反復(fù)清洗，直至無還原劑殘留為止，然后干燥，得到石墨烯包覆的纖維織物，即石墨烯/纖維織物。
[0054]其中，所述還原劑包括氫碘酸和乙酸，氫碘酸和乙酸的體積比為3:5;在清洗過程中，同時(shí)將包覆不夠牢固的石墨烯清洗掉。
[0055]實(shí)施例4
[0056]I)織物正離子化處理:
[0057]將纖維織物浸于lmg/ml的牛血清蛋白(BSA)溶液中，搓揉所述纖維織物使得其與牛血清蛋白溶液充分接觸，在室溫下浸泡1min后，于25 °C的干燥箱中干燥1min，用去離子水反復(fù)清洗三次，得到經(jīng)正離子化處理的纖維織物，干燥待用。
[0058]其中，纖維織物選自氨綸線、棉包芯橡膠、滌綸包芯橡膠和尼龍包芯橡膠等。
[0059]2)制備氧化石墨烯(GO) /纖維織物
[0060]將步驟I)中所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物浸于2mg/ml氧化石墨烯溶液中，放入40°C的水浴鍋中浸泡，搓揉所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物使得其與氧化石墨烯溶液充分接觸，保溫1min后，除去放入25 V的干燥箱中干燥1min，得到氧化石墨烯包覆的纖維織物，即氧化石墨烯/纖維織物。
[0061]其中，2mg/ml氧化石墨烯溶液的制備方法為:稱取氧化石墨烯放入去離子水中，超聲lOmin，超聲時(shí)控制溫度不超過30°C。
[0062]3)制備石墨烯/纖維織物
[0063]將步驟2)中所述氧化石墨烯/纖維織物于還原劑中浸泡，在25°C下保溫30min，用去離子水反復(fù)清洗，直至無還原劑殘留為止，然后干燥，得到石墨烯包覆的纖維織物，即石墨烯/纖維織物。
[0064]其中，所述還原劑為抗壞血酸溶液，所述抗壞血酸溶液的質(zhì)量濃度為5mg/ml;在清洗過程中，同時(shí)將包覆不夠牢固的石墨烯清洗掉。
[0065]實(shí)施例5
[0066]I)織物正離子化處理:
[0067]將纖維織物浸于20mg/ml的牛血清蛋白(BSA)溶液中，搓揉所述纖維織物使得其與牛血清蛋白溶液充分接觸，在室溫下浸泡60min后，于80°C的干燥箱中干燥120min，用去離子水反復(fù)清洗三次，得到經(jīng)正離子化處理的纖維織物，干燥待用。
[0068]其中，纖維織物選自氨綸線、棉包芯橡膠、滌綸包芯橡膠和尼龍包芯橡膠等。
[0069]2)制備氧化石墨烯(GO) /纖維織物
[0070]將步驟I)中所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物浸于2mg/ml氧化石墨烯溶液中，放入80°C的水浴鍋中浸泡，搓揉所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物使得其與氧化石墨烯溶液充分接觸，保溫60min后，除去放入80°C的干燥箱中干燥120min，得到氧化石墨烯包覆的纖維織物，即氧化石墨烯/纖維織物。
[0071]其中，2mg/ml氧化石墨烯溶液的制備方法為:稱取氧化石墨烯放入去離子水中，超聲60min，超聲時(shí)控制溫度不超過30 V。
[0072]3)制備石墨烯/纖維織物
[0073]將步驟2)中所述氧化石墨烯/纖維織物于還原劑中浸泡，在60°C下保溫60min，用去離子水反復(fù)清洗，直至無還原劑殘留為止，然后干燥，得到石墨烯包覆的纖維織物，即石墨烯/纖維織物。
[0074]其中，所述還原劑為抗壞血酸溶液，所述抗壞血酸溶液的質(zhì)量濃度為lmg/ml;在清洗過程中，同時(shí)將包覆不夠牢固的石墨烯清洗掉。
[0075]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種石墨烯/纖維織物制備方法，其特征在于，所述制備方法包括: 1)將纖維織物于牛血清蛋白溶液中在室溫下浸泡，干燥后用去離子水清洗，得到經(jīng)正離子化處理的纖維織物； 2)將步驟I)中所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物于氧化石墨烯溶液中浸泡，干燥后得到氧化石墨烯/纖維織物； 3)將步驟2)中所述氧化石墨烯/纖維織物于還原劑中浸泡，用去離子水清洗后干燥，得到石墨烯/纖維織物。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟I)中，所述牛血清蛋白溶液的質(zhì)量濃度為I?20mg/ml。3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟I)中，所述浸泡的時(shí)間為10?60min，所述干燥的溫度為25 °C?80 °C，所述干燥的時(shí)間為1?120min。4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述浸泡過程包括:將所述經(jīng)正離子化處理的纖維織物于40 0C?80 0C水浴中浸泡1?60min。5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述干燥的溫度為25°C?80°C，干燥的時(shí)間為10?120min。6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述還原劑包括氫碘酸和乙酸混合液，其中氫碘酸和乙酸的體積比為1:5?3: 5。7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述還原劑為抗壞血酸溶液，所述抗壞血酸溶液的質(zhì)量濃度為I?5mg/ml。8.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述浸泡的溫度為25°C?60°C，浸泡的時(shí)間為10?60min。9.一種石墨烯/纖維織物，其特征在于，通過如權(quán)利要求1?8中任意一項(xiàng)所述的制備方法制備得到。10.—種傳感器，其特征在于，包括如權(quán)利要求1?8中任意一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的所述石墨烯/纖維織物。
【文檔編號(hào)】D06B3/10GK105951427SQ201610362588
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月27日
【發(fā)明人】李準(zhǔn), 馬乾力, 王丹
【申請(qǐng)人】深圳市微納集成電路與系統(tǒng)應(yīng)用研究院