石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法及产品
技术领域
本发明涉及一种柔性压敏传感器，特别是一种石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法及产品。
背景技术
以三维多孔柔性海绵为基体，掺入导电物质石墨烯制备的三维柔性石墨烯压敏传感器近年来得到很大的发展。三维柔性石墨烯压敏传感器多选用聚氨酯充当基体材料，制得的传感器不仅灵敏度较低，而且由于自身分子结构的限制，氧化石墨烯向还原氧化石墨烯转化过程只能在较温和的条件下进行化学还原或者在惰性气体氛围下热还原，这些还原手段成本高、反应条件苛刻。而聚酰亚胺海绵具有良好的变形性，在-250-300℃温度范围内有效保持自身的理化性能，对环境和反应条件不是那么苛刻，受到了许多学者的关注。CN110358142A公开了一种宽温域用高灵敏度柔性复合海绵压敏传感器的制备方法，采用微波发泡成型技术制备聚酰亚胺海绵，再通过水热还原、冷冻干燥等技术将石墨烯构筑到聚酰亚胺海绵中，从而得到柔性复合海绵传感器，其灵敏度在0-0.5KPa内为0.8KPa-1左右，较传统柔性石墨烯/聚酰亚胺复合海绵压敏传感器其灵敏度大大提升。但是，该技术方案中聚酰亚胺海绵制备要将聚酰胺酸溶液制成粉末，再将粉末放入固定模具中进行热压过程，母板压好后取出用微波设备发泡，再进行高温固化，此工艺过于复杂。CN107611364A公开了一种聚酰亚胺/石墨烯柔性复合材料及其制备方法和应用，制备出具有导电性的聚酰亚胺包覆氧化石墨烯复合材料，但其柔韧性较差，并且在制备过程中使用多种强氧化性试剂，易造成污染，对环境不友好。因此，现有的技术存在着制备工艺复杂、生产成本高、对低应力检测灵敏度较低的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法及产品。本发明不仅具有制备工艺简单、生产成本低、对低应力检测灵敏度高的特点，还具有能够多次循环使用和寿命长的特点。
本发明的技术方案：石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1.以多元羧酸酯溶液作为分散相，将还原氧化石墨烯粉末分散于分散相中，在20-60℃条件下，以100-500W的超声波功率，分散处理20-180min，得到还原氧化石墨烯多元羧酸酯分散液；
S2.将还原氧化石墨烯多元羧酸酯分散液、催化剂、泡沫稳定剂和发泡剂混合，得到发泡A料；将异氰酸酯加入到发泡A料中混合均匀得到发泡料浆，经过0.5-2min自由发泡过程得到改性海绵中间体；改性海绵中间体经160-220℃高温固化1-3小时，得到石墨烯改性聚酰亚胺海绵；
S3.将单层或多层氧化石墨烯粉末分散于水中，在20-60℃条件下，以500-2000W的超声波功率，分散处理20-180min，得到氧化石墨烯水分散液；
S4.将石墨烯改性聚酰亚胺海绵用乙醇和去离子水交替洗涤3-5次后，放置于水热反应釜中，随后将氧化石墨烯水分散液倒入水热反应釜中，将水热反应釜置于真空烘箱中，调节真空烘箱真空度为10-90kPa，保持10-30min，完成氧化石墨烯水分散液对石墨烯改性聚酰亚胺海绵的真空浸渍；氧化石墨烯水分散液的体积为石墨烯改性聚酰亚胺海绵体积的1-10倍；
S5.将水热反应釜常压保持10-30min，随后将水热反应釜密封，并转移至100-180℃的鼓风烘箱中放置6-12h，得到石墨烯水凝胶填充的石墨烯改性聚酰亚胺海绵；
S6.将石墨烯水凝胶填充的石墨烯改性聚酰亚胺海绵转移至冷冻机中，在-45℃至0℃的条件下预冷冻2-48h，然后再在-80℃至-20℃条件下的真空冷冻干燥机进行真空冷冻干燥24-72h，得到石墨烯/聚酰亚胺复合海绵；
S7.用导电银浆将两片铜箔分别固定在石墨烯/聚酰亚胺复合海绵两端，得到石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器。
前述的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法中，步骤S1中，还原氧化石墨烯多元羧酸酯分散液包括以下质量份数的组分：还原氧化石墨烯粉末，1-5份；多元羧酸酯溶液200-1000份。
前述的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法中，步骤S2中，还原氧化石墨烯多元羧酸酯溶液分散液、催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂和异氰酸酯的用量重量比为：(50-100):(4-8):(12-24):(6-12):(75-150)。
前述的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法中，步骤S3中，单层或多层氧化石墨烯粉末为1-5份，去离子水为1000-10000份。
前述的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法中，多元羧酸酯溶液的溶质为均苯四甲酸二甲酯、均苯四甲酸二乙酯、均苯四甲酸二正丙酯、3,3',4,4'-二苯甲酮四酸二甲酯、3,3',4,4'-二苯甲酮四酸二乙酯、3,3',4,4'-二苯醚四酸二甲酯、3,3',4,4'-二苯醚四酸二乙酯、3,3',4,4'-联苯基砜四羧酸二甲酯、3,3',4,4'-联苯基砜四羧酸二乙酯中的一种或多种。
前述的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法中，所述催化剂包括三乙醇胺、三亚乙基二胺、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、Dabco33-LV中的一种或多种的混合物；
所述发泡剂为水、一氟二氯乙烷或氟利昂中的一种或多种的混合物；
所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、二甲苯异氰酸酯、多苯基多亚甲基多异氰酸酯中的一种或多种的混合物。
前述的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法中，步骤S2中，制得的石墨烯改性聚酰亚胺海绵具有导电性，室温条件下的电导率为1.65×10-8-3.66×10-8S·m-1。
石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器，其是前述的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法制得的产品。
前述的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器中，石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的灵敏度在0-200Pa区间范围内达到1.6-2.0kPa-1，0.5-1.2kPa区间范围内达到0.4-0.6kPa-1。
前述的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器中，在20％应变条件下，石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器经过2000次往复压缩后，石墨烯/聚酰亚胺复合海绵的电阻变化率波动低于4.5％。
与现有技术相比，本发明首先将石墨烯加到多元羧酸酯溶液中，使其在分散相中均匀地分散开来，在之后柔性基材的生长中，石墨烯表面的羟基官能团与异氰酸酯中的异氰酸酯基团接枝，从而均匀的分布在柔性基材内部，赋予了基材导电行为，且石墨烯可以共享外部应力，避免应力集中，阻碍裂纹扩展，改善了聚酰亚胺海绵的机械性能；
其次，通过控制柔性聚酰亚胺海绵的各个生产步骤，调节各个步骤的具体工艺参数，得到高开孔度的聚酰亚胺海绵，从而使柔性基材具有良好的形变能力、可重复性并且让石墨烯水凝胶对石墨烯改性聚酰亚胺海绵泡孔及骨架的均匀填充和有效复合更容易实现。通过分别在基体树脂中引入石墨烯导电相以及在海绵孔结构中构筑石墨烯海绵的方式，使得最终的石墨烯基柔性传感器表现出更高的灵敏度以及使用寿命；同时，采用本发明的制备工艺，可以保证导电材料填充均匀且可精准调控。
本发明制得的石墨烯改性聚酰亚胺海绵具有导电性，室温条件下电导率为1.65×10-8-3.66×10-8S·m-1；制备的复合海绵相比于以往石墨烯/聚酰亚胺复合海绵的压缩敏感度提高了206.5-511.8％，灵敏度在0-200Pa区间范围内可达到1.6-2.0kPa-1，0.5-1.2kPa区间范围内达到0.4-0.6kPa-1；在20％应变下传感器经过2000次往复压缩后，复合海绵的电阻变化率仍然表现出良好的重复性与稳定性，波动不超过4.5％。该制备方法工艺简单、反应条件温和、无污染，能够定量并均匀地填充石墨烯海绵，能够对压力信号迅速响应；并且两次填充石墨烯大大降低了石墨烯海绵的脱落率，极大的延长了传感器的使用寿命。
综上所述，本发明不仅具有制备工艺简单、生产成本低、对低应力检测灵敏度高的特点，还具有能够多次循环使用和寿命长的特点。
附图说明
图1为本发明实施例2中石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器样件照片。
图2为本发明实施例2中石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器力电压缩敏感性曲线。
图3为本发明实施例2中石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器循环往复压缩170次对应的复合海绵的电阻变化率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1.以多元羧酸酯溶液作为分散相，将还原氧化石墨烯粉末分散于分散相中，在20-60℃条件下，以100-500W的超声波功率，分散处理20-180min，得到还原氧化石墨烯多元羧酸酯分散液；
S2.将还原氧化石墨烯多元羧酸酯分散液、催化剂、泡沫稳定剂和发泡剂混合，得到发泡A料；将异氰酸酯加入到发泡A料中混合均匀得到发泡料浆，经过0.5-2min自由发泡过程得到改性海绵中间体；改性海绵中间体经160-220℃高温固化1-3小时，得到石墨烯改性聚酰亚胺海绵；
S3.将单层或多层氧化石墨烯粉末分散于水中，在20-60℃条件下，以500-2000W的超声波功率，分散处理20-180min，得到氧化石墨烯水分散液；
S4.将石墨烯改性聚酰亚胺海绵用乙醇和去离子水交替洗涤3-5次后，放置于水热反应釜中，随后将氧化石墨烯水分散液倒入水热反应釜中，将水热反应釜置于真空烘箱中，调节真空烘箱真空度为10-90kPa，保持10-30min，完成氧化石墨烯水分散液对石墨烯改性聚酰亚胺海绵的真空浸渍；氧化石墨烯水分散液的体积为石墨烯改性聚酰亚胺海绵体积的1-10倍；
S5.将水热反应釜常压保持10-30min，随后将水热反应釜密封，并转移至100-180℃的鼓风烘箱中放置6-12h，得到石墨烯水凝胶填充的石墨烯改性聚酰亚胺海绵；
S6.将石墨烯水凝胶填充的石墨烯改性聚酰亚胺海绵转移至冷冻机中，在-45℃至0℃的条件下预冷冻2-48h，然后再在-80℃至-20℃条件下的真空冷冻干燥机进行真空冷冻干燥24-72h，得到石墨烯/聚酰亚胺复合海绵；
S7.用导电银浆将两片铜箔分别固定在石墨烯/聚酰亚胺复合海绵两端，得到石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器。
步骤S1中，还原氧化石墨烯多元羧酸酯分散液包括以下质量份数的组分：还原氧化石墨烯粉末，1-5份；多元羧酸酯溶液200-1000份。
步骤S2中，还原氧化石墨烯多元羧酸酯溶液分散液、催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂和异氰酸酯的用量重量比为：(50-100):(4-8):(12-24):(6-12):(75-150)。
步骤S3中，单层或多层氧化石墨烯粉末为1-5份，去离子水为1000-10000份。
多元羧酸酯溶液的溶质为均苯四甲酸二甲酯、均苯四甲酸二乙酯、均苯四甲酸二正丙酯、3,3',4,4'-二苯甲酮四酸二甲酯、3,3',4,4'-二苯甲酮四酸二乙酯、3,3',4,4'-二苯醚四酸二甲酯、3,3',4,4'-二苯醚四酸二乙酯、3,3',4,4'-联苯基砜四羧酸二甲酯、3,3',4,4'-联苯基砜四羧酸二乙酯中的一种或多种。
所述催化剂包括三乙醇胺、三亚乙基二胺、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、Dabco33-LV中的一种或多种的混合物；
所述发泡剂为水、一氟二氯乙烷或氟利昂中的一种或多种的混合物；
所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、二甲苯异氰酸酯、多苯基多亚甲基多异氰酸酯中的一种或多种的混合物。
步骤S2中，制得的石墨烯改性聚酰亚胺海绵具有导电性，室温条件下的电导率为1.65×10-8-3.66×10-8S·m-1。
石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器，其是根据前述的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的制备方法制得的产品。
石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器的灵敏度在0-200Pa区间范围内达到1.6-2.0kPa-1，0.5-1.2kPa区间范围内达到0.4-0.6kPa-1。
在20％应变条件下，石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器经过2000次往复压缩后，复合海绵电阻变化率的波动低于4.5％。
实施例2，构成如图1所示。
向20克3,3',4,4'-二苯甲酮四酸二甲酯的N,N-二甲基甲酰胺溶液中加入0.1g还原氧化石墨烯，并用超声波进行超声分散，调节超声功率为100W，超声时间为30min。再称取三乙醇胺1g，二月桂酸二丁基锡0.2g，Dabco33-LV 0.4g，聚氧化乙烯泡沫稳定剂聚乙二醇600和聚醚硅氧烷泡沫稳定剂AK8805按质量比1：1混合后的表面活性剂5.0g，去离子水2.4g加入到超声分散好的还原氧化石墨烯多元羧酸酯溶液分散液中，混合均匀得到发泡A料。准确称取30g多亚甲基多苯基多异氰酸酯倒入上述发泡A料中，用机械搅拌桨以1000rpm的转速搅拌25s后，将料浆快速倒入内腔尺寸为20*30*30cm3的实验模具中；发泡料浆在模具中完成发泡成型过程，得到改性海绵中间体；随后，将其放入180℃的高温鼓风干燥烘箱中，加热2h，后得到石墨烯改性聚酰亚胺海绵。
称取0.15g多层氧化石墨烯粉末于塑料杯中，倒入50g去离子水，随后将上述液体用超声波进行超声分散，调节超声功率为1000W，超声时间30min后得到高度分散的3mg/g氧化石墨烯水分散液。
裁取29*27*9mm3的石墨烯改性聚酰亚胺海绵，用乙醇和去离子水交替洗涤5次后，将其放入100mL的水热反应釜内衬中，并倒入50mL的氧化石墨烯水分散液。将开盖的反应釜转移至真空烘箱中，调节真空度为80kPa，保持真空浸渍10min。取出反应釜，常压保持30min后密封，并转移至160℃鼓风烘箱中保持8h后，取出反应釜，得到石墨烯水凝胶填充的石墨烯改性聚酰亚胺海绵。放入冰箱冷冻层-5℃条件下进行预冻24h；最后将冻结好的样品放入真空冷冻干燥机的物料盘上，-45℃条件下冷冻干燥48h，得到最终的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵；用导电银浆将两片铜箔分别固定在石墨烯/聚酰亚胺复合海绵上下两侧，得到新型石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器。
本实施例所制备得到的石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器性能如下：
所得石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器密度为18kg/m3；开孔度为90％；灵敏度0-200Pa区间范围内可达到1.707kPa-1，0.5-1.2kPa区间范围内达到0.40kPa-1，在20％应变下传感器经过170次往复压缩后，复合海绵的电阻变化率波动不超过4.3％。
实施例3。
本实施例与实施例2不同的是制备还原氧化石墨烯多元羧酸酯溶液分散液时，称取的还原氧化石墨烯粉末为0.2g，其余与实施实例2相同。
所得石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器密度为20kg/m3；开孔度为89％；灵敏度0-200Pa区间范围内可达到1.745kPa-1，0.5-1.2kPa区间范围内达到0.50kPa-1，在20％应变下传感器经过1700次往复压缩后，复合海绵的电阻变化率波动不超过4.2％。
实施例4。
本实施例与实施例2不同的是称取的多层氧化石墨烯粉末为0.10g，其余与实施例2相同。即氧化石墨烯水分散液浓度为2mg/g。
所得石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器密度为18kg/m3；开孔度为90％；灵敏度0-200Pa区间范围内可达到1.610kPa-1，0.5-1.2kPa区间范围内达到0.43kPa-1，在20％应变下传感器经过300次往复压缩后，复合海绵的电阻变化率波动不超过4.0％。
实施例4。
本实施例与实施例2不同的是多元羧酸酯溶液的溶质为均苯四甲酸二甲酯，其余与实施例2相同。
所得石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器密度为18kg/m3；开孔度为90％；灵敏度0-200Pa区间范围内可达到1.735kPa-1，0.5-1.2kPa区间范围内达到0.45kPa-1，在20％应变下传感器经过600次往复压缩后，复合海绵的电阻变化率波动不超过4.2％。
实施例6。
本实施例与实施例2不同的是选用二苯基甲烷二异氰酸酯制备石墨烯改性聚酰亚胺海绵，三亚乙基二胺、辛酸亚锡、Dabco33-LV催化剂用量分别调整为1.0g、0.2g、0.4g，其余与实施例2相同。
所得石墨烯/聚酰亚胺复合海绵柔性传感器密度为18kg/m3；开孔度为90％；灵敏度0-200Pa区间范围内可达到1.788kPa-1，0.5-1.2kPa区间范围内达到0.50kPa-1，在20％应变下传感器经过1300次往复压缩后，复合海绵的电阻变化率波动不超过4.5％。
实施例7。
本实施例与实施例2不同的是选用一氟二氯乙烷作为发泡剂制备石墨烯改性聚酰亚胺海绵，其余与实施例2相同。
所得石墨烯/聚酰亚胺复合海绵密度为16kg/m3；开孔度为94％；灵敏度0-200Pa区间范围内可达到1.85kPa-1，0.5-1.2kPa区间范围内达到0.58kPa-1，在20％应变下传感器经过600次往复压缩后，复合海绵的电阻变化率波动不超过4.2％。
