石墨烯和聚3,4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)复合材料的制备及在棉织物上的应用

摘要

近年来可穿戴设备受到了科学家广泛的关注，它为监测人体健康、智能传感、医疗诊断等应用开辟了一条新道路。通常人体体表柔软而弯曲，传统的刚性设备难以和人体完全贴合，从而阻碍了其实际的使用。随着人们对材料进一步的研究，柔性导电材料替代硬质基材导电材料已成为必然发展趋势。石墨烯是一种二维碳材料，碳原子在平面上以六元环形式排列并具有高比表面积、高电导率、高机械强度等特性，可弥补其它材料电导率低的缺陷。聚3,4-乙基二氧噻吩（poly （3,4-ethyldioxythiophene，PEDOT））是一种典型的芳杂环导电高分子材料，其具有高导电性、透明性和环境稳定性。研究表明，导电高分子材料与碳材料复合可使复合物比单独材料性能上得以显著提升。鉴此，本文将导电高分子材料与碳材料进行复合，结合各自优点，使复合物性能协同加强，从而制备极具发展潜力的柔性复合物。 本文制备了磺酸化石墨烯/聚3，4-二氧乙烯噻吩（SRGO/PEDOT）复合材料，以及石墨烯/聚 3，4-二氧乙烯噻吩:聚苯乙烯磺酸（RGO/PEDOT:PSS）复合材料。将复合材料应用于棉织物，得到一 系列柔性复合物，并对制备工艺进行优化，考察其作为导体和应变传感器的性能。采用 X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、扫描电镜（SEM）、X射线能谱（XPS）、元素分析、四探针测试仪等对其进行相关测试及表征。结果表明： （1）采用对氨基苯磺酸重氮盐对改进的Hummers法制备的氧化石墨烯进行修饰，经过原位聚合和碘化氢（HI ）还原可制备SRGO/PEDOT复合材料。当m(SGO):m(EDOT)=1时复合材料有稳定电导率0.54S/cm。 （2）分别通过改进的Hummers法、化学氧化法、原位聚合法制备 GO、PEDOT:PSS 和 GO/PEDOT:PSS ，经 HI 还原后得到RGO/PEDOT:PSS复合材料。当m(PSS):m(EDOT)=2时，PEDOT:PSS电导率为3.5S/cm。当m(GO):m(EDOT)=0.15，m(PSS):m(EDOT)=2时，RGO/PEDOT:PSS复合材料有稳定电导率6.6S/cm。 （3 ）通过浸渍-烘干工艺制备 GO/COTTON 和 PEDOT:PSS/COTTON ，HI 还原得到 RGO/COTTON。RGO/COTTON 和PEDOT:PSS/COTTON具有良好的导电性能，通过改变浸渍次数和溶液的浓度可调节复合材料方阻大小。当复合材料方阻小于104?/sq可以作为柔性导电材料使 LED 灯发光，良好的重复和稳定性使复合材料在应变传感器方面有良好的应用前景。 （4）分别通过先还原再浸渍和先浸渍再还原制备RGO/PDOT:PSS/COTTON。通过先还原再浸渍制备的RGO/PDOT:PSS/COTTON，m(GO):m(EDOT)=0.15，浸渍5次时方阻最低为2.2×103?/sq。通过先浸渍再还原制备RGO/PDOT:PSS/COTTON，当m(GO):m(EDOT)=0.3时，浸渍5次时方阻最低为2.7×103?/sq。RGO/PDOT:PSS/COTTON复合材料具有良好的导电性能，可作为柔性导电材料，并具有一定的拒水性能使其在户外应变传感方面有良好的应用前景。

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