发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明提供了一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器及其制备方法,以解决现有的基于一维纳米复合导电纤维材料的光纤传感器存在柔韧性和机械性能不足,使用寿命较短的技术问题。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
本发明提供了一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、将羧基化碳纳米管CNT置于二甲基亚砜DMSO中,超声分散,得到CNT/DMSO溶液;
步骤2、将所述CNT/DMSO溶液加入至ANF/DMSO溶液中,搅拌,得到ANF/CNT/DMSO溶液;
步骤3、将所述ANF/CNT/DMSO溶液,注射至混合溶液A中,得到ANF/CNT水凝胶;其中,所述混合溶液A采用醋酸溶液、CaCl2溶液及去离子水混合得到;
步骤4、将所述ANF/CNT水凝胶浸渍至吡咯溶液中预设时间后,浸渍至FeCl3溶液中,进行聚合反应,得到ANF/CNT/PPy水凝胶;
步骤5、对所述ANF/CNT/PPy水凝胶,进行真空干燥,得到ANF/CNT/PPy纳米线材料;
步骤6、将所述ANF/CNT/PPy纳米线材料作为传感器的敏感材料,制备得到所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器。
进一步的,步骤1中,制备CNT/DMSO溶液的过程中,超声分散时间为0.5-6h。
进一步的,步骤2中,CNT/DMSO溶液与ANF/DMSO溶液的质量比为(1-2):(40-60);搅拌时间为1-6h;其中,所述CNT/DMSO溶液的质量百分数为1%-2%,所述ANF/DMSO溶液的质量百分数为1%-2%。
进一步的,步骤2中,ANF/DMSO溶液采用将清洗后的芳纶纳米纤维ANF、氢氧化钾KOH和二甲基亚砜DMSO混合,密封置于室温下连续搅拌制得。
进一步的,步骤3中,所述混合溶液A中,醋酸溶液的浓度为0.5-1wt%,CaCl2溶液的浓度为1-2mol/L。
进一步的,步骤3中,利用注射器将所述ANF/CNT/DMSO溶液,注射至去离子水中,得到ANF/CNT水凝胶;其中,所述注射器的针头尺寸为0.1-1mm,注射速度为1-10mm/s
进一步的,步骤4中,吡咯溶液的浓度为10-100mg/mL,所述预设时间为1-10min。
进一步的,步骤4中,FeCl3溶液的浓度为0.1-1mol/L,聚合反应时间为3-10min。
进一步的,步骤5中,真空干燥过程中,真空干燥温度为20-100℃,真空干燥时间为1-10h,真空度为0.01-0.09MPa。
本发明还提供了一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器,所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器根据所述的一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器的制备方法制备得到。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明提供了一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器及其制备方法,以芳纶纳米纤维ANF作为骨架,通过加入羧基化碳纳米管CNT,利用羧基化的碳纳米管有效提高了纤维的机械性能与导电性;将所述ANF/CNT/DMSO溶液注射至混合溶液A时,芳纶纳米纤维ANF发生质子化,其中的酰胺键-CO-NH-与混合溶液A中的H+结合形成氨基-NH2;所述氨基-NH2能够与羧基化碳纳米管CNT上的羧基形成氢键作用;同时,芳纶纳米纤维ANF与羧基化碳纳米管CNT之间存在π-π叠加作用;通过将ANF/CNT水凝胶浸渍至吡咯溶液,再ANF/CNT水凝胶的内部和外部均负载吡咯,以赋予其更好的导电性;对ANF/CNT/PPy水凝胶进行真空干燥,利用真空干燥过程去除ANF/CNT/PPy水凝胶中的水分,并确保纳米线的完整度,获得ANF/CNT/PPy纳米线材料;本发明中,选用芳纶纳米纤维ANF作为支撑材料,以羧基化碳纳米管CNT作为增强剂和导电材料;利用羧基化碳纳米管CNT对芳纶纳米纤维CNT骨架进行增强,并赋予骨架导电性能;以聚吡咯PPy作为导电层和增强层,聚吡咯PPy纳米层原位聚合于ANF/CNT骨架结构上,以PPy与CNT组成的立体穿插体系作为导电网络;同时,芳纶纳米纤维ANF和羧基化碳纳米管CNT通过氢键结合构成自支撑三维网络结构,且一维纤维状结构也具有一定的方向性和取向性,从而能够制备出导电、高强度的ANF/CNT/PPy纳米线传感器。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题,技术方案及有益效果更加清楚明白,以下具体实施例,对本发明进行进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供了一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、将羧基化碳纳米管CNT置于二甲基亚砜DMSO中,超声分散0.5-6h,得到CNT/DMSO溶液;将清洗后的芳纶纳米纤维ANF、氢氧化钾KOH和二甲基亚砜DMSO混合,密封置于室温下连续搅拌,得到ANF/DMSO溶液。
步骤2、将所述CNT-DMSO溶液加入至所述ANF/DMSO溶液中,搅拌1-6h,得到ANF/CNT/DMSO溶液;其中,所述CNT/DMSO溶液与所述ANF/DMSO溶液的质量比为(1-2):(40-60);其中,所述CNT/DMSO溶液的质量百分数为1%-2%,所述ANF/DMSO溶液的质量百分数为1%-2%。
步骤3、利用注射器将所述ANF/CNT/DMSO溶液,以1-10mm/s的注射速度,注射至混合溶液A中,得到ANF/CNT水凝胶;其中,所述注射器的针头尺寸为0.1-1mm;所述混合溶液A采用醋酸溶液、CaCl2溶液及去离子水混合得到;其中,混合溶液A中,醋酸溶液的浓度为0.5-1wt%醋酸溶液,CaCl2溶液的浓度为1-2mol/L。
步骤4、将所述ANF/CNT水凝胶浸渍至吡咯溶液中1-10min后,浸渍至FeCl3溶液中,进行聚合反应3-10min,得到ANF/CNT/PPy水凝胶;其中,所述吡咯溶液的浓度为10-100mg/mL,所述FeCl3溶液的浓度为0.1-1mol/L。
步骤5、将所述ANF/CNT/PPy水凝胶置于真空干燥箱中,进行真空干燥处理,得到ANF/CNT/PPy纳米线材料;其中,真空干燥过程中,真空干燥温度为20-100℃,真空干燥时间为1-10h,真空度为0.01-0.09MPa。
步骤6、将所述ANF/CNT/PPy纳米线材料作为传感器的敏感材料,制备得到所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器。
本发明所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器的制备方法,选用ANF作为传感器支撑结构,以PPy作为导电层和增强层,以CNT作为增强剂和导电材料。利用CNT对ANF骨架进行增强,并赋予骨架一定的导电性能,PPy纳米层原位聚合于ANF/CNT骨架结构上,以PPy与CNT组成的立体穿插体系作为导电网络,同时ANF和CNT通过氢键结合构成自支撑三维网络结构,且一维纤维状结构也具有一定的方向性和取向性,从而制备出导电、高强度的纤维传感器。
制备原理:
本发明所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器的制备方法,选用芳纶纳米纤维ANF作为传感器支撑结构,以聚吡咯PPy作为导电层和增强层,以羧基化碳纳米管CNT作为增强剂和导电材料;利用羧基化碳纳米管CNT对芳纶纳米纤维ANF骨架进行增强,并赋予骨架一定的导电性能,聚吡咯PPy纳米层原位聚合于ANF/CNT骨架结构上,以聚吡咯PPy与羧基化碳纳米管CNT组成的立体穿插体系作为导电网络;同时芳纶纳米纤维ANF和羧基化碳纳米管CNT通过氢键结合构成自支撑三维网络结构,且一维纤维状结构也具有一定的方向性和取向性,从而制备出导电、高强度的纤维传感器。
本发明所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器,具有较高的力学性能和导电性能,断裂强度为150-400MPa,电导率为2600-3400Sm-1,循环1000次后电流变化率高达70%-90%。
实施例1
本实施例1中提供了一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1、将羧基化碳纳米管CNT置于二甲基亚砜DMSO中,超声分散4h,得到CNT/DMSO溶液;将清洗后的芳纶纳米纤维ANF、氢氧化钾KOH和二甲基亚砜DMSO混合,密封置于室温下连续搅拌,得到ANF/DMSO溶液。
步骤2、将2g的CNT-DMSO溶液加入至50g的ANF/DMSO溶液中,搅拌6h,得到ANF/CNT/DMSO溶液;其中,所述CNT/DMSO溶液的质量百分数为2%,所述ANF/DMSO溶液的质量百分数为2%。
步骤3、利用注射器将所述ANF/CNT/DMSO溶液,以8mm/s的注射速度,注射至混合溶液A中,得到ANF/CNT水凝胶;其中,所述注射器的针头尺寸为0.8mm;所述混合溶液A采用醋酸溶液、CaCl2溶液及去离子水混合得到;其中,混合溶液A中,醋酸溶液的浓度为0.5wt%醋酸溶液,CaCl2溶液的浓度为1mol/L。
步骤4、将所述ANF/CNT水凝胶浸渍至吡咯溶液中5min后,浸渍至FeCl3溶液中,进行聚合反应10min,得到ANF/CNT/PPy水凝胶;其中,所述吡咯溶液的浓度为50mg/mL,所述FeCl3溶液的浓度为1mol/L。
步骤5、将所述ANF/CNT/PPy水凝胶置于真空干燥箱中,进行真空干燥处理,得到ANF/CNT/PPy纳米线材料;其中,真空干燥过程中,真空干燥温度为60℃,真空干燥时间为6h,真空度为0.01MPa。
步骤6、将所述ANF/CNT/PPy纳米线材料作为传感器的敏感材料,制备得到所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器。
试验结果:
对本实施例1中制备的所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器的性能进行检测,所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器的断裂强度为400MPa,电导率为3400Sm-1,循环1000次后电流变化率高达90%。
实施例2
本实施例2中提供了一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1、将羧基化碳纳米管CNT置于二甲基亚砜DMSO中,超声分散0.5h,得到CNT/DMSO溶液;将清洗后的芳纶纳米纤维ANF、氢氧化钾KOH和二甲基亚砜DMSO混合,密封置于室温下连续搅拌,得到ANF/DMSO溶液。
步骤2、将1g的CNT-DMSO溶液加入至40g的ANF/DMSO溶液中,搅拌1h,得到ANF/CNT/DMSO溶液;其中,所述CNT/DMSO溶液的质量百分数为1%,所述ANF/DMSO溶液的质量百分数为1%。
步骤3、利用注射器将所述ANF/CNT/DMSO溶液,以1mm/s的注射速度,注射至混合溶液A中,得到ANF/CNT水凝胶;其中,所述注射器的针头尺寸为0.1mm;所述混合溶液A采用醋酸溶液、CaCl2溶液及去离子水混合得到;其中,混合溶液A中,醋酸溶液的浓度为0.5wt%醋酸溶液,CaCl2溶液的浓度为1mol/L。
步骤4、将所述ANF/CNT水凝胶浸渍至吡咯溶液中1min后,浸渍至FeCl3溶液中,进行聚合反应3min,得到ANF/CNT/PPy水凝胶;其中,所述吡咯溶液的浓度为10mg/mL,所述FeCl3溶液的浓度为0.1mol/L。
步骤5、将所述ANF/CNT/PPy水凝胶置于真空干燥箱中,进行真空干燥处理,得到ANF/CNT/PPy纳米线材料;其中,真空干燥过程中,真空干燥温度为60℃,真空干燥时间为1h,真空度为0.01MPa。
步骤6、将所述ANF/CNT/PPy纳米线材料作为传感器的敏感材料,制备得到所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器。
试验结果:
对本实施例2中制备的所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器的性能进行检测,所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器的断裂强度为165MPa,电导率为2600Sm-1,循环1000次后电流变化率高达70%。
实施例3
本实施例3中提供了一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1、将羧基化碳纳米管CNT置于二甲基亚砜DMSO中,超声分散6h,得到CNT/DMSO溶液;将清洗后的芳纶纳米纤维ANF、氢氧化钾KOH和二甲基亚砜DMSO混合,密封置于室温下连续搅拌,得到ANF/DMSO溶液。
步骤2、将2g的CNT-DMSO溶液加入至60g的ANF/DMSO溶液中,搅拌6h,得到ANF/CNT/DMSO溶液;其中,所述CNT/DMSO溶液的质量百分数为2%,所述ANF/DMSO溶液的质量百分数为2%。
步骤3、利用注射器将所述ANF/CNT/DMSO溶液,以10mm/s的注射速度,注射至混合溶液A中,得到ANF/CNT水凝胶;其中,所述注射器的针头尺寸为1mm;所述混合溶液A采用醋酸溶液、CaCl2溶液及去离子水混合得到;其中,混合溶液A中,醋酸溶液的浓度为1wt%醋酸溶液,CaCl2溶液的浓度为2mol/L。
步骤4、将所述ANF/CNT水凝胶浸渍至吡咯溶液中10min后,浸渍至FeCl3溶液中,进行聚合反应10min,得到ANF/CNT/PPy水凝胶;其中,所述吡咯溶液的浓度为100mg/mL,所述FeCl3溶液的浓度为1mol/L。
步骤5、将所述ANF/CNT/PPy水凝胶置于真空干燥箱中,进行真空干燥处理,得到ANF/CNT/PPy纳米线材料;其中,真空干燥过程中,真空干燥温度为100℃,真空干燥时间为10h,真空度为0.09MPa。
步骤6、将所述ANF/CNT/PPy纳米线材料作为传感器的敏感材料,制备得到所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器。
试验结果:
对本实施例3中制备的所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器的性能进行检测,所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器的断裂强度为190MPa,电导率为3100Sm-1,循环1000次后电流变化率高达90%。
实施例4
本实施例4中提供了一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1、将羧基化碳纳米管CNT置于二甲基亚砜DMSO中,超声分散4h,得到CNT/DMSO溶液;将清洗后的芳纶纳米纤维ANF、氢氧化钾KOH和二甲基亚砜DMSO混合,密封置于室温下连续搅拌,得到ANF/DMSO溶液。
步骤2、将1g的CNT-DMSO溶液加入至50g的ANF/DMSO溶液中,搅拌6h,得到ANF/CNT/DMSO溶液;其中,所述CNT/DMSO溶液的质量百分数为1%,所述ANF/DMSO溶液的质量百分数为1%。
步骤3、利用注射器将所述ANF/CNT/DMSO溶液,以8mm/s的注射速度,注射至混合溶液A中,得到ANF/CNT水凝胶;其中,所述注射器的针头尺寸为0.8mm;所述混合溶液A采用醋酸溶液、CaCl2溶液及去离子水混合得到;其中,混合溶液A中,醋酸溶液的浓度为0.5wt%醋酸溶液,CaCl2溶液的浓度为1mol/L。
步骤4、将所述ANF/CNT水凝胶浸渍至吡咯溶液中10min后,浸渍至FeCl3溶液中,进行聚合反应10min,得到ANF/CNT/PPy水凝胶;其中,所述吡咯溶液的浓度为50mg/mL,所述FeCl3溶液的浓度为1mol/L。
步骤5、将所述ANF/CNT/PPy水凝胶置于真空干燥箱中,进行真空干燥处理,得到ANF/CNT/PPy纳米线材料;其中,真空干燥过程中,真空干燥温度为60℃,真空干燥时间为6h,真空度为0.01MPa。
步骤6、将所述ANF/CNT/PPy纳米线材料作为传感器的敏感材料,制备得到所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器。
试验结果:
对本实施例4中制备的所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器的性能进行检测,所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器的断裂强度为160MPa,电导率为2800Sm-1,循环1000次后电流变化率高达75%。
实施例5
本实施例5中提供了一种ANF/CNT/PPy纳米线传感器的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1、将羧基化碳纳米管CNT置于二甲基亚砜DMSO中,超声分散0.3h,得到CNT/DMSO溶液;将清洗后的芳纶纳米纤维ANF、氢氧化钾KOH和二甲基亚砜DMSO混合,密封置于室温下连续搅拌,得到ANF/DMSO溶液。
步骤2、将1.5g的CNT-DMSO溶液加入至50g的ANF/DMSO溶液中,搅拌3.5h,得到ANF/CNT/DMSO溶液;其中,所述CNT/DMSO溶液的质量百分数为1.5%,所述ANF/DMSO溶液的质量百分数为1.5%。
步骤3、利用注射器将所述ANF/CNT/DMSO溶液,以5mm/s的注射速度,注射至混合溶液A中,得到ANF/CNT水凝胶;其中,所述注射器的针头尺寸为1mm;所述混合溶液A采用醋酸溶液、CaCl2溶液及去离子水混合得到;其中,混合溶液A中,醋酸溶液的浓度为1wt%醋酸溶液,CaCl2溶液的浓度为1.5mol/L。
步骤4、将所述ANF/CNT水凝胶浸渍至吡咯溶液中5min后,浸渍至FeCl3溶液中,进行聚合反应5min,得到ANF/CNT/PPy水凝胶;其中,所述吡咯溶液的浓度为75mg/mL,所述FeCl3溶液的浓度为0.5mol/L。
步骤5、将所述ANF/CNT/PPy水凝胶置于真空干燥箱中,进行真空干燥处理,得到ANF/CNT/PPy纳米线材料;其中,真空干燥过程中,真空干燥温度为60℃,真空干燥时间为5h,真空度为0.03MPa。
步骤6、将所述ANF/CNT/PPy纳米线材料作为传感器的敏感材料,制备得到所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器。
试验结果:
对本实施例5中制备的所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器的性能进行检测,所述ANF/CNT/PPy纳米线传感器的断裂强度为230MPa,电导率为3000Sm-1,循环1000次后电流变化率高达85%。
如附图1所示,附图1中给出了制备的ANF/CNT/PPy纳米线材料的截面SEM图;从附图1中可以看出,ANF/CNT/PPy纳米线轴向方向性高,横截面的微观结构为内部致密结构,特定的高取向、致密结构使ANF/CNT/PPy纳米线具有较高的机械强度,且微观形貌图中可以看出其截面的外层包裹了一层聚吡咯PPy,提高了纳米线的导电性。
本发明所述的ANF/CNT/PPy纳米线传感器及其制备方法,芳纶纳米纤维ANF和羧基化碳纳米管CNT的混合溶液注入到混合溶液A中;芳纶纳米纤维ANF被质子化,得到ANF/CNT水凝胶纤维;芳纶纳米纤维ANF经质子化后为纳米线提供基体骨架,羧基化碳纳米管CNT为纳米线内部和外部提供一个导电桥梁的作用;通过浸渍吡咯Py单体,将导电层聚吡咯PPy原位聚合在ANF/CNT水凝胶的表面和内部,通过真空干燥,制备具有双导电网络的ANF/CNT/PPy纳米线材料;所制备的ANF/CNT/PPy纳米线是一种轻质材料的复合导电纤维一种轻质材料,利用其优异的力学性能,当材料在拉伸程度不同时,其导电性也发生相应的趋势变化,上述特性可以用于电阻式传感器方面;由于ANF/CNT/PPy纳米线的体积小,灵敏度高,用于柔性可穿戴设备有较大的优势。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一,本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制,还包括在本发明所公开的技术范围内,任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。