一种具有水传感功能的碳纳米管柔性导电气凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及一种具有水传感功能的碳纳米管柔性导电气凝胶复合高分子材料，具体涉及具有水传感功能且柔性导电的纤维素气凝胶高分子复合材料及其制备方法。

背景技术：

凝胶中脱去溶剂的之后，其内部空间网状结构中充满气体介质，外表呈固体状，这即是干凝胶，也称之为气凝胶。气凝胶作为一种介孔和微孔的结构材料。气凝胶具有低密度(密度范围可在0.003-0.500g/cm-3)，高孔隙率(孔隙率可达到80％-99.8％)，高比表面积(比表面积高达200-1500m2/g)等特点。碳材料的气凝胶在许多方面有广泛的应用，如建筑材料、高效隔热材料、储能器件、航天航空、环境保护、传感器等方面。

纤维素作为自然界储存量最大，分布最广，大自然中分布最广泛的可再生的天然聚合物，是植物细胞壁的主要组成物质。而且它与合成高分子相比较具有无毒，无污染，易于改性，生物相容好等优点。据统计，全球每年合成的纤维素在1010到1011吨，同样被损坏的也接近这个数值。纤维素的来源不仅是植物，还有一部分纤维素是通过微生物合成的细菌纤维素，因此纤维素可以说是一种取之不尽，用之不竭的可再生资源。

碳纳米管作(cnts)是石墨稀片的原子绕其针状轴旋转地空心圆筒，是一维纳米材料。最早在1991年，日本科学家lijima博士，采用电弧放电法在碳纤维中发现多壁碳纳米管(mcnts),之后又发现了单壁碳纳米管(scnts)。因为碳纳米管表现出优异的电学、磁学、力学、热学特性。碳纳米管的c-c键是由sp2杂化而成，是自然界最强的键之一因此具有良好的机械性能，其杨氏模量可到1.2tpa,拉伸强度时钢铁的几百倍，并且能够在力学性能破坏前经受强大应变。与此同时碳纳米管之间的碳原子的sp2杂化，这使得碳原子的p电子可以在碳纳米管表面形成离域的大π键，所以这也同时赋予了碳纳米管具有优异的电学性能，它的电阻率可达到10-6ω*m。特别是在电学和力学方面的应用最为广泛应用，如电磁屏蔽系统、柔性传感电子器件、纳米复合增强材料、太阳能电池等。

目前，碳纳米管气凝胶也是成为近几年来的研究热点。目前有许多的关于碳纳米管的气凝胶材料。其中纯碳纳米管气凝胶(cao,ay,etal.since,2005,310,1307-1310)、合成高分子填充的碳纳米管气凝胶(mateusz,b.b.etal.adv.mater,2007,19.661-664)、石墨稀和碳纳米管复合的气凝胶(cn104495780a)等。但是目前关于碳纳米管和天然高分子纤维素复合的气凝胶鲜有少见。其中在2013年德国科学家采用体相共混的方法，将多壁碳纳米管和纤维素高分子复合制备得到多功能的气凝胶材料(h.qi,etal.j.mater.chem.a1(2013)2161–2168)。但是采用体相共混的方式，需要消耗大量的碳纳米管，特别是在制备高灵敏的传感材料时，因为碳纳米管分散在高分子内部，其电学和力学性能会受到较大的影响。所以我们采用新的制备工艺方法，充分结合碳纳米管优异的电学和力学性能，采用层状共混的制备工艺，将天然高分子纤维素与碳纳米管复合制备得到具有水传感功能的柔性传感导电气凝胶。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种具有水传感功能的碳纳米管柔性导电气凝胶及其制备方法。

本发明目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有水传感功能的碳纳米管柔性导电气凝胶的制备方法该方法是，首先碳纳米管的分散溶液滴涂在载体表面形成导电层，再将天然纤维素活化后溶解得到纤维素高分子溶液，采用层状共混的方式将纤维高分子溶液均匀滴涂在碳纳米管导电层表面得到了复合水凝胶。最后冷冻干燥得到具有水传感功能的碳纳米管柔性导电气凝胶，具体包括以下步骤：

(1)将酸化处理后的碳纳米管分散到有溶剂中，然后将碳纳米管滴涂在玻璃基底上，最后得到的碳纳米管导电层的质量为9-18mg。

步骤(1)所述的溶剂为乙醇、异丙醇或甲醇中的一种溶剂中。

(2)将干燥的天然纤维素浆柏，在高锰酸钾和n,n二甲基乙酰胺的混合溶液中，在100-160℃加热，活化1-2小时，然后抽滤，获得活化的天然纤维素。

(3)将步骤(2)得到的天然纤维素与n,n二甲基乙酰胺和氯化锂的混合溶液，在100-180℃加热，反应时间为2-4小时，再在室温下搅拌16-24小时，得到浓度为5-10mg/ml的纤维素高分子溶液。

将步骤(3)的得到纤维素高分子溶液均匀滴涂在步骤(1)的碳纳米管导电层上，接着用乙醇溶液洗涤纤维素高分子溶液表面，再在水溶液中浸泡18-24小时，得到高分子复合水凝胶。

将步骤(4)制备的高分子复合水凝胶，在-50℃，下冷冻干燥20-24小时，得到碳纳米管柔性导电气凝胶。

本发明与现有的发明相比较的效益：

1、以碳纳米管和天然纤维素浆柏为原料，制备具有水传感功能的碳纳米管柔性导电气凝胶，其原料丰富易得。

2、该工艺方法操作简单，采用层状共混的制备工艺，将可再生纤维素高分子与碳纳米管表面复合，得到了具有水传感功能的碳纳米管柔性导电气凝胶。

3，制备得到的碳纳米管气凝胶具有多孔、柔性的导电性同时还具备水传感效应。

附图说明

图1是本发明制备碳纳米管柔性导电气凝胶的工艺流程图。

图2是碳纳米管柔性导电气凝胶的电阻率和导电性能展示图。

图3是碳纳米管柔性导电气凝胶的扫描电镜图。

图4是碳纳米管柔性导电气凝胶的水传感图。

具体实施方式

如图1所示，一种具有水传感功能的碳纳米管柔性导电气凝胶，由碳纳米管和纤维素高分子复合，层状共混制备得到，充分利用了碳纳米管优异的导电性能和纤维素的多孔柔性的特点相结合。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明

实施例1：

(1)将酸化处理后的碳纳米管分散到乙醇溶剂中，然后将碳纳米管滴涂在玻璃基底上，最后得到的碳纳米管导电层的质量为9mg。

(3)将干燥的天然纤维素浆柏，在高锰酸钾和n,n二甲基乙酰胺的混合溶液中，在160℃加热，搅拌1小时，然后抽滤，获得活化的天然纤维素。

(4)将步骤(2)活化后的天然纤维素与n,n二甲基乙酰胺和氯化锂的混合溶液，在100℃加热，反应时间为2小时，在室温下搅拌24小时，得到浓度为10mg/ml的纤维素高分子溶液。

(5)将2.1ml纤维素高分子溶液均匀滴涂在步骤(1)的碳纳米管导电层上，接着用乙醇溶液洗涤纤维素高分子溶液表面，再在水溶液中浸泡24小时，得到高分子复合水凝胶。

(6)将制备的高分子复合水凝胶，在-50℃，下冷冻干燥20小时，得到碳纳米管柔性导电气凝胶。

制备得到的碳纳米导电气凝胶的电阻率为0.009ohmm,将碳纳米导电气凝胶浸泡在水中在50秒内电阻率增大了1.5倍。

实施例2：

(1)将酸化处理后的碳纳米管分散到乙醇溶剂中，然后将碳纳米管滴涂在玻璃基底上，最后得到的碳纳米管导电层的质量为12mg。

(3)将干燥的天然纤维素浆柏，在高锰酸钾和n,n二甲基乙酰胺的混合溶液中，在160℃加热，搅拌1小时，然后抽滤，获得活化的天然纤维素。

(4)将步骤(2)活化后的天然纤维素与n,n二甲基乙酰胺和氯化锂的混合溶液，在100℃加热，反应时间为2小时，在室温下搅拌24小时，得到浓度为5mg/ml的纤维素高分子溶液。

(5)将1.8ml纤维素高分子溶液均匀滴涂在步骤(1)的碳纳米管导电层上，接着用乙醇溶液洗涤纤维素高分子溶液表面，再在水溶液中浸泡24小时，得到高分子复合水凝胶。

(6)将制备的高分子复合水凝胶，在-50℃，下冷冻干燥20小时，得到碳纳米管柔性导电气凝胶。

制备得到的碳纳米导电气凝胶的电阻率为0.006ohmm,将碳纳米导电气凝胶浸泡在水中在50秒内电阻率增大了3倍。

实施例3：

(1)将酸化处理后的碳纳米管分散到乙醇溶剂中，然后将碳纳米管滴涂在玻璃基底上，最后得到的碳纳米管导电层的质量为18mg。

(3)将干燥的天然纤维素浆柏，在高锰酸钾和n,n二甲基乙酰胺的混合溶液中，在160℃加热，搅拌1小时，然后抽滤，获得活化的天然纤维素。

(4)将步骤(2)活化后的天然纤维素与n,n二甲基乙酰胺和氯化锂的混合溶液，在100℃加热，反应时间为2小时，在室温下搅拌24小时，得到浓度为5mg/ml的纤维素高分子溶液。

(5)将1.2ml纤维素高分子溶液均匀滴涂在步骤(1)的碳纳米管导电层上，接着用乙醇溶液洗涤纤维素高分子溶液表面，再在水溶液中浸泡24小时，得到高分子复合水凝胶。

(6)将制备的高分子复合水凝胶，在-50℃，下冷冻干燥20小时，得到碳纳米管柔性导电气凝胶。

制备得到的碳纳米导电气凝胶的电阻率为0.003ohmm,将碳纳米导电气凝胶浸泡在水中在50秒内电阻率增大了7倍。