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各種基于石墨烯和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 復合材料的緊湊型可穿戴設備的加工和應用
來源:360+改 作者:強力化工 發布時間:2023-06-25 11:30 閱讀次數:1012
       近年來,石墨烯因其厚度最小、透明、熱導率和電導率高、機械強度高、長徑比高、重量輕以及對各種功能化的良好控制而成為最受關注的納米電子器件材料。

此外,它有效地取代了早期基于大型集成電路(IC)的傳感器,這些傳感器大多是帶有硅襯底或矩陣的半導體,以及沉積在其上的導電金屬納米顆粒,以形成連續的導電路徑。然而,原始石墨烯的零帶隙可調性使其不同于半導體。有幾種方法可以打開多層石墨烯及其復合材料的帶隙。


       多功能石墨烯和聚二甲基硅氧烷復合材料的制備方法包括以下工藝步驟:

1.泡沫石墨烯成型:以一定尺寸的泡沫銅為模板,做成所需的泡沫石墨烯形狀,水平放入石英管中,通過化學氣相沉積法在泡沫銅金屬模板上制備出泡沫石墨烯;

2.泡沫石墨烯轉移:將上面所制得的泡沫石墨烯用PDMS有機溶液包覆,放入石英管中抽真空,烘干后放入一定濃度的過硫酸銨——(NH4)2S2O8溶劑中將泡沫銅溶出,清洗,烘干后得到由PDMS包覆和固定的,透明導電的有孔三維泡沫石墨烯復合材料,再將PDMS有機溶劑填充進泡沫石墨烯三維材料中,放入石英管中抽真空,烘干后可得到透明,導電,柔性可延展的無孔泡沫石墨烯復合材料。

       柔性是可穿戴電子設備的另一個理想特性,可以通過加入聚合物來實現。聚合物如PDMS、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚酰亞胺(PI)廣泛用于需要高柔性和機械性能的產品中。

此外,還有一些導電聚合物,例如聚苯胺(PANI)、聚乙炔(PA)、聚吡咯(PPy)和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS),它們需要極少量甚至不需要金屬納米顆粒來形成導電通路。

在上述聚合物中,聚二甲基硅氧烷(PDMS)性質相似,兩者都具有化學惰性、光學透明、疏水性,且大多具有生物相容性,因此PDMS與石墨烯形成復合材料的材料。此外,已知PDMS與納米填料形成強界面結合。這些復合材料可以為目前可用的健康手環、葡萄糖傳感器和智能手表增加新的維度,用于監測人體生理狀態的響應性和準確性。



01、石墨烯的納米粉體

      納米粉末形式的石墨烯保持了其優異的離子承載能力。此外,粉末石墨烯可以在不破壞其導電網絡的情況下,利用其襯底的高柔韌性進行調節。激光誘導多功能石墨烯粉末可沉積在柔性PDMS/PI基底上,制成血糖傳感電化學傳感器。同樣,帶有石墨烯納米粉的超彈性波紋PDMS基板也用于柔性應變傳感器。波紋PDMS基板在應變下的拉伸和擠壓會影響石墨烯粉末網絡的導電性。擠壓會增加電阻,而拉伸會降低電阻。

02、還原氧化石墨烯(rGO)

      還原氧化石墨烯(rGO)比原始石墨烯便宜,但在相似特性上差別很小。使用rGO的優勢在于其高比表面積,這在基于吸收的傳感應用中至關重要。表面積越大,目標化學品或氣體的吸收量越高。這將提高測量值的精確度、線性度和循環穩定性。

       此外,它還可以引入更多的二次傳感材料,從而增強其多功能化能力。使用沉積在碳納米管(CNT)和PDMS復合基底上的rGO涂層二氧化硅(SiO2)納米球、葡萄糖氧化物和Nafion溶液檢測汗液中的葡萄糖?;瘜W電阻氣體傳感器由rGO和氧化鋅(ZnO)納米棒制成。

03、石墨烯納米片(GNP)

      石墨烯納米片GNP的尺寸小于一微米,平均密度在0.2到0.4 g/cm3之間。與石墨烯納米粉相比,GNP的尺寸更大,因此具有很高的穩健性和重復性。GNP/聚己內酯(PCL)混合物與PDMS掩蔽用于乙醇蒸汽的化學電阻檢測。GNPs、鉑納米顆粒(Pt NPs)和硅橡膠復合材料可用作聚合物電解質膜燃料電池催化劑。

04、石墨烯量子點(GQD)

       石墨烯量子點GQD是尺寸小于100nm的石墨烯納米顆粒?;贕QDs/PDMS的傳感器用于量化卵巢癌生物標記物CA-125抗原。這些傳感器由帶有3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)功能化GQDs層的氨基修飾玻璃芯片組成,GQDs層使用化學發光共振能量轉移過程捕獲CA-125抗原的抗體。

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