CN103626160A - 一种甲基磺酸化石墨烯材料及其制备方法和光感应开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯溶于水中，搅拌均匀制成0.005～1mol/L的氧化石墨烯悬浮液；(2)往氧化石墨烯悬浮液中加入硝酸并缓慢加热到80～88℃，加入硫酸氰甲酯后控制溶液温度为120～130℃，反应3～5小时，反应结束后进行清洗和过滤，得到甲基磺酸化石墨烯材料。本发明还提供了通过该制备方法得到的甲基磺酸化石墨烯材料及由其作为光敏元件的光感应开关。本发明制备方法工艺简单，原料廉价易得，所制备的甲基磺酸化石墨烯材料无毒环保，质地均匀，光敏性好，可用于制备光感应开关的光敏元件，并且无须借助电路转换元件。

Description

一种甲基磺酸化石墨烯材料及其制备方法和光感应开关

技术领域

本发明涉及石墨烯材料合成领域，尤其是一种甲基磺酸化石墨烯材料及其制备方法和光感应开关。

背景技术

石墨烯是一种碳原子之间呈六角环形排列的二维片状体，2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等人首次发现。石墨烯材料具有良好的光电性质，而且廉价易得，是一种良好的光敏材料前驱体。

光敏材料是制作光感应开关必不可少的元件，目前市面上光敏材料一般是光敏电阻，光敏电阻受光后，自身阻值下降，使得电路连通。光敏电阻可靠性好、体积小、灵敏度高，广泛应用于家居办公照明、电机及电器等各个领域的电路控制系统中。但是，光敏电阻一般由有毒金属(如硫化镉)制成，成本高，且易对环境和人体产生较大的危害；另外，光敏电阻的阻值与光照强度成反比，光照强时阻值小，电路开启。但在许多实际应用时，比如照明，光照强时，我们并不需要开启电路，因而在实际应用时光敏电阻不能独立控制电路的开关，必须在电路中再连接继电器或二极管等电路转换元件，这就使得电路成本进一步提高，同时也给电路引入了更多的不稳定因素。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种甲基磺酸化石墨烯材料及其制备方法，所述甲基磺酸化石墨烯材料经济环保、灵敏度高，可用于制备光感应开关的光敏元件，并且无须借助电路转换元件，所述制备方法工艺条件简单，适于工业化生产。本发明还提供了由该甲基磺酸化石墨烯材料作为光敏元件的光感应开关。

第一方面，本发明提供了一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯溶于水中，搅拌均匀制成0.005～1mol/L的氧化石墨烯悬浮液；

(2)往氧化石墨烯悬浮液中加入硝酸并缓慢加热到80～88℃，加入硫酸氰甲酯后控制溶液温度为120～130℃，反应3～5小时，反应结束后进行清洗和过滤，得到甲基磺酸化石墨烯材料。

优选地，步骤(1)所述的水为去离子水。

优选地，步骤(1)所述的氧化石墨烯悬浮液浓度为0.005～0.01mol/L。

更优选地，所述氧化石墨烯悬浮液浓度为0.006mol/L。

优选地，步骤(2)所述的硝酸，浓度为60％～90％，按质量比0.5～1∶1000的比例加入到所述氧化石墨烯悬浮液中。

优选地，步骤(2)所述的硫氰酸甲酯为固态，按质量比0.1～0.5∶1000的比例分3～5次加入到所述氧化石墨烯悬浮液中。硫氰酸甲酯具较高危险特性，受高热迅速分解并产热，分次加入可缓和反应，防止发生危险。

优选地，步骤(2)所述清洗和过滤，先将溶液中的上清液倒去，然后往沉淀中加入甲醇进行清洗，过滤后再用水清洗。

优选地，所述制备方法还包括将过滤得到的甲基磺酸化石墨烯材料进行干燥，从而更有利于其保存。

本发明以廉价易得的氧化石墨烯为原料，通过对石墨烯进行甲基磺酸化，提高了其的光敏特性，原料成本低，工艺简单，适合大规模的工厂化生产。

第二方面，本发明提供了一种甲基磺酸化石墨烯材料，所述甲基磺酸化石墨烯材料通过上述制备方法制得。

本发明制得的甲基磺酸化石墨烯材料，无毒环保，质地均匀，光敏性好。

第三方面，本发明提供了一种光感应开关，包括开关基体与光敏元件，所述开关基体包括外壳，固定在外壳内部且相互分离的一号铜板与二号铜板，固定在一号铜板上且与二号铜板形成弹性接触的铜片，分别连接一号铜板和二号铜板的电源线；

所述光敏元件固定在所述外壳内部，所述光敏元件感光伸长可推动所述铜片与所述二号铜板接触；所述光敏元件是由权利要求8所述的甲基磺酸化石墨烯材料按5～20∶1的比例加入明胶，混合后风干最后压制而成的。

优选地，所述光敏元件是由权利要求8所述的甲基磺酸化石墨烯材料按10～15∶1的比例加入明胶，混合后风干最后压制而成的。

本发明在甲基磺酸化石墨烯材料中加入明胶制成光敏元件，将其应用在光感应开关上，制作石墨烯光感应开关。所述光敏元件在日光照射下处于收缩状态，当环境光照强度低于5lx时，光敏元件整体伸长并触发开关，使得电路接通，而当环境光照强度增大时，光敏元件逐渐收缩，松开触点，使电路断开，结构简单，无须借助电路转换元件，灵敏度高。

本发明提供的一种甲基磺酸化石墨烯材料及其制备方法与应用，具有以下有益效果：

(1)以氧化石墨烯为原料，通过对石墨烯进行甲基磺酸化，提高了其的光敏特性，原料简单易得，制备工艺简单，适合工业化生产；

(2)经过甲基磺酸化处理，石墨烯材料的分散性进一步提高，所制备的甲基磺酸化石墨烯材料，无毒环保，质地均匀，光敏性好；

(3)以甲基磺酸化石墨烯材料为原料，制备甲基磺酸化石墨烯光敏元件，应用到光感应开关上，制作石墨烯光感应开关，结构简单，灵敏度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例三所制备的石墨烯光感应开关的结构示意图；

图2是本发明实施例四所制备的石墨烯光感应开关的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯溶于水中，搅拌均匀制成0.005～1mol/L的氧化石墨烯悬浮液；

(2)往氧化石墨烯悬浮液中加入硝酸并缓慢加热到80～88℃，加入硫酸氰甲酯后控制溶液温度为120～130℃，反应3～5小时，反应结束后进行清洗和过滤，得到甲基磺酸化石墨烯材料。

步骤(1)所述的水为去离子水。

步骤(1)所述的氧化石墨烯悬浮液浓度为0.005～0.01mol/L。

所述氧化石墨烯悬浮液浓度为0.006mol/L。

步骤(2)所述的硝酸，浓度为60％～90％，按质量比0.5～1∶1000的比例加入到所述氧化石墨烯悬浮液中。

步骤(2)所述的硫氰酸甲酯为固态，按质量比0.1～0.5∶1000的比例分3～5次加入到所述氧化石墨烯悬浮液中。硫氰酸甲酯具较高危险特性，受高热迅速分解并产热，分次加入可缓和反应，防止发生危险。

步骤(2)所述清洗和过滤，先将溶液中的上清液倒去，然后往沉淀中加入甲醇进行清洗，过滤后再用水清洗。

所述制备方法还包括将过滤得到的甲基磺酸化石墨烯材料进行干燥，从而更有利于其保存。

本发明以廉价易得的氧化石墨烯为原料，通过对石墨烯进行甲基磺酸化，提高了其的光敏特性，原料成本低，工艺简单，适合大规模的工厂化生产。

本发明还提供了一种甲基磺酸化石墨烯材料，所述甲基磺酸化石墨烯材料通过上述制备方法制得。

本发明制得的甲基磺酸化石墨烯材料，无毒环保，质地均匀，光敏性好。

此外，本发明还提供了一种光感应开关，包括开关基体与光敏元件，所述开关基体包括外壳，固定在外壳内部且相互分离的一号铜板与二号铜板，固定在一号铜板上且与二号铜板形成弹性接触的铜片，分别连接一号铜板和二号铜板的电源线；

所述光敏元件固定在所述外壳内部，所述光敏元件感光伸长可推动所述铜片与所述二号铜板接触；所述光敏元件是由权利要求8所述的甲基磺酸化石墨烯材料按5～20∶1的比例加入明胶，混合后风干最后压制而成的。

所述光敏元件是由权利要求8所述的甲基磺酸化石墨烯材料按10～15∶1的比例加入明胶，混合后风干最后压制而成的。

本发明在甲基磺酸化石墨烯材料中加入明胶制成光敏元件，将其应用在光感应开关上，制作石墨烯光感应开关。所述光敏元件在日光照射下处于收缩状态，当环境光照强度低于5lx时，光敏元件整体伸长并触发开关，使得电路接通，而当环境光照强度增大时，光敏元件逐渐收缩，松开触点，使电路断开，结构简单，无须借助电路转换元件，灵敏度高。

实施例一

一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取0.5克的氧化石墨加入到装有1L去离子水的烧杯中，将烧杯放置在超声清洗仪里超声30分钟，制得氧化石墨烯悬浮液；

(2)往氧化石墨烯悬浮液中加入0.5克60％的硝酸并缓缓加热至88℃，分3次加入0.1克硫氰酸甲酯，温度自动上升至108℃，然后将烧杯置于PTC陶瓷加热器上，继续加热至130℃，反应3小时；反应结束后将溶液静置，自动冷却至室温后倒去上清液，加入100mL甲醇，混合均匀后静置5分钟，倒去上清液后再加入200mL去离子水清洗2遍，然后将溶液倒在滤纸上，滤得甲基磺酸化石墨烯材料。

实施例二

一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取2克氧化石墨加入到装有1L蒸馏水的烧杯中，将烧杯放置在搅拌机上搅拌60分钟，制得氧化石墨烯悬浮液；

(2)往氧化石墨烯悬浮液中加入1克90％的硝酸并缓缓加热至80℃，分5次加入0.5克硫氰酸甲酯，温度自动上升至103℃后，将烧杯置于电热炉上加热，维持温度在120～130℃在，反应5小时；反应结束后将溶液自动冷却至室温，倒去上清液后加入200mL甲醇，混合均匀后静置5分钟，倒去上清液后再用400mL蒸馏水清洗1遍，用滤纸滤取沉淀得到甲基磺酸化石墨烯材料。

将过滤得到的甲基磺酸化石墨烯材料摊开，置于阴凉通风处自然风干，干燥后装罐保存。

实施例三

一种光感应开关，包括开关基体与光敏元件；

所述开关基体包括外壳，固定在外壳内部且相互分离的一号铜板与二号铜板，固定在一号铜板上且与二号铜板形成弹性接触的铜片，分别连接一号铜板和二号铜板的电源线；所述光敏元件固定在所述外壳内部，所述光敏元件感光伸长可推动所述铜片与所述二号铜板接触；所述光敏元件是由实施例一所制备的甲基磺酸化石墨烯材料按5∶1的比例加入明胶，混合后风干最后压制而成的。

下面结合附图说明对本实施例制得的光感应开关作进一步描述。

请参考图1，一种光感应开关，包括外壳1、光敏元件2、一号铜板3、二号铜板4、弹性可弯曲的铜片5、电源线6。

其中，外壳1为中空的长方体玻璃箱，箱体左右两个侧面底部设有线孔。

其中，一号铜板3为长方形导电板，安装在外壳1内部底面的左端。

其中，二号铜板4也为长方形导电板，厚度比一号铜板3小，安装在外壳1内部底面的右端，并不直接与一号铜板3接触。

其中，铜片5为长方形导电片，左端平行焊接到一号铜板3顶面上，右端延伸到二号铜板4的上方，由于二号铜板4的厚度比一号铜板3的厚度小，铜片5在自然条件下不与二号铜板4相接触。

其中，电源线6共有两根，分别穿插在外壳1左右两个侧面底部的线孔中，电源线6与外壳1的接触部位用环氧树脂密封，从而保证外壳1内部为密闭空间，可防止外部湿气与氧分对箱内部件的侵蚀；两根电源线6分别与一号铜板3和二号铜板4相连接，用于将所述石墨烯光感应开关连接到外部电路上；

其中，光敏元件2为长方体条状物，顶端安装到外壳1的顶面，并位于铜片5右端的正上方，光敏元件2在日光照射下处于收缩状态，其底面与铜片5的顶面之间有1mm的缝隙；当环境光照强度低于5lx时，光敏元件2整体伸长并将铜片5压弯，使得铜片5与二号铜板4相接触，使得一号铜板3与二号铜板4相连通，进而将电路连通；而当环境光照强度增大时，光敏元件2逐渐收缩，松开铜片5，铜片5因弹性作用与二号铜板4分离，电路因此断开。

其中，所述光敏元件的具体制备过程为：将实施例一所得到的甲基磺酸化石墨烯材料按质量比为20∶1的比例加入工业明胶，放入低温风干机中，10℃下风干48小时，干燥后压制成尺寸为20mm*10mm*3mm的光敏元件。

本实施例所述光敏元件的性能参数如表1。其中适温范围指的是所述光敏元件可工作的环境温度范围；灵敏度指的是能引起所述光敏元件长度变化0.1mm所需要的光照强度变化值；线膨胀率指的是光照强度变化1lx时所述光敏元件长度的变化值；最大伸长量指的是所述光敏元件受光后的最大变化量。结果表明，本实施例甲基磺酸化石墨烯光敏元件灵敏度高达0.1lx，线膨胀率高，可在-30～120℃条件下发挥作用。

表1本发明实施例制备的光敏元件的性能参数表。

适温范围(℃)	灵敏度(lx)	线膨胀率(mm/lx)	最大伸长量(mm)
				-30～120	0.1	0.1	3

实施例四

一种光感应开关，包括开关基体与光敏元件；

所述开关基体包括外壳，固定在外壳内部且相互分离的一号铜板与二号铜板，固定在一号铜板上且与二号铜板形成弹性接触的铜片，分别连接一号铜板和二号铜板的电源线；所述光敏元件固定在所述外壳内部，所述光敏元件感光伸长可推动所述铜片与所述二号铜板接触；所述光敏元件是由实施例一所制备的甲基磺酸化石墨烯材料按5∶1的比例加入明胶，混合后风干最后压制而成的。

下面结合附图说明对本实施例制得的光感应开关作进一步描述。

请参考图2，一种光感应开关，包括外壳1、光敏元件2、一号铜板3、二号铜板4、弹性可弯曲的铜片5、电源线6。

其中，外壳1为中空的长方体透明塑料箱，箱体左右两个侧面底部设有线孔，线孔孔径与电源线6外径相等，保证插入电源线6后箱体密封，可防止外部湿气与氧分对箱内部件的侵蚀。

其中，一号铜板3为长方形导电板，安装在外壳1内部底面的左端。

其中，二号铜板4也为长方形导电板，厚度与一号铜板3相同，安装在玻璃外壳1内部底面的右端，且不直接与一号铜板3接触。

其中，铜片5为长方形导电片，左端倾斜焊接到一号铜板3的顶面上，倾斜角度为10°，铜片5的右端延伸到二号铜板4的上方，由于铜片5为倾斜安装，因此在自然条件下不与二号铜板4相接触。

其中，电源线6共两根，穿插在玻璃外壳1左右两个侧面底部的线孔中，并分别与一号铜板3和二号铜板4相连接，用于将所述石墨烯光感应开关连接到外部电路上；

其中，光敏元件2为圆柱体，顶端安装到玻璃外壳1的顶面，底端刚好触碰到铜片5右端；当环境光照强度低于5lx时，光敏元件2整体伸长并将铜片5压弯，使得铜片5与二号铜板4相接触，使得一号铜板3与二号铜板4相连通，进而将电路连通；而当环境光照强度增大时，光敏元件2逐渐收缩，松开铜片5，铜片5因弹性作用与二号铜板4分离，电路因此断开。

其中，所述光敏元件2的具体制备过程为：将实施例一制得的甲基磺酸化石墨烯材料倒入烧杯中，按质量比为5∶1的比例加入工业明胶，混合均匀后倒在滤纸上，放在阴凉下晾干72小时，最后放入挤压成形机中制成直径3mm长30mm的圆柱状光敏元件2。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯溶于水中，搅拌均匀制成0.005～1mol/L的氧化石墨烯悬浮液；

(2)往氧化石墨烯悬浮液中加入硝酸并缓慢加热到80～88℃，加入硫酸氰甲酯后控制溶液温度为120～130℃，反应3～5小时，反应结束后进行清洗和过滤，得到甲基磺酸化石墨烯材料。

2.根据权利要求1所述的一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的水为去离子水。

3.根据权利要求1所述的一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的氧化石墨烯悬浮液浓度为0.005～0.01mol/L。

4.根据权利要求1所述的一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的硝酸，浓度为60％～90％，按质量比0.5～1∶1000的比例加入到所述氧化石墨烯悬浮液中。

5.根据权利要求1所述的一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的硫氰酸甲酯为固态，按质量比0.1～0.5∶1000的比例分3～5次加入到所述氧化石墨烯悬浮液中。

6.根据权利要求1所述的一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的清洗和过滤为，先将溶液中的上清液倒去，然后往沉淀中加入甲醇进行清洗，过滤后再用水清洗。

7.根据权利要求1所述的一种甲基磺酸化石墨烯材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括将过滤得到的甲基磺酸化石墨烯材料进行干燥。

8.一种甲基磺酸化石墨烯材料，其特征在于，所述甲基磺酸化石墨烯材料是通过权利要求1～7中任意一项所述的方法制备的。

9.一种光感应开关，其特征在于，包括开关基体与光敏元件，所述开关基体包括外壳，固定在外壳内部且相互分离的一号铜板与二号铜板，固定在一号铜板上且与二号铜板形成弹性接触的铜片，分别连接一号铜板和二号铜板的电源线；

所述光敏元件固定在所述外壳内部，所述光敏元件感光伸长可推动所述铜片与所述二号铜板接触；所述光敏元件是由权利要求8所述的甲基磺酸化石墨烯材料按5～20∶1的比例加入明胶，混合后风干最后压制而成的。

10.根据权利要求9所述的一种光感应开关，其特征在于，所述光敏元件是由权利要求8所述的甲基磺酸化石墨烯材料按10～15∶1的比例加入明胶，混合后风干最后压制而成的。

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