CN110240732A - 一种基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法 - Google Patents

一种基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法。包括银纳米粒子的制备与修饰和超疏水导电海绵的制备等步骤。将修饰好的银纳米颗粒与二硫化钨搅拌成均匀溶液，然后海绵浸泡烘干后即可得到超疏水导电海绵。该超疏水导电海绵机械性能优异，导电性好，对水的接触角均大于150°且对于生活中的常见水系液体也具有极好的抗浸润能力。修饰后的导电海绵，可以多次压缩，电流稳定，在水中导电性也很稳定，而且电阻变化与压力成线性关系，所以在压力传感器中有着极大地运用前景。本发明制备工艺简单，原料易得，成本低廉，稳定性强，适合大面积制备和应用，既适用于日常生活中的应用，同时也适用于工业生产等领域。

Description

一种基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快 速制备方法
技术领域
本发明属于智能传感器材料制备技术领域，特别涉及制备超疏水导电海绵，压力与形变的响应的材料，并实现形变信号向电信号的转变。
背景技术
超疏水现象在自然界存在广泛，如荷叶表面、蝴蝶翅膀、水黾腿等。超疏水材料表面对水的接触角大于150°、滚动角小于10°的表面。随着不断地研究发展，超疏水无论在制备和理论研究都取得了巨大的成就。凭借其疏水、自清洁、防腐、防雾、耐腐蚀、抗结冰等优点，超疏水材料在生活中存在巨大的应用前景。
许多导电材料在水中都会失去导电性，严重影响了器件的功能和限制了使用范围。基于二硫化钨和疏水银纳米粒子制备了超疏水的导电海绵。通过利用疏水性聚二甲基硅氧烷(PDMS)将二硫化钨和疏水的银纳米粒子粘结在海绵上，形成了具有良好的超疏水性，机械耐久性，稳定导电性的海绵。超疏水导电海绵电流稳定，可以忍受多次压缩，在水中导电性也很稳定，而且电阻变化与压力成线性关系。所以在压力传感器中有着极大地运用前景，如可以测量水的深度，记录步数等等。
发明内容
本发明的目的是利用简便的方法快速制备出超疏水导电海绵。通过引入二硫化钨和疏水纳米银粒子，超疏水导电海绵电流稳定，可以忍受多次压缩，在水中导电性稳定，而且电阻变化与压力成线性关系。在受到外力刺激下，海绵的形变转化成电信号，从而可以记录外界变化。这一过程可控性强，稳定性高，原料易得，成本低廉，具有较高的实际应用价值。
实现本发明目的的技术方案是：一种基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.银纳米粒子的制备与修饰：首先，柠檬酸钠的水溶液(1wt％,50毫升)，硝酸银(1wt％,12.5毫升)和KI(0.4g/10毫升,0.5毫升)依次添加到去离子水为75毫升的烧杯中搅拌4分钟，此为A溶液；与此同时，225毫升去离子水加入500毫升三颈烧瓶中加热直到沸腾；其次，将抗坏血酸水溶液(0.35g/10ml,2.5ml)加入沸水中，搅拌3分钟后，将溶液A快速倒入沸水中；第三，上述混合溶液在100℃反应90分钟；最后，用去离子水过滤和清洗三次产物，然后在60℃真空干燥箱干燥12h；上述获得的疏水Ag纳米颗粒，取1g的银纳米粒子加入100毫升质量分数为1％的十八硫醇酒精溶液，然后在室温下搅拌24h，过滤并用无水乙醇清洗AgNPs三遍，然后60℃真空下干燥12h，长链烷烃就嫁接到银纳米粒子上，成为疏水粒子；
B.超疏水导电海绵的制备：将一定量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂加入一定量的四氢呋喃(THF))中，然后将一定量的修饰后的银纳米颗粒(M-AgNPs)与二硫化钨(WS2)加入其中，搅拌两个小时得均匀溶液，然后将海绵块体浸泡在上述溶液中，然后放在烘箱中烘干得到超疏水导电海绵。
进一步的，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，四氢呋喃(THF)，修饰后的银纳米颗粒，二硫化钨的配比为：0.6g:10ml:0.04g:0.5g。
进一步的，修饰后的银纳米颗粒也超疏水。
进一步的，所述的制备方法还包括步骤：
C.实验装置设计：将制备好的海绵与电化学工作站的两级相连，从而用电流记录超疏导电水海绵对外界刺激的响应；
D.每次将制备好的海绵压缩一定的距离，然后用万用表测量电阻值；
E.用电化学工作站记录多次压缩后的电流值和记录海绵在受到外力后的电流值。
进一步的，所述的电化学工作站的两级不可触碰到桌面。
进一步的，所述的电化学工作站输出电压为9V，记录的时间间隔为0.05秒。
进一步的，所述的海绵每次压缩3mm。
进一步的，每次压缩时，力要均匀，且大小基本相同。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.工艺简单，原料易得，无毒环保，成本低廉，制备速度快。
2.制备的导电海绵机械性能好，导电性稳定，超疏水。
3.在水中导电性稳定，压力与电阻成线性关系。
4.材料形变程度稳定，适用于循环使用条件。
5.有效地将形变信号转化为方便检测的电信号。
附图说明
图1是实施例1得到超疏水导电海绵的制备流程图和扫描电镜图，a是制备流程图，b是纯海绵在500倍下的电镜图，e是b对应3000倍电镜图，c是只有聚二甲基硅氧烷(PDMS)修饰的海绵在300倍下的电镜图，f是c对应2000倍电镜图，d是超疏水海绵在300倍下的电镜图，g是d对应2000倍电镜图。
图2是实施例2得到的超疏水导电海绵导电示意图和在水中导电性依然稳定的图，a是海绵在压缩和自然状态下电子流通的示意图，b是海绵在水中导电性稳定的图。
图3是实施例3得到的不同含量二硫化钨和聚二甲基硅氧烷超疏水导电海绵的电阻率和接触角图，a是电阻率图，b是接触角图。
图4是实施例4得到的不同超疏水导电海绵电阻率与距离的线性关系图，a是受压海绵后距离与电阻变化的实物图，b是两个聚二甲基硅氧烷含量不同的电阻率与距离的线性关系图，(P2-3，P3-3)，C是测量海水深度的概念图。
图5是实施例5得到的超疏水导电海绵在均匀受力下的电流变化和机械性能测试，a是导电海绵在实际运用中用来计步的示意图，b，c是两个聚二甲基硅氧烷含量不同的导电海绵在均匀受压后的电流变化，d是两个聚二甲基硅氧烷含量不同的导电海绵在经过多次压缩后的电流图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
实施例1：
A.银纳米粒子的制备与修饰：首先，柠檬酸钠的水溶液(1wt％,50毫升)，硝酸银(1wt％,12.5毫升)和KI(0.4g/10毫升,0.5毫升)依次添加到去离子水为75毫升的烧杯中搅拌4分钟，此为A溶液。与此同时，225毫升去离子水加入500毫升三颈烧瓶中加热直到沸腾。其次，将抗坏血酸水溶液(0.35g/10ml,2.5ml)加入沸水中，搅拌3分钟后，将溶液A快速倒入沸水中。第三，上述混合溶液在100℃反应90分钟。最后，用去离子水过滤和清洗三次产物，然后在60℃真空干燥箱干燥12h。上述获得的疏水Ag纳米颗粒，取1g的银纳米粒子加入100毫升质量分数为1％的十八硫醇酒精溶液，然后在室温下搅拌24h。过滤并用无水乙醇清洗银纳米粒子三遍，然后60℃真空下干燥12h。长链烷烃就嫁接到银纳米粒子上，成为疏水粒子。
B.超疏水导电海绵的制备：将0.6g聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂加入10ml的四氢呋喃(THF))中，搅拌至均匀溶液。然后将海绵块体浸泡在上述溶液中，然后放在120℃烘箱中烘干得到PDMS海绵；将0.6g聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂加入10ml的四氢呋喃(THF))中，然后将0.04g修饰后的银纳米颗粒(M-AgNPs)与0.5g二硫化钨(WS2)加入其中，搅拌两个小时得均匀溶液。然后将体积为1.5*1.5*1.5的海绵块体浸泡在上述溶液中，放在120℃烘箱中烘干得到超疏水导电海绵。
实施例2：
A.银纳米粒子的制备与修饰：首先，柠檬酸钠的水溶液(1wt％,50毫升)，硝酸银(1wt％,12.5毫升)和KI(0.4g/10毫升,0.5毫升)依次添加到去离子水为75毫升的烧杯中搅拌4分钟，此为A溶液。与此同时，225毫升去离子水加入500毫升三颈烧瓶中加热直到沸腾。其次，将抗坏血酸水溶液(0.35g/10ml,2.5ml)加入沸水中，搅拌3分钟后，将溶液A快速倒入沸水中。第三，上述混合溶液在100℃反应90分钟。最后，用去离子水过滤和清洗三次产物，然后在60℃真空干燥箱干燥12h。上述获得的疏水Ag纳米颗粒，取1g的银纳米粒子加入100毫升质量分数为1％的十八硫醇酒精溶液，然后在室温下搅拌24h。过滤并用无水乙醇清洗银纳米粒子三遍，然后60℃真空下干燥12h。长链烷烃就嫁接到银纳米粒子上，成为疏水粒子。
B.超疏水导电海绵的制备：将0.6g聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂加入10ml的四氢呋喃(THF))中，然后将0.04g修饰后的银纳米颗粒(M-AgNPs)与0.5g二硫化钨(WS2)加入其中，搅拌两个小时得均匀溶液。然后将体积为1.5*1.5*1.5的海绵块体浸泡在上述溶液中，放在120℃烘箱中烘干得到超疏水导电海绵。
实施例3：
A.银纳米粒子的制备与修饰：首先，柠檬酸钠的水溶液(1wt％,50毫升)，硝酸银(1wt％,12.5毫升)和KI(0.4g/10毫升,0.5毫升)依次添加到去离子水为75毫升的烧杯中搅拌4分钟，此为A溶液。与此同时，225毫升去离子水加入500毫升三颈烧瓶中加热直到沸腾。其次，将抗坏血酸水溶液(0.35g/10ml,2.5ml)加入沸水中，搅拌3分钟后，将溶液A快速倒入沸水中。第三，上述混合溶液在100℃反应90分钟。最后，用去离子水过滤和清洗三次产物，然后在60℃真空干燥箱干燥12h。上述获得的疏水Ag纳米颗粒，取1g的银纳米粒子加入100毫升质量分数为1％的十八硫醇酒精溶液，然后在室温下搅拌24h。过滤并用无水乙醇清洗银纳米粒子三遍，然后60℃真空下干燥12h。长链烷烃就嫁接到银纳米粒子上，成为疏水粒子。
B.超疏水导电海绵的制备：将质量分别为0.2g、0.4g、0.6g、0.8g的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂加入10ml的四氢呋喃(THF))中，然后将0.04g修饰后的银纳米颗粒(M-AgNPs)与质量分别为0.1、0.3/0.5/0.7二硫化钨(WS2)加入其中，搅拌两个小时得均匀溶液。然后将体积为1.5*1.5*1.5的海绵块体浸泡在上述不同含量溶液中，放在120℃烘箱中烘干得到超疏水导电海绵。
C.测量电阻率和接触角：将上述制备的海绵分别测量电阻值，并计算电阻率；将上述制备的海绵分别测量接触角，最后制成柱状图。
实施例4：
A.银纳米粒子的制备与修饰：首先，柠檬酸钠的水溶液(1wt％,50毫升)，硝酸银(1wt％,12.5毫升)和KI(0.4g/10毫升,0.5毫升)依次添加到去离子水为75毫升的烧杯中搅拌4分钟，此为A溶液。与此同时，225毫升去离子水加入500毫升三颈烧瓶中加热直到沸腾。其次，将抗坏血酸水溶液(0.35g/10ml,2.5ml)加入沸水中，搅拌3分钟后，将溶液A快速倒入沸水中。第三，上述混合溶液在100℃反应90分钟。最后，用去离子水过滤和清洗三次产物，然后在60℃真空干燥箱干燥12h。上述获得的疏水Ag纳米颗粒，取1g的银纳米粒子加入100毫升质量分数为1％的十八硫醇酒精溶液，然后在室温下搅拌24h。过滤并用无水乙醇清洗银纳米粒子三遍，然后60℃真空下干燥12h。长链烷烃就嫁接到银纳米粒子上，成为疏水粒子。
B.超疏水导电海绵的制备：将0.4g(P2-3)和0.6g(P3-3)聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂分别加入10ml的四氢呋喃(THF))中，然后将0.04g修饰后的银纳米颗粒(M-AgNPs)与0.5g二硫化钨(WS2)加入其中，搅拌两个小时得均匀溶液。然后将体积为2.1cm*2.1cm*2.1cm的海绵块体浸泡在上述溶液中，分别得到p2-3和P2-4放在120℃烘箱中烘干得到超疏水导电海绵。
C.电阻与压缩距离的线性测试：将上述制备的海绵从21mm压缩到6mm，每次压缩3mm，然后测量电阻值并计算成电阻率。最后绘制成折线图。
实施例5：
A.实验装置设计：将制备好的海绵与电化学工作站的两级相连，输出电压9V，记录时间间隔0.05s，从而用电流记录超疏导电水海绵对外界刺激的响应
B.银纳米粒子的制备与修饰：首先，柠檬酸钠的水溶液(1wt％,50毫升)，硝酸银(1wt％,12.5毫升)和KI(0.4g/10毫升,0.5毫升)依次添加到去离子水为75毫升的烧杯中搅拌4分钟，此为A溶液。与此同时，225毫升去离子水加入500毫升三颈烧瓶中加热直到沸腾。其次，将抗坏血酸水溶液(0.35g/10ml,2.5ml)加入沸水中，搅拌3分钟后，将溶液A快速倒入沸水中。第三，上述混合溶液在100℃反应90分钟。最后，用去离子水过滤和清洗三次产物，然后在60℃真空干燥箱干燥12h。上述获得的疏水Ag纳米颗粒，取1g的银纳米粒子加入100毫升质量分数为1％的十八硫醇酒精溶液，然后在室温下搅拌24h。过滤并用无水乙醇清洗银纳米粒子三遍，然后60℃真空下干燥12h。长链烷烃就嫁接到银纳米粒子上，成为疏水粒子。
C.超疏水导电海绵的制备：将0.4g和0.6g聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂分别加入10ml的四氢呋喃(THF))中，然后将0.04g修饰后的银纳米颗粒(M-AgNPs)与0.5g二硫化钨(WS2)加入其中，搅拌两个小时得均匀溶液。然后将体积为2.1cm*2.1cm*2.1cm的海绵块体浸泡在上述溶液中，放在120℃烘箱中烘干得到超疏水导电海绵。
D.均匀受压下的电位变化和机械性能测试：将上述制备的超疏水海绵在均匀施压，记录电位变化。可见在均匀施压下，电位成波形变化。每压缩200次，测一次电流和接触角。
本发明将修饰好的银纳米颗粒与二硫化钨搅拌成均匀溶液，然后海绵浸泡烘干后即可得到超疏水导电海绵。该超疏水导电海绵机械性能优异，导电性好，对水的接触角均大于150°且对于生活中的常见水系液体也具有极好的抗浸润能力。修饰后的导电海绵，可以多次压缩，电流稳定，在水中导电性也很稳定，而且电阻变化与压力成线性关系。所以在压力传感器中有着极大地运用，如可以进行水深度的测试，记录步数等等。本发明制备工艺简单，原料易得，成本低廉，稳定性强，适合大面积制备和应用，既适用于日常生活中的应用，同时也适用于工业生产等领域。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.银纳米粒子的制备与修饰：首先，柠檬酸钠的水溶液(1wt％,50毫升)，硝酸银(1wt％,12.5毫升)和KI(0.4g/10毫升,0.5毫升)依次添加到去离子水为75毫升的烧杯中搅拌4分钟，此为A溶液；与此同时，225毫升去离子水加入500毫升三颈烧瓶中加热直到沸腾；其次，将抗坏血酸水溶液(0.35g/10ml,2.5ml)加入沸水中，搅拌3分钟后，将溶液A快速倒入沸水中；第三，上述混合溶液在100℃反应90分钟；最后，用去离子水过滤和清洗三次产物，然后在60℃真空干燥箱干燥12h；上述获得的疏水Ag纳米颗粒，取1g的银纳米粒子加入100毫升质量分数为1％的十八硫醇酒精溶液，然后在室温下搅拌24h，过滤并用无水乙醇清洗AgNPs三遍，然后60℃真空下干燥12h，长链烷烃就嫁接到银纳米粒子上，成为疏水粒子；
B.超疏水导电海绵的制备：将一定量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂加入一定量的四氢呋喃(THF))中，然后将一定量的修饰后的银纳米颗粒(M-AgNPs)与二硫化钨(WS2)加入其中，搅拌两个小时得均匀溶液，然后将海绵块体浸泡在上述溶液中，然后放在烘箱中烘干得到超疏水导电海绵。
2.如权利要求1所述的基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法，其特征在于，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，四氢呋喃(THF)，修饰后的银纳米颗粒，二硫化钨的配比为：0.6g:10ml:0.04g:0.5g。
3.如权利要求1所述的基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法，其特征在于，修饰后的银纳米颗粒也超疏水。
4.如权利要求1所述的基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法，其特征在于，还包括步骤：
C.实验装置设计：将制备好的海绵与电化学工作站的两级相连，从而用电流记录超疏导电水海绵对外界刺激的响应；
D.每次将制备好的海绵压缩一定的距离，然后用万用表测量电阻值；
E.用电化学工作站记录多次压缩后的电流值和记录海绵在受到外力后的电流值。
5.如权利要求4所述的基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法，其特征在于，电化学工作站的两级不可触碰到桌面。
6.如权利要求4所述的基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法，其特征在于，电化学工作站输出电压为9V，记录的时间间隔为0.05秒。
7.如权利要求4所述的基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法，其特征在于，海绵每次压缩3mm。
8.如权利要求4所述的基于二硫化钨和疏水银纳米粒子的超疏水导电海绵的快速制备方法，其特征在于，每次压缩时，力要均匀，且大小基本相同。
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