CN111748112B - 一种石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料集成及传感器领域，具体为一种石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法。首先，将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路。然后，将铜箔投入天然胶乳中，反复进行蘸提干燥。将载有石墨烯的铜箔电路放到刻蚀液中，静态溶解掉铜箔后，刻蚀液底部通入不溶于水的有机溶剂，形成有机相层托举起透明的石墨烯电路膜。将刻蚀液从底部放掉，反复从底部充放混合溶液进行置换清洗。最后，通入天然胶乳，反复进行蘸提、干燥，形成石墨烯电路与胶乳的复合集成。该方法可以实现石墨烯高灵敏传感电路无损的集成在乳胶高分子膜内，该产品具有超薄、高灵敏度、生物安全度高等特点。

Description

一种石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法
技术领域
本发明涉及材料集成及传感器领域，具体为一种石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法。
背景技术
胶乳作为胶黏剂的基料，特点是固含量高、成膜性好，可随意调节黏度。高分子聚合物微粒分散于水中形成的胶体乳液的总称，通常将橡胶微粒的水分散体系称为胶乳，通常将树脂微粒的水分散体系称为乳液。胶乳可分为天然胶乳、合成胶乳和人造胶乳三类，直接作表面涂层、制造薄膜和胶粘剂等，经加工可制成生橡胶、胶乳制品(如：海绵、手套、气球、避孕套、医用胶管等)，广泛应用于日常生活中。
胶乳制品中的手套、避孕套、医用胶管等产品很容易接触细菌和病毒，如何在这些产品上实现智能检测病毒或细菌，将产品实现生物传感自检功能，这是一个很有意义的研发方向。
石墨烯具有超薄高导电性的二维材料，在和胶乳复合制造生物传感器时，可以实现高灵敏度的集成。但是，如何将石墨烯纳米膜完整的转移到乳胶膜上，并且用乳胶膜封装，这是一个未曾尝试的工艺，本发明是对该工艺的一次重要的突破。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，所得复合胶乳不含金属成分，只是高分子聚合物胶乳和纯碳的电路集成，该石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合产品具有超薄、高灵敏度、生物安全度高等特点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，包括如下步骤：
(1)将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路；
(2)将激光刻蚀后贴附石墨烯膜的铜箔投入天然胶乳中蘸入提起、干燥；
(3)将载有石墨烯的铜箔电路放到刻蚀液中，静态溶解掉铜箔后，从盛放刻蚀液的容器底部缓慢通入不溶于水的有机溶剂，形成厚度为5～30mm的有机相层托举起透明的石墨烯电路膜；
(4)将刻蚀液体层从底部放掉，有机相层保留，再从容器底部充放置换清洗液，反复进行置换清洗膜材；
(5)向容器通入天然胶乳，提起膜材干燥，形成石墨烯电路与胶乳的复合集成。
所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，步骤(1)中，CVD沉积的石墨烯膜厚度为0.5～20μm。
所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，步骤(2)中，蘸入提起→干燥过程反复进行2～30次，天然胶乳层的厚度为5～50μm。
所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，步骤(3)中，按质量百分比计，铜箔刻蚀液的组分为：氯化铁35％～50％，冰醋酸0.5～2％，氯化亚铁0.1％～0.5％，磷酸氢二钠0.5％～2％，过硫酸钠1％～2％，乙醇15％～25％，余量为水。
所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，步骤(3)中，有机溶剂为二甲苯、正丁醇、正己烷中一种或两种以上的混合。
所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，步骤(4)中，按质量百分比计，置换清洗液的组分为：乙醇20％～40％，乙醚5％～20％，丙酮15％～40％，余量为水。
所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，步骤(5)中，膜材蘸入提起→干燥过程反复进行2～10次，天然胶乳层的厚度为5～50μm。
所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，在将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路时，需要保留至少两路端口用高分子胶封端预留做外引接口，该高分子胶耐刻蚀剂和有机相溶剂的腐蚀。
本发明的设计思想是：
CVD法制备的气相沉积石墨烯具有很好的导电性、透明性和柔韧性，可以和柔韧性胶乳膜贴合完好，色泽变化不大。同时，CVD石墨烯膜适合激光刻蚀加工成电路，也具有生物安全性，生化物质在膜表面很稳定。采用石墨烯和胶乳复合，可以制得高导电、高灵敏的超薄、透明的传感电路膜。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：
1、本发明石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的膜材料电阻小，灵敏度高，整体电阻在0.5Ω～5Ω。
2、本发明石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的膜厚度可以做到十分纤薄，整体厚度最薄可以达到10.5μm。
3、本发明石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的膜可反复卷折至少200次以上无损坏，电阻值基本保持稳定，变化±3Ω。
具体实施方式
在具体实施过程中，首先，将纯铜箔上化学气相沉积(CVD)的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路。然后，将铜箔投入天然胶乳中蘸提一遍干燥后，再反复几遍，其作用是：使得石墨烯膜一面复合乳胶，形成膜面支撑底物。将载有石墨烯的铜箔电路放到刻蚀液中，静态溶解掉铜箔后后，从盛放刻蚀液的容器底部缓慢通入不溶于水的有机溶剂，形成一定厚度的有机相层托举起透明的石墨烯电路膜，有机相层所起的作用是：液相托举脆弱的石墨烯复合膜面，使之不产生褶皱和破损。将刻蚀液从容器底部缓慢放掉，再反复从容器底部充放混合溶液进行置换清洗，其作用是：逐次用可溶解于有机相和水相特性的有机混合溶剂清洗，即有效稀释清洗了不溶于水的有机相，又便于后面水性胶乳的加入，形成对膜材的复合和托举。最后，向容器通入天然胶乳，提起膜材干燥。再反复几遍形成石墨烯电路与胶乳的复合集成。该方法可以实现石墨烯高灵敏传感电路无损的集成在乳胶高分子膜内。
下面，通过实施例及测试结果对本发明进一步详细说明。
实施例1
本实施例中，一种石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法如下：
首先，将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路，CVD沉积的石墨烯膜厚度为5μm。然后，将激光刻蚀后贴附石墨烯膜的铜箔投入天然胶乳中蘸入提起一遍干燥后，再反复3遍，天然胶乳层的厚度为15μm。将载有石墨烯的铜箔电路放到铜箔刻蚀液中，该刻蚀液的组分质量比为：氯化铁40％、冰醋酸0.8％、氯化亚铁约0.2％、磷酸氢二钠2％、过硫酸钠2％、水35％、乙醇20％。静态下溶解掉铜箔后，从盛放刻蚀液的容器底部缓慢通入不溶于水的有机溶剂正丁醇，形成厚度为3cm的有机相层托举起透明的石墨烯电路膜。然后，将刻蚀液从容器底部缓慢放掉，再反复从容器底部充放置换清洗液进行置换清洗3次。按质量百分比计，置换清洗液的组分为：乙醇30％、乙醚10％、丙酮20％、水40％。最后，向容器通入天然胶乳，提起膜材干燥。再反复3遍形成石墨烯电路与胶乳的复合集成，天然胶乳层的厚度为15μm。
在将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路时，需要保留至少两路端口用聚氨酯胶膜封端预留做外引接口，该聚氨酯胶膜必须耐刻蚀剂和有机相溶剂的腐蚀。
测试结果为：石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的智能膜电阻小于1Ω，厚度35μm。反复卷折200次无损坏，电阻值小于2Ω。
实施例2
本实施例中，一种石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法如下：
首先，将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路，CVD沉积的石墨烯膜厚度为3μm。然后，将激光刻蚀后贴附石墨烯膜的铜箔投入天然胶乳中蘸入提起一遍干燥后，再反复5遍，天然胶乳层的厚度为25μm。将载有石墨烯的铜箔电路放到刻蚀液中。铜箔刻蚀液成分构成比：氯化铁45％、冰醋酸1％、氯化亚铁约0.2％、磷酸氢二钠0.8％、过硫酸钠2％、水35％、乙醇16％。静态下溶解掉铜箔后，从盛放刻蚀液的容器底部缓慢通入不溶于水的有机溶剂正丁醇，形成厚度为3cm的有机相层托举起透明的石墨烯电路膜。然后，将刻蚀液从容器底部缓慢放掉，再反复从容器底部充放置换清洗液进行置换清洗4次。按质量百分比计，置换清洗液的组分为：乙醇35％、乙醚5％、丙酮15％、水45％。最后，向容器通入天然胶乳，提起膜材干燥。再反复3遍形成石墨烯电路与胶乳的复合集成，天然胶乳层的厚度为15μm。
在将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路时，需要保留至少两路端口用聚氨酯胶膜封端预留做外引接口，该聚氨酯胶膜必须耐刻蚀剂和有机相溶剂的腐蚀。
测试结果为：石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的智能膜电阻小于1.5Ω，厚度43μm。反复卷折200次无损坏，电阻值小于4Ω。
实施例3
本实施例中，一种石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法如下：
首先，将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路，CVD沉积的石墨烯膜厚度为1μm。然后，将激光刻蚀后贴附石墨烯膜的铜箔投入天然胶乳中蘸入提起一遍干燥后，再反复4遍，天然胶乳层的厚度为20μm。将载有石墨烯的铜箔电路放到刻蚀液中。铜箔刻蚀液成分构成比：氯化铁35％、冰醋酸1.5％、氯化亚铁约0.5％、磷酸氢二钠1％、过硫酸钠1％、水43％、乙醇18％。静态下溶解掉铜箔后，从盛放刻蚀液的容器底部缓慢通入不溶于水的有机溶剂正丁醇，形成厚度为2cm的有机相层托举起透明的石墨烯电路膜。然后，将刻蚀液从容器底部缓慢放掉，再反复从容器底部充放置换清洗液进行置换清洗2次。按质量百分比计，置换清洗液的组分为：乙醇30％、乙醚15％、丙酮25％、水30％。最后，向容器通入天然胶乳，提起膜材干燥。再反复2遍形成石墨烯电路与胶乳的复合集成，天然胶乳层的厚度为10μm。
在将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路时，需要保留至少两路端口用聚氨酯胶膜封端预留做外引接口，该聚氨酯胶膜必须耐刻蚀剂和有机相溶剂的腐蚀。
测试结果为：石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的智能膜电阻小于1.5Ω，厚度31μm。反复卷折200次无损坏，电阻值小于4Ω。

Claims (8)

1.一种石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路；
(2)将激光刻蚀后贴附石墨烯膜的铜箔投入天然胶乳中蘸入提起、干燥；
(3)将载有石墨烯的铜箔电路放到刻蚀液中，静态溶解掉铜箔后，从盛放刻蚀液的容器底部缓慢通入不溶于水的有机溶剂，形成厚度为5～30mm的有机相层托举起透明的石墨烯电路膜；
(4)将刻蚀液体层从底部放掉，有机相层保留，再从容器底部充放置换清洗液，反复进行置换清洗膜材；
(5)向容器通入天然胶乳，提起膜材干燥，形成石墨烯电路与胶乳的复合集成。
2.按照权利要求1所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，其特征在于，步骤(1)中，CVD沉积的石墨烯膜厚度为0.5～20μm。
3.按照权利要求1所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，其特征在于，步骤(2)中，蘸入提起→干燥过程反复进行2～30次，天然胶乳层的厚度为5～50μm。
4.按照权利要求1所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，其特征在于，步骤(3)中，按质量百分比计，铜箔刻蚀液的组分为：氯化铁35％～50％，冰醋酸0.5～2％，氯化亚铁0.1％～0.5％，磷酸氢二钠0.5％～2％，过硫酸钠1％～2％，乙醇15％～25％，余量为水。
5.按照权利要求1所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，其特征在于，步骤(3)中，有机溶剂为二甲苯、正丁醇、正己烷中一种或两种以上的混合。
6.按照权利要求1所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，其特征在于，步骤(4)中，按质量百分比计，置换清洗液的组分为：乙醇20％～40％，乙醚5％～20％，丙酮15％～40％，余量为水。
7.按照权利要求1所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，其特征在于，步骤(5)中，膜材蘸入提起→干燥过程反复进行2～10次，天然胶乳层的厚度为5～50μm。
8.按照权利要求1所述的石墨烯高灵敏传感电路与胶乳复合集成的方法，其特征在于，在将纯铜箔上CVD沉积的石墨烯膜进行激光刻蚀成需要的电路时，需要保留至少两路端口用高分子胶封端预留做外引接口，该高分子胶耐刻蚀剂和有机相溶剂的腐蚀。
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