高弹性导电碳海绵的制备及性能研究

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随着便携式可穿戴电子设备的迅猛发展,各种高弹性压阻传感器材料,如碳纳米管泡沫、石墨烯气凝胶、陶瓷纳米纤维气凝胶、生物质海绵等,凭借其高压缩性和快速回弹性,受到研究人员的广泛关注。其中,生物质基海绵具有来源广泛、柔性质轻、稳定性高、易于化学修饰以及规模化生产等优点成为应用于可穿戴电子设备压阻传感器的理想选择。本论文以天然轻木为生物质原料,通过简单化学法将刚性木材变为可压缩高弹性碳海绵,调控碳化温度,确定最佳制备工艺条件。此外,采用简单浸渍法将短棒状聚苯胺负载在碳海绵上,制备弹性导电碳海绵,进一步组装成压阻传感器。具体研究内容及结果如下:(1)以轻木为前驱体,经化学处理破坏木材的薄细胞壁,并通过冷冻干燥手段使得破裂的薄细胞壁附在厚的层面,形成堆叠的层状拱形结构。化学处理后的木材经热处理后层状结构可以完好地保存下来,最终得到高弹性碳海绵。压缩性能测试结果表明,在氩气气氛下300℃直接退火处理的碳海绵具有优异的压缩性能,在90%的高压缩应变下几乎可完全恢复,不发生体积变化,碳海绵的密度仅为0.076g/cm3,对轻质油甲苯的吸附性达到自身重量的7倍,可实现对外包装污染物的吸收从而达到保护产品的作用。(2)为得到高导电性能的碳海绵,需进一步提高其导电性能。将300℃退火的碳海绵置于氩气气氛中800℃条件下进行高温碳化。结果表明,高温碳化后的碳海绵在不同压缩应变下具有灵敏的电响应,在I-V检测中各向异性系数约为3.5倍。但其循环压缩性能差,仅能承受20%的较小应变,当应变持续增大则结构破坏不能完全恢复。(3)为进一步组装高灵敏度压阻传感器,通过浸渍-干燥手段在300℃退火的碳海绵上负载短棒状聚苯胺,制备聚苯胺/碳海绵复合材料。电化学性能分析表明,该复合材料随着压缩应变的增大,导电性能增强。将聚苯胺/碳海绵复合材料构建压阻传感器,可检测出灵敏且稳定的电响应信号。
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