[發明專利]具有多級孔結構的壓敏聚合物復合泡沫及其制備方法

有效

• 申請號: 201710398394.4
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107236075B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 楊雷;劉宇;趙強強;沈一峰
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: C08F220/14
• 分類號: C08F220/14;C08F220/18;C08F212/36;C08F212/08;C08F222/14;C08J9/28;G01L1/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 陳升華

本發明公開了一種具有多級孔結構的壓敏聚合物復合泡沫及其制備方法，該方法包括：將硬質單體、交聯單體及軟質單體混合均勻，加入引發劑和乳化劑，得到油相；將水溶性鹽、氧化石墨烯水分散液和抗壞血酸加入到水中，得到水相；將水相加入油相，得到穩定的乳液，之后置于密閉的反應器內反應，反應完成后干燥至恒重，得到壓敏聚合物復合泡沫。本發明以乳液模板聚合法制備壓敏聚合物復合泡沫，其一，可制備多級孔徑結構聚合物泡沫。可制備微米孔徑的壓敏聚合物復合泡沫；其二，相比現有同類材料，平均孔徑降低近1個量級。由此，可大幅度提高材料骨架比表面積，獲得對應力和應變均具有高響應靈敏度的壓敏聚合物材料。

技術領域

本發明涉及電阻式壓敏傳感器技術領域，具體涉及一種具有多級孔結構的壓敏聚合物復合泡沫及其制備方法。

背景技術

壓阻型聚合物復合材料壓縮變形時，材料內部的導電填料間接觸形成導電節點，節點間相互連接構成導電通路，材料電阻率隨之減小，所連電路的輸出電流增大。基于材料的此特性構建的“穿戴式器件”能實時讀取肢體運動、呼吸、心跳等人體動態體征信息，在機器人、健康監測以及生物力學等領域均有重要的應用前景。

目前，壓阻型聚合物復合材料的主要研究方向之一是開發高應力靈敏度的力敏材料。主導思想是調控導電填料與聚合物基體間的復合結構，希望通過導電填料間“接觸電阻”的變化來實現壓阻效應。基于該思想，材料內應變均勻分布時，俞書宏教授通過理論模擬發現如下數學關系：應力靈敏度因子(S_Stress)與填料顆粒間導電觸點數的增量(ΔN)成正比，與壓縮應力的增量(Δσ)成反比，見式1。然而對均勻孔結構的泡沫材料內應力分布分析后卻發現：應力在薄的泡孔壁處易集中，材料內呈現應變分布不均勻的現象。大應變處節點連接成的導電通路在小(或無)應變處被阻斷，電流難以導通，事實上，材料很難獲得高應力靈敏度。選用低模量的母體聚合物材料，通過增大相同應力時材料的形變和內部導電節點的增量，雖然有助于提高材料對應力的響應靈敏度，但是隨著材料模量的減小，不僅應力量程變窄，而且隨著應力擴散的加劇，材料對應力施加空間的解析度也降低，制成的“穿戴式器件”不僅無法讀取大的肢體運動(如：抓握重物)，而且也將喪失辨識物體形狀以及外來機械刺激的方位的能力。

已有研究表明，與均勻孔結構的材料相比，材料內部的分級孔結構更能夠有效地傳遞應力，消除應力集中，實現材料內應力和應變均勻分布。以該結構聚合物泡沫作為母體的壓敏材料中，均勻分布的應力及應變促進填料導電節點間相互連接，形成導電通路，降低材料電阻率，提高材料對應力的響應靈敏度。然而，現有壓敏聚合物泡沫的制備方法主要包括“發泡法”和“固態模板法”，這兩種方法均不具有調控泡沫分級孔結構的能力。

綜上所述，制備靈敏度高分級孔結構壓敏聚合物泡沫的技術仍不成熟。

發明內容

本發明提供了一種具有多級孔結構的壓敏聚合物復合泡沫及其制備方法，采用乳液為模板，并以石墨烯片層尺寸、電解質種類及濃度調控氧化石墨烯聚集體的尺寸。聚合反應中，石墨烯聚集體以及乳化的水相液滴分別成為大孔和小孔的模板，經聚合反應，并干燥后，可得到具有分級孔結構和壓敏特性的聚合物復合泡沫。

該方法的特點在于：其一，可制備具有壓阻效應的聚合物復合泡沫，泡膜材料的孔徑呈現雙峰分布，具有兩級孔結構，兩級孔的孔徑比值約為4～25:1，且導電填料顆粒僅貼附于泡沫內的大孔腔壁處；其二，所制備的聚合物泡沫內，平均孔徑為微米級。相比已報道的壓敏型聚合物復合泡沫，該結構復合泡沫具有以下突出優點：一方面，材料具有大孔徑和小孔徑兩級孔結構，這種結構使得形變優先產生于材料內部的大孔，這種非均勻形變有助于提高壓敏聚合物泡沫對小應變的檢測靈敏度；另一方面，隨著平均孔徑降至微米級，復合泡沫內骨架比表面積增大，附著于骨架表面導電填料網絡的比表面積也隨之增高，因此導電觸電的數目在材料形變時，可產生更大的改變。

一種具有多級孔結構的壓敏聚合物復合泡沫的制備方法，包括以下步驟：