[發明專利]一種基于柚子皮碳的柔性壓力傳感器及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110552161.1
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113295305A
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 陳昌洲;鄭娜;吳偉鑫;唐夢琪;李湘鈺;閔斗勇
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16;A61B5/00;A61B5/11;C08K7/24
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 張敏

本發明提供了一種基于柚子皮碳的柔性壓力傳感器及其制備方法和應用，涉及生物質材料加工材料技術領域。本發明將柚子皮進行水熱反應，在此過程中能脫除部分糖類，半纖維素等有機物；將柚子皮水凝膠進行碳化，得到3D多孔碳氣凝膠，此過程能夠充分保留碳氣凝膠的3D結構，將其制備柔性壓力傳感器時，一方面可以提高壓力傳感器的力學性能；另一方面能夠提高壓力傳感器的靈敏度和響應時間；本發明將3D多孔碳氣凝膠與柔性聚合物混合，能夠使柔性聚合物填充于3D多孔碳氣凝膠之中，通過固化反應形成韌性的彈性體，使制備的柔性壓力傳感器具有優異的穩定性、機械性能以及良好的傳感性能。

技術領域

本發明涉及生物質材料加工材料技術領域，尤其涉及一種基于柚子皮碳的柔性壓力傳感器及其制備方法和應用。

背景技術

柔性壓力傳感器可以將外界壓力轉換成電信號輸出已經引起了廣泛關注，在各個領域的應用具有很大潛力，例如可穿戴電子設備，機器人和實時健康監控。目前，通過引入先進導電材料和構建良好的微結構是提高柔性壓力傳感器靈敏度和可工作壓力范圍的兩種有效途徑：一方面，采用具有良好導電性的材料如金屬納米顆粒，金屬納米線，金屬膜，金屬氧化物，碳納米管，石墨烯，導電聚合物和生物基碳化材料等，已經被用來制備壓力傳感器。另一方面，通過設計并制備各種微結構優化傳感器在壓力負載下電接觸的變化程度，如將易于變形的3D多孔結構和微尺寸陣列引入傳感系統提升傳感器的性能。盡管這些所報道的壓力傳感器表現出良好的性能，但是這些傳感器仍然需要昂貴的原材料以及復雜制造過程。另外，在這些傳感器的生產過程中也可能產對生態環境有害的副產物。這些問題限制了柔性壓力傳感器的大規模制造和廣泛的實際應用。

柚子皮作為生活垃圾，通常直接丟棄，造成資源浪費和環境污染。然而柚子皮具有豐富的排列緊密的蜂窩狀多孔結構，并且其孔內結構是由含有大量纖維素的白色絮狀層組成，是優良活性炭的前驅體，將其碳化后能夠形成豐富多孔的碳網絡結構，能夠構建良好的微結構，在制備柔性壓力傳感器方面具有較大的應用潛力。雖然直接碳化的柚子皮所制備的碳材料可以很好保持3D的天然多孔結構，但是整體材料表現出機械強度低，具有脆性，無法直接應用于壓力傳感器。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于柚子皮碳的柔性壓力傳感器及其制備方法和應用，本發明制備的基于柚子皮碳的柔性壓力傳感器具有優異的穩定性、機械性能以及良好的傳感性能。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種基于柚子皮碳的柔性壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟：

(1)將柚子皮進行水熱反應，得到柚子皮水凝膠；

(2)將所述步驟(1)得到的柚子皮水凝膠干燥后，進行碳化，得到3D多孔碳氣凝膠；

(3)將所述步驟(2)得到的3D多孔碳氣凝膠與柔性聚合物混合，進行固化反應，得到基于柚子皮碳的柔性氣凝膠；

(4)將所述步驟(3)得到的基于柚子皮碳的柔性氣凝膠與銅電極相連，進行封裝，得到基于柚子皮碳的柔性壓力傳感器。

優選地，所述步驟(1)中的水熱反應的溫度為120～180℃，水熱反應的時間為1～12h。

優選地，所述步驟(2)中的干燥為冷凍干燥。

優選地，所述步驟(2)中的碳化的溫度為600～900℃，碳化的時間為2～10h。

優選地，所述步驟(2)中的3D多孔碳氣凝膠的比表面積為517～625m²·g^-1，孔隙率為71～93％。

優選地，所述步驟(3)中的柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚酰亞胺或聚乙烯。

優選地，所述步驟(3)中的3D多孔碳氣凝膠與柔性聚合物的質量比為1:(5～20)。