[發明專利]一種柔性傳感材料的制備及其應用

在審

• 申請號: 202110578142.6
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113322531A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 劉溫霞;李程龍;吳玉濤;李國棟;于得海;王慧麗;宋兆萍;劉小娜
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: D01F2/24
• 分類號: D01F2/24;D01F1/09;G01B7/16;G01L1/20;G01L9/02
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 李桂存

本發明提供一種柔性傳感材料的制備方法,屬于柔性壓力傳感器技術領域。具體的，將纖維素納米材料改性得到陰/陽離子纖維素納米材料，得到陰/陽離子纖維素納米材料水分散液。將碳納米管/石墨烯加入上述體系中，得到碳納米管/石墨烯分散液，利用界面紡絲技術，將碳納米管/石墨烯分散液a和b的界面匯攏，抽出瞬間形成的類固態陰陽離子復合物，快速烘掉所紡導電細絲中的水分，將細絲纏到卷筒上，制備出導電絲。其導電絲直徑25~100μm，拉伸強度35~100 MPa，電導率150~4000 s/m。利用導電細絲網絡作為傳感材料，制備電阻式應變傳感器具有響應電流/電阻變化明顯、檢測極限低和抗疲勞穩定性好的優勢。

技術領域

本發明涉及一種絲狀柔性傳感材料的制備及作為電阻式柔性壓力傳感器的應用，屬于柔性壓力傳感器技術領域。

背景技術

隨著可穿戴電子器件、健康監測和智能機器人等領域的迅速發展，柔性壓力/應變傳感器作為重要部件也引起了各研究領域的極大興趣。柔性壓力/應變傳感器根據其工作機制可以簡單地分為壓阻/電阻式、電容式、壓電式和摩擦電式。其中，壓阻/電阻式柔性壓力/應變傳感器的工作機制是將外部施加壓力/應變轉變成電阻信號，具有結構簡單、制備成本低、靈敏度高和信號收集方便等優勢，因此獲得到了更為廣泛的應用。而在壓阻/電阻式柔性壓力/應變傳感器的發展當中，新型傳感材料的制備一直都占據著重要的地位。

最近，碳納米材料如碳納米管和石墨烯在壓力/應變傳感材料的制備中獲得了越來越多的應用。碳納米材料主要作為導電材料與其它材料結合，通過各種方式如分散混合、鑄涂等制備具有壓力/應變傳感性能的復合碳纖維薄膜，通過冷凍干燥、浸漬涂覆等方式制備復合碳氣凝膠，通過浸漬、噴涂等方式將碳納米材料負載到纖維或紗線上。其中通過在纖維/紗線上負載碳納米材料，實現了線狀應變傳感器的制備。然而，利用浸漬或噴涂等方式將碳納米材料負載到紗線上，難以保證納米碳材料的均勻固載和材料在循環加載/卸載過程中能穩定留著紗線上。將碳納米材料分散在聚乙烯醇中，再沾涂到紗線表面，雖然增加了碳材料的固載均勻性，然而碳納米材料只作為紗線的殼層，紗線能夠獲得的導電性有限，不利于應變傳感器靈敏度的提高。而且，為了提高線狀傳感器的應變性能，所用紗線一般采用合成聚合物，如聚氨酯等。這些合成聚合物往往需要依賴石油資源，缺乏可再生性和可持續性。更為重要的是，這些線性傳感器只能作為應變傳感器，不能作為壓力傳感器使用。

發明內容

針對現有線狀應變傳感材料中碳材料固載均勻性差、采用合成高分子材料作為載體和無法同時作為壓力傳感材料的不足。本發明提供一種柔性傳感材料的制備及其應用。

一種柔性傳感材料的方法，包括以下步驟：

（1）將陽離子纖維素納米材料分散于去離子水中，獲得陽離子纖維素納米材料水分散液，經機械攪拌或超聲處理，獲得陽離子分散劑體系；將陰離子纖維素納米材料分散于去離子水中，獲得的陰離子纖維素納米材料水分散液，經機械攪拌或超聲處理，獲得陰離子分散劑體系；

（2）將碳納米管/石墨烯加入陽離子分散劑體系中，經機械攪拌或超聲處理，制備利用陽離子分散劑穩定的碳納米管/石墨烯水分散液a；將導電納米材料加入陰離子分散劑體系，經機械攪拌或超聲處理，制備利用陰離子分散劑穩定的碳納米管/石墨烯水分散液b；

（3）將碳納米管/石墨烯分散液a和b分別放置在同一個容器中，形成接觸或不接觸界面，將碳納米管/石墨烯分散液a和b的界面匯攏，抽出瞬間形成的類固態陰陽離子復合物，快速烘掉所紡導電細絲中的水分，將細絲纏到卷筒上，制備出導電絲。

其中，所述的陽離子分散劑體系中，陽離子纖維素納米材料濃度為0.1-0.5wt%；所述的離子分散劑體系中，陰離子纖維素納米材料濃度為0.1-0.5wt%；所述的碳納米管/石墨烯水分散液a中，碳納米管/石墨烯濃度為0-0.4wt%；所述的碳納米管/石墨烯水分散液b中，碳納米管/石墨烯濃度為0.1-0.4wt%。