一种复合纤维基柔性压电传感器的制备方法技术

本发明专利技术涉及传感器领域，公开了一种复合纤维基柔性压电传感器的制备方法，本发明专利技术以钐掺杂钛酸铅纳米晶，掺钐稀土改性的钛酸铅压电陶瓷的居里温度较高，机电耦合各向异性大，更适合于制作高温下工作的各种换能器，将其球磨成纳米颗粒，加大接触面积。然后用氨基进行表面官能化，确保与聚合物基质中的马来酸酐分子共价偶联。在电活性炭墨涂覆后，经湿法纺丝得到纤维基柔性压电传感器，提高柔性和稳定性，并且其可编织性扩大了传感器的适用范围，且具有更加优异的检测性能。最后将其与银纳米线复合扭转，得到复合纤维基柔性压电传感器。本发明专利技术传感器柔性好，可应用于医疗生物监测，环境和卫生监测等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种复合纤维基柔性压电传感器的制备方法
本专利技术涉及传感器领域，尤其涉及一种复合纤维基柔性压电传感器的制备方法。
技术介绍
传感器是人类自身对自然界各种感觉信息的探知，能够对不同信号和感知信息转化为可数字化、智能化的重要器件。在人类文明信息技术高速发展的过程中，传感器起到了越来越重的作用，是人类探索未知世界，同时也是人类了解现实世界，观察周边信息的重要手段之一。传感器是一种能把电、光、温度以及化学作用等非电学信号转化为电学信号的可调控的元器件。钛酸铅系电子陶瓷属于功能陶瓷，主要具有电功能，如介电性、压电性、铁电性和热释电性等，有的也具有光功能。钛酸铅为钙钦矿结构的铁电材料，因为它居里点高，相对介电常数小，热释电常数大，横向与纵向机电耦合系数之间有很大的各向异性，很适合制作高频换能器而受到人们的广泛关注。近年来，随着柔性可穿戴式电子产品的快速发展，柔性传感器和柔性储能元件引起了广泛的关注。柔性传感器和柔性储能元件作为可穿戴电子设备的重要组成部分，在人体运动检测、个性化健康监测以及智能人机交互等领域有着巨大的应用前景。其中，柔性传感器应兼具高灵敏性、宽检测范围、高柔性和高稳定性，而柔性储能元件应具有优异的电化学性能、良好的机械柔性等。迄今为止，制备这些理想的柔性器件仍是一个不小的挑战。通过对材料进行甄选并采用新的制备技术和设计思路有望获得综合性能优异的柔性器件。导电高分子纤维基柔性压电传感器因其柔韧性好、质量轻、可折叠弯曲、可编织、成本低以及比表面积大等特点已成为柔性器件研究的重要方向之一
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种复合纤维基柔性压电传感器的制备方法。本专利技术方法通过制备钐掺杂钛酸铅纳米晶，改性钛酸铅压电陶瓷，使其居里温度提高，晶格各向异性变大，并球磨成纳米颗粒，然后用氨基修饰钐掺杂钛酸铅纳米颗粒，以共价偶联实现表面官能化，在电活性炭墨涂覆后，经过湿法纺丝得到一种纤维基柔性压电传感器，最后将其与银纳米线复合扭转，得到复合纤维基柔性压电传感器，与传统传感器相比具有更加优异的检测性能。本专利技术的具体技术方案为：一种复合纤维基柔性压电传感器的制备方法，包括如下步骤：（1）钐掺杂钛酸铅纳米晶的制备：将钛酸四丁酯在搅拌条件下加入去离子水，得到悬浮液后，在搅拌条件下依次加入醋酸铅、氯化钐、氢氧化钠的水溶液，用去离子水定容，得到混合溶液；将混合溶液加入到反应釜中加热并搅拌4-5分钟，升温度后保温反应8-10h；待反应完成后，自然冷却到室温；取出产物浸泡，使可溶性离子发生充分交换，抽滤洗涤产物，除去可溶性离子，然后在80-100℃下干燥6-8h，冷却至室温，得到钐掺杂钛酸铅纳米晶。钛酸铅系电子陶瓷属于功能陶瓷，主要具有电功能，如介电性、压电性、铁电性和热释电性等，有的也具有光功能。钛酸铅为钙钦矿结构的铁电材料，因为它居里点高，相对介电常数小，热释电常数大，横向与纵向机电耦合系数之间有很大的各向异性，很适合制作高频换能器而受到人们的广泛关注，但由于钛酸铅成为陶瓷的晶界能高，四方矫顽场大，晶格结构各向异性大，使纯钛酸铅陶瓷材料在退火过程中经过居里点时容易产生微裂纹，难于烧结致密，为了解决上述问题本发专利技术对其进行掺杂改性。与目前广泛应用的钛酸铅压电陶瓷相比，掺钐稀土改性的钛酸铅压电陶瓷的居里温度较高，机电耦合各向异性大，更适合于制作高温下工作的各种换能器。（2）钐掺杂钛酸铅纳米颗粒的制备：将钐掺杂钛酸铅纳米晶与二氧化锆球和乙醇在容器中球磨制得钐掺杂钛酸铅纳米颗粒，在70-80℃下干燥。球磨法是一种机械剥离技术，绿色环保，操作简单，低成本。避免了由于氧化还原法使用强酸和水合肼等还原剂对实验操作人员和环境造成的潜在危害。（3）氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒的制备：将钐掺杂钛酸铅纳米颗粒和聚亚乙基亚胺分别超声分散于去离子水中，并将溶液pH分别调节至9-11，分别得到聚亚乙基亚胺溶液和钐掺杂钛酸铅溶液；将聚亚乙基亚胺溶液逐滴加到钐掺杂钛酸铅溶液中，搅拌1-3h，离心分离，得到氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒，用去离子水洗去过量的聚亚乙基亚胺，再用无水乙醇洗涤除去蒸馏水后，通过离心获得纯净的氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒。钐掺杂钛酸铅压电纳米颗粒用氨基进行表面官能化，确保与聚合物基质中的马来酸酐分子共价偶联。与未经修饰的纳米颗粒相比，含氨基修饰的纳米颗粒能够在聚合物复合材料中的均匀分布，并因此改善了压电发电。基于这种独特复合材料制造的柔性器件在周期性弯曲和不弯曲运动期间产生的电压明显提高。此外，这一成就在基于此复合材料的柔性器件的合理优化方面是前所未有的，并且展现了利用化学增强复合材料系统的方法。（4）电活性炭墨涂覆的纤维基柔性压电传感器的制备：将氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒分散于四氢呋喃溶液中并超声分散4-6h；然后，在所得悬浮液中加入纺丝溶液，在25-35℃下搅拌24-36h，转移至反应釜中反应9-10h，反应完成后，室温冷却，得到混合纺丝液，在水浴中超声处理1-2h，使用具有23号中空针的10-20mL注射器将混合纺丝液注入5-10Hz旋转的乙醇凝固浴中，将所得纤维垂直拉出并缠绕在线轴上，得到电活性炭墨涂覆的纤维基柔性压电传感器。电活性材料是电子-离子的混合导体，处于完全氧化或还原状态时呈现绝缘体特征，在氧化和还原状态之间转换时能够从溶液中可逆地置入和释放离子(离子交换或充放电过程)成为电导体。电活性炭墨是一种多孔的含碳物质，又有很强的吸附能力。（5）复合纤维基柔性压电传感器的制备：将40-60μm的银纳米线绕步骤（4）所得的电活性炭墨涂覆的纤维基柔性压电传感器扭转，然后用电解液浸渍，放入透明且柔软的塑料管中，该塑料管内径为0.6mm，外径为0.7mm，最后用胶水密封，得到复合纤维基柔性压电传感器。银是电的良导体，其电阻率低，导电率高，将纳米银线应用于导电层将收集的电流导出，与TCO半导体相比可以降低能损。银纳米线因其优异的导电性、传热性、低的表面电阻、极高的透明度和良好的生物相容性等特点。作为优选，步骤（1）中，定容后的混合溶液中[OH]=1.0-2.0mol·L-1，[3/2Sm+Pb]=0.15-0.20mol·L-l，[Ti]=0.1-0.2mol·L-1。作为优选，步骤（1）中，升温至220-300℃；冷却后取出产物在去离子水和无水乙醇中浸泡，并分别反复洗涤3-4次。作为优选，步骤（2）中，球磨频率为15-45Hz，球磨时间为60-100分钟。作为优选，步骤（3）中，聚亚乙基亚胺和钐掺杂钛酸铅的质量比为1:10。作为优选，步骤（3）中，离心转速为8000-10000rpm；去离子水洗涤1-2次，无水乙醇洗涤3-4次。作为优选，步骤（4）中，所述四氢呋喃溶液的用量为20-40mL，含量为99%。作为优选，步骤（4）中，超声处理所用的超声处理器的型号为S-450D-1/2。作为优选，步骤（4）中，所述纺丝溶液为将0.85wt/v％电活性炭墨溶液引入8wt/v％苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物溶液中制得；其中电活性炭墨溶液的溶剂为体积比为7：3的蒸馏水和乙醇；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物溶液的溶剂为体积比为6:4的乙醇和二甲基甲酰胺。作为优选，步骤（5）中，所述电解液为含有0.6M的1,2-二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合纤维基柔性压电传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）钐掺杂钛酸铅纳米晶的制备：将钛酸四丁酯在搅拌条件下加入去离子水，得到悬浮液后，在搅拌条件下依次加入醋酸铅、氯化钐、氢氧化钠的水溶液，用去离子水定容，得到混合溶液；将混合溶液加入到反应釜中加热并搅拌4‑5分钟，升温度后保温反应8‑10h；待反应完成后，自然冷却到室温；取出产物浸泡，使可溶性离子发生充分交换，抽滤洗涤产物，除去可溶性离子，然后在80‑100℃下干燥6‑8h，冷却至室温，得到钐掺杂钛酸铅纳米晶；（2）钐掺杂钛酸铅纳米颗粒的制备：将钐掺杂钛酸铅纳米晶与二氧化锆球和乙醇在容器中球磨制得钐掺杂钛酸铅纳米颗粒，在70‑80℃下干燥；（3）氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒的制备：将钐掺杂钛酸铅纳米颗粒和聚亚乙基亚胺分别超声分散于去离子水中，并将溶液pH分别调节至9‑11，分别得到聚亚乙基亚胺溶液和钐掺杂钛酸铅溶液；将聚亚乙基亚胺溶液逐滴加到钐掺杂钛酸铅溶液中，搅拌1‑3h，离心分离，得到氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒，用去离子水洗去过量的聚亚乙基亚胺，再用无水乙醇洗涤除去蒸馏水后，通过离心获得纯净的氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒；（4）电活性炭墨涂覆的纤维基柔性压电传感器的制备：将氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒分散于四氢呋喃溶液中并超声分散4‑6h；然后，在所得悬浮液中加入纺丝溶液，在25‑35℃下搅拌24‑36h，转移至反应釜中反应9‑10h，反应完成后，室温冷却，得到混合纺丝液，在水浴中超声处理1‑2h，使用具有23号中空针的10‑20mL注射器将混合纺丝液注入5‑10Hz旋转的乙醇凝固浴中，将所得纤维垂直拉出并缠绕在线轴上，得到电活性炭墨涂覆的纤维基柔性压电传感器；（5）复合纤维基柔性压电传感器的制备：将40‑60μm的银纳米线绕步骤（4）所得的电活性炭墨涂覆的纤维基柔性压电传感器扭转，然后用电解液浸渍，放入透明且柔软的塑料管中，该塑料管内径为0.6mm，外径为0.7mm，最后用胶水密封，得到复合纤维基柔性压电传感器。...

【技术特征摘要】
1.一种复合纤维基柔性压电传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）钐掺杂钛酸铅纳米晶的制备：将钛酸四丁酯在搅拌条件下加入去离子水，得到悬浮液后，在搅拌条件下依次加入醋酸铅、氯化钐、氢氧化钠的水溶液，用去离子水定容，得到混合溶液；将混合溶液加入到反应釜中加热并搅拌4-5分钟，升温度后保温反应8-10h；待反应完成后，自然冷却到室温；取出产物浸泡，使可溶性离子发生充分交换，抽滤洗涤产物，除去可溶性离子，然后在80-100℃下干燥6-8h，冷却至室温，得到钐掺杂钛酸铅纳米晶；（2）钐掺杂钛酸铅纳米颗粒的制备：将钐掺杂钛酸铅纳米晶与二氧化锆球和乙醇在容器中球磨制得钐掺杂钛酸铅纳米颗粒，在70-80℃下干燥；（3）氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒的制备：将钐掺杂钛酸铅纳米颗粒和聚亚乙基亚胺分别超声分散于去离子水中，并将溶液pH分别调节至9-11，分别得到聚亚乙基亚胺溶液和钐掺杂钛酸铅溶液；将聚亚乙基亚胺溶液逐滴加到钐掺杂钛酸铅溶液中，搅拌1-3h，离心分离，得到氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒，用去离子水洗去过量的聚亚乙基亚胺，再用无水乙醇洗涤除去蒸馏水后，通过离心获得纯净的氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒；（4）电活性炭墨涂覆的纤维基柔性压电传感器的制备：将氨基修饰的钐掺杂钛酸铅纳米颗粒分散于四氢呋喃溶液中并超声分散4-6h；然后，在所得悬浮液中加入纺丝溶液，在25-35℃下搅拌24-36h，转移至反应釜中反应9-10h，反应完成后，室温冷却，得到混合纺丝液，在水浴中超声处理1-2h，使用具有23号中空针的10-20mL注射器将混合纺丝液注入5-10Hz旋转的乙醇凝固浴中，将所得纤维垂直拉出并缠绕在线轴上，得到电活性炭墨涂覆的纤维基柔性压电传感器；（5）复合纤维基柔性压电传感器的制备：将40-60μm的银纳米线绕步骤（4）所得的电活性炭墨涂覆的纤维基柔性压电传感器扭转，然后用电解液浸渍，放入透明且柔软的塑料管中，该塑料管内径为0.6mm，外径为0.7mm，最后用胶水密封，得到复合纤维基柔性压电传...

【专利技术属性】
技术研发人员：万军民，吕思佳，胡智文，王秉，彭志勤，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33