铜@聚吡咯纳米线及其制备方法和压阻材料及其应用技术

本发明专利技术涉及工程材料技术领域，公开了一种铜@聚吡咯纳米线及其制备方法，以及由该铜@聚吡咯纳米线制备得到的压阻材料及其应用。本发明专利技术的铜@聚吡咯纳米线包括作为内核的铜纳米线和包裹在该铜纳米线上的作为壳层的聚吡咯层。通过使用本发明专利技术提供的铜@聚吡咯纳米线制备得到的压阻材料不仅具有高弹性和耐疲劳性，并且还具有高灵敏性和可靠性。

Copper @ polypyrrole nanowires and their preparation methods, piezoresistive materials and Applications

【技术实现步骤摘要】
铜@聚吡咯纳米线及其制备方法和压阻材料及其应用
本专利技术涉及工程材料
，具体涉及一种铜@聚吡咯纳米线及其制备方法，以及由该铜@聚吡咯纳米线制备得到的压阻材料及其应用。
技术介绍
触觉是生物体感知客观世界的重要知觉形式，也是直接获取环境信息的重要媒介，在物理特征与状态的辨识上具有独特的优势。随着虚拟环境下“人机交互”智能感知、操控等技术的发展，力敏传感器作为触觉信息的采集、转换、传输和处理的功能器件，已经成为工业设计、医疗康复以及安全监测等领域不可缺少的技术工具。力敏传感器根据信号转换原理的不同，可以分为压阻式、电容式、压电式等多种类型。其中，通过改变材料导电通路影响电阻值方式感知施力的压阻传感器，凭借其结构简单、灵敏度高和低功耗等优势，在实际应用中具有更广阔的发展空间。但由于传统金属、半导体压阻材料的固有特性，该类传感器普遍存在着机械柔韧性差和温度漂移等问题，无法贴敷于复杂曲面实现准确的信息感知。通过基于微机电系统(MEMS)工艺的组合式柔性传感阵列结构设计(结构引入柔性)虽然可以一定程度上提高敏感元件整体的抗弯折拉伸性能，却难以减免物理沉积、激光刻蚀等高能耗制造过程，同时还要辅以模拟电路进行温度补偿，导致传感器成本大幅增加，严重限制其扩展性；通过低模量聚合物弹性体包埋(材料引入柔性)形成的压阻复合材料具有良好的柔顺性和较高的性价比，但又带来了灵敏度和信噪比下降等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的压阻复合材料可压缩性、回弹性和抗疲劳性不足，以及缺乏适于大规模稳定生产手段等问题，提供一种铜@聚吡咯纳米线及其制备方法，以及由该铜@聚吡咯纳米线制备得到的压阻材料及其应用。通过使用本专利技术提供的铜@聚吡咯纳米线制备得到的压阻材料不仅具有高弹性和耐疲劳性，并且还具有高灵敏性和可靠性。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种铜@聚吡咯纳米线，其中，该铜@聚吡咯纳米线包括作为核层的铜纳米线和包裹在该铜纳米线上的作为壳层的聚吡咯层。本专利技术第二方面提供一种铜@聚吡咯纳米线的制备方法，该方法包括以下步骤：1)制备铜纳米线的步骤；2)在步骤1)得到的铜纳米线上形成聚吡咯层的步骤。本专利技术第三方面提供一种压阻材料，该压阻材料通过采用定向冷冻冰模板法将本专利技术的铜@聚吡咯纳米线水分散液进行取向冷冻后再进行冷冻干燥而得到。本专利技术第三方面提供本专利技术的压阻材料在制备压阻传感器中的应用。通过上述的技术方案，本专利技术提供了一种铜@聚吡咯纳米线及其制备方法，以及由该铜@聚吡咯纳米线制备得到的压阻材料及其应用。通过使用本专利技术的铜@聚吡咯纳米线的水分散液并采用定向冷冻冰模板法制备得到的本专利技术的压阻材料不仅具有高弹性和耐疲劳性，还具有高灵敏性和可靠性，可有效解决基于传统无机压阻材料脆性大、高模量等问题，弥补压阻传感器件易弯曲、可拉伸需求的适应性不足；也可克服传统有机压阻材料灵敏性、可靠性不佳等缺陷。同时，妥善调和了复合材料的导电性随导电填料增加而提升与机械稳健性随填料增加而降低这一对矛盾。附图说明图1为实施例1的铜纳米线的透射电子显微镜(TEM)选区电子衍射；图2为实施例1的铜@聚吡咯纳米线的透射电子显微镜(TEM)表征图；图3为实施例1得到的压阻材料在不同放大倍数下的电子显微镜(SEM)照片；图4为实施例1得到的压阻材料50次循环压缩性能测试曲线图；图5为实施例1得到的压阻材料在60％压缩应变条件下的压阻特性测试曲线；图6为实施例1得到的压阻材料在不同压缩应变条件下持续压力刺激的力敏特性；图7为实施例1得到的压阻材料在不同温度下的灵敏度曲线；图8为对比例1得到的铜纳米线的透射电子显微镜(TEM)表征图。附图标记说明1内核2壳层具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。如图2所示，本专利技术提供的铜@聚吡咯纳米线包括作为内核1的铜纳米线和包裹在该铜纳米线上的作为壳层2的聚吡咯层。根据本专利技术，优选地，所述铜纳米线的直径为30-70nm，长度为5-800μm；更优选地，所述铜纳米线的直径为30-50nm，长度为500-800μm。通过使上述铜纳米线的直径为30-70nm，使得其与量子隧穿效应特征距离(1-5nm)同为纳米量级，所形成的导电网络兼具微观隧道效应导电和宏观渗流特性，当在外力作用下发生粒子间隙和搭接密度的改变时，会引发显著的隧穿与渗流效应，对材料整体的电子流通性产生巨大影响，从而表现出灵敏快速的压阻特性。并且，铜纳米线导电材料由于其较高的长径比和大比表面积，可促进其与吡咯聚合物的充分交融，大幅降低渗流浓度(<1wt％)，在改善复合材料导电性的同时又能最大限度保持聚合物原有的力学特性。作为所述铜纳米线的直径例如可以为30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm或70nm等。作为所述铜纳米线的长度例如可以为5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、120μm、150μm、180μm、200μm、220μm、250μm、280μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm或800μm等。根据本专利技术，优选地，所述聚吡咯层的厚度为5-50nm，更优选地，所述聚吡咯层的厚度为5-20nm。通过使所述聚吡咯层的厚度为上述范围，具有调和电导率、防氧化和有效阻止温度漂移的优异效果。作为所述聚吡咯层的厚度例如可以为5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm或50nm等本专利技术还提供上述铜@聚吡咯纳米线的制备方法，该方法包括以下步骤：1)制备铜纳米线的步骤；2)在步骤1)得到的铜纳米线上形成聚吡咯层的步骤。本专利技术的铜纳米线可以采用现有的制备铜纳米线的方法来制备，但从进一步提高得到的压阻材料的高灵敏性和可靠性的方面来考虑，优选使一价态无机铜盐与碳原子数为12-18的脂肪族胺的混合物进行歧化反应而得到。在本专利技术中，优选地，所述歧化反应的条件包括：反应的温度为170-200℃，反应的时间为2-10小时；更优选地，所述歧化反应的条件包括：反应的温度为190-200℃，反应的时间为2-5小时。在本专利技术中，优选地，所述一价态无机铜盐与碳原子数为12-18的脂肪族胺的混合物中一价态无机铜盐的浓度为0.1-0.4mol/L；更优选地，所述一价态无机铜盐与碳原子数为12-18的脂肪族胺的混合物中一价态无机铜盐的浓度为0.2-0.3mol/L。在本专利技术中，优选地，所述一价态无机铜盐为氯化亚铜、硫酸亚铜、溴化亚铜、亚硝酸亚铜和碳酸亚铜中的一种或多种；更优选地，所述一价态无机铜盐为氯化亚铜、硫酸亚铜和溴化亚铜中的一种或多种。在本专利技术中，优选地，碳原子数为12-18的烷基胺为十二烷基胺、十三烷基胺、十四烷基胺、十五烷基胺、十六烷基胺、十八烷基胺、十八碳烯胺、十八烯胺中的一种或多种；更优选地，碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜@聚吡咯纳米线，其特征在于，该铜@聚吡咯纳米线包括作为内核的铜纳米线和包裹在该铜纳米线上的作为壳层的聚吡咯层。

【技术特征摘要】
1.一种铜@聚吡咯纳米线，其特征在于，该铜@聚吡咯纳米线包括作为内核的铜纳米线和包裹在该铜纳米线上的作为壳层的聚吡咯层。2.根据权利要求1所述的铜@聚吡咯纳米线，其中，所述铜纳米线的直径为30-70nm，长度为5-800μm。3.根据权利要求1所述的铜@聚吡咯纳米线，其中，所述聚吡咯层的厚度为5-50nm。4.一种铜@聚吡咯纳米线的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)制备铜纳米线的步骤；2)在步骤1)得到的铜纳米线上形成聚吡咯层的步骤。5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤1)为，使一价态无机铜盐与碳原子数为12-18的脂肪族胺的混合物进行歧化反应；优选地，所述歧化反应的条件包括：反应的温度为170-200℃，反应的时间为2-10小时；优选地，一价态无机铜盐与碳原子数为12-18的脂肪族胺的混合物中一价态无机铜盐的浓度为0.1-0.4mol/L；优选地，所述一价态无机铜盐为氯化亚铜、硫酸亚铜、溴化亚铜、亚硝酸亚铜和碳酸亚铜中的一种或多种；优选地，碳原子数为12-18的烷基胺为十二烷基胺、十三烷基胺、十四烷基胺、十五烷基胺、十六烷基胺、十八烷基胺、十八碳烯胺、十八烯胺中的一种或多种。6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，步骤2)为，将步骤1)得到的铜纳米线在...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇鑫，张树才，牟善军，刘全桢，王林，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11