一种柔软透气的电极薄膜材料、触觉传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种柔性且透气性和导电性优良的薄膜电极材料、一种柔软透气的触觉传感器以及它们的制作方法。更具体地，所述薄膜电极材料是由静电纺丝技术形成的高分子纳米纤维与石墨烯的复合膜，所述触觉传感器是利用静电纺丝技术形成的由以下三层薄膜构成的复合膜结构：作为第一层薄膜的高分子纳米纤维与石墨烯的复合膜；作为第二层薄膜的高分子纳米纤维膜；和作为第三层薄膜的高分子纳米纤维与石墨烯的复合膜。本发明专利技术的触觉传感器制备方法简单且性能稳定，适用于人体相关的医疗检测和生物探测；同时本发明专利技术的制备方法可大规模生产，有利于商业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种柔软透气的电极薄膜材料、触觉传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种新型柔软透气的电极薄膜材料、触觉传感器及其制备方法。
技术介绍
传感器是一种能够感受被测量的信息并按照一定规律将该信息转化为所需形式输出信号(电学信号)的器件或装置。传感器将被测信息转化为电学信号输出从而实现信息的感知、传输及处理，是实现信息自动检测和自动控制的基本要素。其中，触觉传感器是最为常见的一种，用于检测压力、变形和振动等机械运动。现有的触觉传感器主要有两种：(1)基于压电陶瓷材料等无机材料制备的传感器，基于这类材料的器件笨重，质地坚硬，不适应于医疗、服饰及人体健康监测方面的应用。(2)基于传统工艺制备的压电高分子材料塑型膜，这类材料的器件改善了无机压电材料的缺陷，具有一定的柔性并减轻了其的重量，但其不具有透气性，且制备工艺复杂，需要外加强电场极化。另外在外力下易产生形变而损坏，因此也难适用于医疗、服饰及人体健康监测方面的应用。
技术实现思路
为此，在一方面，本专利技术提供了一种柔软透气的薄膜电极材料，所述薄膜电极材料由高分子纳米纤维和石墨烯组成，其是在通过静电电纺技术电纺0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液和1-10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液形成高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜之后，将所述复合膜中的氧化石墨烯还原为石墨烯。在一个优选实施方案中，所述高分子聚合物是偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物、二氟乙烯和六氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚乳酸或其混合物。在另一方面，本专利技术提供一种柔软透气的触觉传感器，所述触觉传感器具有由以下三层薄膜构成的复合膜结构：通过静电电纺技术电纺0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液和1-10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液形成的高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜作为第一层薄膜；通过静电电纺技术在所述第一层薄膜上电纺所述0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液形成的高分子纳米纤维膜作为第二层薄膜；和通过静电电纺技术在所述第二层薄膜上电纺所述0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液和所述1-10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液形成的高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜作为第三层薄膜，其中，将所述第一层薄膜和所述第三层薄膜中的氧化石墨烯还原为石墨烯。在一个优选实施方案中，所述高分子聚合物是偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物、二氟乙烯和六氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯、聚酰胺或其混合物。在另一方面，本专利技术提供一种用于制备上述薄膜电极材料的方法，包括：(1)配制电纺溶液通过将高分子聚合物的粉末溶解在有机溶剂中而配制所述0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液，并且通过将氧化石墨烯溶解在水中而配制所述1-10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液；(2)电纺成膜利用多喷头的静电纺丝设备，将步骤(1)配制的所述高分子聚合物电纺溶液和所述氧化石墨烯电纺溶液通过不同喷头同时电喷射到同一个接收板上，以形成高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜；(3)还原烘干将步骤(2)中获得的所述复合膜浸泡在含有还原剂的水溶液中以将其中的氧化石墨烯还原成石墨烯，然后取出并烘干，而得到所述薄膜电极材料。在另一方面，本专利技术提供一种用于制备上述触觉传感器的方法，所述方法包括：(1)配制电纺溶液通过将高分子聚合物的粉末溶解在有机溶剂中而配制所述0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液，并且通过将氧化石墨烯溶解在水中而配制所述1-10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液；(2)电纺成膜利用多喷头的静电纺丝设备，将步骤(1)配制的所述高分子聚合物电纺溶液和所述氧化石墨烯电纺溶液通过不同喷头同时电喷射到同一个接收板上，以形成作为第一层薄膜的高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜；接着在所述第一层薄膜上单独电喷射所述高分子聚合物电纺溶液，以形成作为第二层薄膜的高分子纳米纤维膜；然后在所述第二层薄膜上通过不同喷头同时电喷射所述高分子聚合物电纺溶液和所述氧化石墨烯电纺溶液，以形成作为第三层薄膜的高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜，由此形成三层复合薄膜结构；(3)还原烘干将步骤(2)中获得的所述三层复合薄膜结构浸泡在含有还原剂的水溶液中以将其中的氧化石墨烯还原成石墨烯，然后取出并烘干，而得到所述触觉传感器。在一个优选实施方案中，所述还原剂是碘化氢、肼或硼氢化钠，并且步骤(1)中配制的所述氧化石墨烯电纺溶液的浓度为3～8mg/mL。在一个优选实施方案中，用于形成所述第二层薄膜的高分子聚合物为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物、二氟乙烯和六氟乙烯共聚物或聚酰胺。在一个优选实施方案中，步骤(3)中的烘干是在25-50℃下真空干燥2-15h。在一个优选实施方案中，步骤(3)中的还原是将所述薄膜材料在80-120℃在碘化氢水溶液中浸泡5-20h。本专利技术获得了柔软透气的薄膜电极材料和柔软透气的具有优良触觉敏感性能的触觉传感器。本专利技术的触觉传感器制备方法简单且性能稳定，适用于人体相关的医疗检测和生物探测。同时本专利技术的制备方法可大规模生产，有利于商业化应用。附图说明图1为根据本专利技术实施例使用的多喷头静电纺丝技术的操作示意图。图2为根据本专利技术一个实施例制备的触觉传感器的示意图。图3为根据本专利技术一个实施例制备的触觉传感器的截面的扫描电镜图。图4为根据本专利技术一个实施例制备的触觉传感器在卷曲和弯折的图片。图5为测试根据本专利技术一个实施例制备的触觉传感器的灵敏度的设备系统示意图。图6为根据本专利技术一个实施例制备的触觉传感器在施加外力时的响应信号图示。图7为根据本专利技术一个实施例制备的触觉传感器对施加外力的敏感性能的图示。具体实施方式本专利技术旨在采用新方法制备新型柔软透气的薄膜电极材料和触觉传感器。这种制备薄膜电极材料和柔软透气触觉传感器方法，制备得到一种柔软、透气且导电性能良好的薄膜电极材料和触觉传感器，并由此改善了触觉传感器的柔性透气性和力学性能，兼顾了器件灵敏度，而且解决了传统触觉传感器硬度大、弹性小和佩戴不舒适等缺陷。这种新型柔软触觉传感器适合于医疗和服饰等对器件灵敏度、柔软性、透气性和佩戴舒适性有较高要求的领域。本专利技术提供了一种由高分子纳米纤维和还原氧化石墨烯复合而成的新型柔软透气薄膜电极材料，所述薄膜电极材料是经由电纺制备的。具体地，本专利技术的薄膜电极材料由高分子纳米纤维和石墨烯组成，其是在通过静电电纺技术电纺0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液和1-10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液形成高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜之后，将所述复合膜中的氧化石墨烯还原为石墨烯。本专利技术提供了一种制备新型柔软透气触觉传感器，它是由连续电纺的方法制备的，具有质轻、柔软、透气和较高灵敏度的特点，适用于人体相关的医疗检测和生物探测。具体地，本专利技术的柔软透气的触觉传感器由以下三层薄膜构成的复合膜结构：通过静电电纺技术电纺0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液和1-10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液形成的高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜作为第一层薄膜；通过静电电纺技术在所述第一层薄膜上电纺所述0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液形成的高分子纳米纤维膜作为第二层薄膜；和通过静电电纺技术在所述第二层薄膜上电纺所述0.06-0.15g/mL的高分子聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔软透气的薄膜电极材料，所述薄膜电极材料由高分子纳米纤维和石墨烯组成，其是在通过静电电纺技术电纺0.06‑0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液和1‑10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液形成高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜之后，将所述复合膜中的氧化石墨烯还原为石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种柔软透气的触觉传感器，所述触觉传感器具有由以下三层薄膜构成的复合膜结构：通过静电电纺技术电纺0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液和1-10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液形成的高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜作为第一层薄膜；通过静电电纺技术在所述第一层薄膜上电纺所述0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液形成的高分子纳米纤维膜作为第二层薄膜；和通过静电电纺技术在所述第二层薄膜上电纺所述0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液和所述1-10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液形成的高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜作为第三层薄膜，其中，将所述第一层薄膜和所述第三层薄膜中的氧化石墨烯还原为石墨烯。2.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述高分子聚合物是偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物、二氟乙烯和六氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚乳酸或其混合物。3.一种用于制备柔软透气的薄膜电极材料的方法，所述薄膜电极材料由高分子纳米纤维和石墨烯组成，所述方法包括：(1)配制电纺溶液通过将高分子聚合物的粉末溶解在有机溶剂中而配制0.06-0.15g/mL的高分子聚合物电纺溶液，并且通过将氧化石墨烯溶解在水中而配制1-10mg/mL的氧化石墨烯电纺溶液；(2)电纺成膜利用多喷头的静电纺丝设备，将步骤(1)配制的所述高分子聚合物电纺溶液和所述氧化石墨烯电纺溶液通过不同喷头同时电喷射到同一个接收板上，以形成高分子纳米纤维与氧化石墨烯的复合膜；(3)还原烘干将步骤(2)中获得的所述复合膜浸泡在含有还原剂的水溶液中以将其中的氧化石墨烯还原成石墨烯，然后取出并烘干，而得到所述薄膜电极材...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春叶，李保章，郑建明，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34