一种硅橡胶-碳海绵复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种硅橡胶‑碳海绵复合材料及其制备方法和应用。本发明专利技术制备得到的硅橡胶‑碳海绵复合材料通过材质改进，结合TENG传感器的特点，使其具有可自供电的特征，克服了普通方式制备得到的传感器必须外加电源才可正常工作的弊端；同时本发明专利技术是基于碳海绵复合碳纳米管，在碳海绵纤维网络的基础上，额外添加CNT网络，使得材质整体纤维网络具有更强的机械强度，由此制作的传感器耐用性提高22倍以上，灵敏度提高近20倍，同时易获取更加稳定的电信号；本发明专利技术制备方法简单，制备材料廉价易得，所制备得到的硅橡胶‑碳海绵复合材料在传感器及可穿戴电子设备领域具有广阔的应用前景。

A silicone rubber sponge carbon composite material and preparation method and application thereof

The present invention discloses a silicon rubber sponge carbon composite material and its preparation method and application. Silicone rubber sponge carbon composite material prepared by the invention through the improvement of the material, combined with the characteristics of the TENG sensor, which has characteristics of self powered sensor, to overcome the common way to produce additional power to abuse must work at the same time; the invention is carbon sponge composite based on carbon nanotubes, based on carbon fiber sponge network, additional CNT network, the whole network fiber material has better mechanical strength, thus making the sensor durability increased more than 22 times, the sensitivity increased nearly 20 times, at the same time to obtain the signal more stable; the invention has simple preparation method, preparation of materials are cheap and easy to get. Preparation of silicone rubber carbon sponge composite material prepared by the technology has wide application prospects in wearable electronic devices and sensors.

【技术实现步骤摘要】
一种硅橡胶-碳海绵复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于碳复合材料合成与应用
，具体涉及一种硅橡胶-碳海绵复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
可穿戴式电子产品如今受到学术界和工业界的极大关注，由于其对实现人机一体化的潜力，以及其提供的有趣的功能可根本上重塑我们的生活方式。因此在最近几年，各种各样的可穿戴式电子产品涌现出来，包括电子皮肤和可穿戴式传感器，可穿戴式储能和发电设备，软机器人与柔性LED。传感器的功能与人类活动密切相关，具有检测化学，热，应变和电力的能力的可穿戴式传感器已经被人们所熟知。通过检测人体活动中的特定信号，如肢体运动的应变、皮肤表面的热量、呼吸的水分甚至心跳，就有可能获取并记录反映人体真实情况的必要信息，以便将来进行数据分析。尽管它具有很好的应用性与灵活性，但是为了促进它们与人类的融合，可穿戴式传感器仍有很大的研究发展空间，比如能适应人体形状复杂的灵活性，能保证长期工作性能耐用性，穿着轻便，低功耗和低成本。同时由于材料所限制，大多数传感器只适用于检测特定单一机制的信号。为了满足这些要求，可行的方法之一是利用柔性碳材料制造传感器，如石墨烯，碳纳米管，碳纤维和碳海绵。与半导体、高分子材料相比，碳基材料本征导电，大大有利于设备制造和测试，尤其是十分依赖电信号的应变传感器；而与金属材料相比，它们更轻，更适用于可穿戴式传感器。可穿戴式传感器的基本功能和设计意图之一是检测和监控人类的各种活动。然而，虽然基于石墨烯和碳纳米管的传感器已经被广泛关注，但对基于碳海绵的传感器却鲜有报道。由于三维多孔的结构特性，碳海绵被用作新的电极材料、催化剂的支架和碳气凝胶。然而，碳本身是相对惰性的，它被动地响应外部的刺激，比如由于外部电源施加的应变而引起的电阻变化，这就是压阻式应变传感器的工作原理。更重要的是，虽然碳本质上导电，但是全碳海绵的导电性是相对不足的，导致用其制作的传感器灵敏度差。因此，在频繁的动作中，全碳海绵材质制备得到的压变传感器灵敏度难以满足需求。同时，长期的频繁动作作用于全碳海绵传感器，将会出现传感器老化现象，即全碳海绵中的纤维断裂，使得电信号的传导网络被损坏，电信号的稳定性下降，严重影响着传感器的使用寿命。通过上述分析可知，制备一种以新型碳海绵材料为骨架的双模式传感器材料，通过材质改进处理以提高其导电性和机械强度，从而进一步提高碳海绵材质的压变传感器的灵敏度和使用寿命成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术通过材质改进，基于摩擦起电和静电感应原理，制备出一种具有自供电效应的硅橡胶-碳海绵复合材料，同时所述材料还具有较好的导电性能和机械强度等优点。具体的，本专利技术涉及以下技术方案：首先，本专利技术提供一种硅橡胶-碳海绵复合材料，所述复合材料包括碳海绵、包覆碳海绵三维网状结构的碳纳米管，以及包覆在碳纳米管-碳海绵表面的绝缘体聚合物材料；其中，制备碳海绵的原料海绵为聚脂海绵或聚醚海绵，优选的，所述原料海绵为三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料；所述绝缘体聚合物材料为固化的聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷的任意一种，进一步优选的，所述绝缘体聚合物材料为固化的聚二甲基硅氧烷；经试验验证，所述聚二甲基硅氧烷和碳海绵复合材料的摩擦电特性相差较大，更有利于电子转移。所述碳纳米管优选为多壁碳纳米管；本专利技术还提供了一种硅橡胶-碳海绵复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将海绵使用超声波清洗处理，待处理后的海绵干燥进行高温碳化分解得碳海绵；(2)将步骤(1)处理得到的碳海绵置于碳纳米管溶液中浸泡处理，取出干燥即得碳纳米管-碳海绵复合材料；(3)将绝缘体聚合物与固化剂混合搅拌混匀去泡沫后真空渗入到碳海绵中，高温固化处理，使得绝缘体聚合物固化到碳纳米管-碳海绵复合材料上。优选的，所述步骤(1)中，海绵为聚脂海绵或聚醚海绵，优选的，所述海绵为三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料；三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料廉价易得，弹力好、回弹率高、开孔率高，具有高度的网状交联结构体系，是制备碳海绵的良好材料；清洗的具体步骤为：依次将海绵使用丙酮、乙醇和蒸馏水进行超声清洗，上述方法能够有效去除海绵附着的油脂等杂质污物；高温碳化的温度为800-1000℃，优选的，所述温度为1000℃；专利技术人意外发现，在1000℃下碳化温度下，制备得到的硅橡胶-碳海绵复合材料其电流值变化最为显著，远优于其他温度碳化处理得到的硅橡胶-碳海绵复合材料，表明在此条件下，由硅橡胶-碳海绵复合材料制备得到的压阻传感器其灵敏度最好。优选的，所述步骤(2)中碳纳米管溶液浓度为0.1-3g/L；进一步优选为0.5g/L；所述碳纳米管溶液为多壁碳纳米管溶液，为保证碳纳米管溶液的均一稳定性，向溶液中加入分散剂处理；优选的，所述碳纳米管溶液的制备方法为：将碳纳米管与分散剂按1-4：1质量比添加到去离子水中，在超声波浴中处理得分散均匀的多壁碳纳米管溶液；其中，所述分散剂优选为表面活性剂，包括十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠其中的任意一种；优选的，所述步骤(3)中绝缘体聚合物与固化剂的质量比为5-15:1(优选为10:1)，所述绝缘体聚合物为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷中的任意一种，进一步优选的，所述绝缘体聚合物材料为聚二甲基硅氧烷；所述固化剂为硅橡胶固化剂；所述填充方式采用真空渗透填充方式，能够使得混匀后的绝缘体聚合物胶液快速均匀地渗透填充至碳化海绵体的网状交联结构体系上；本专利技术还公开了所述硅橡胶-碳海绵复合材料在传感器领域和/或可穿戴电子设备领域的应用。本专利技术还公开了一种压变式传感器，所述传感器包含所述硅橡胶-碳海绵复合材料；本专利技术还公开了一种可穿戴电子设备，所述设备包含所述硅橡胶-碳海绵复合材料和/或所述压变式传感器。本专利技术制备得到的硅橡胶-碳海绵复合材料基于摩擦起电和静电感应原理，在获取机械能(即压力)后产生摩擦电，进而转换成可检测的开路电压(最高达2V)和短路电流(最高达70nA)信号，使得本专利技术具有了自供电特性，如图1所示，手指接触所产生的压力给传感器，使原来带负电碳海绵纤维会变形从而导致更多电荷的不均匀分布，以至于更多的负电荷更容易被碳海绵纤维表面的绝缘体复合材料所吸引，碳海绵纤维表面附近多余的正电荷，这会使得聚绝缘体复合材料和碳海绵纤维交界处产生电势差，通过3D的导电结构引起瞬变流动的电子。释放了这种压缩力，电子的不均匀分布和变形的碳海绵纤维重新回到原始状态，导致瞬时电流流向相反的方向。所有建立在摩擦电的开路电压和短路电流的势能都能轻易的被识别成为电信号，这使的本专利技术得到硅橡胶-碳海绵复合材料无需外电源，便可自供电产生传感信号。同时，该专利技术也有结合碳海绵传感器的材质特点，对于具有可弯曲压缩性与3D天然可导性的碳海绵材料来说，它被用于可压缩应变传感器中，使得本专利技术具有碳海绵材质的特性；可弯曲压缩性使得该专利技术易于实现可穿戴性。可导电性为该专利技术的电信号采集提供保障。本专利技术通过碳纳米管复合碳海绵，显著提高传感器的耐用抗老化与灵敏度等特性。碳纳米管(CNT)-碳海绵复合材料在纤维结构上机械强度有了很大的提高，这必然使得由此制备的传感器抗老化特性得到显著提高。并且在碳海绵导电网络的基础上，碳纳米管与碳海绵复合，形成的碳纳米管网络提供了额外的导电网络，保本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅橡胶‑碳海绵复合材料，其特征在于，所述复合材料包括碳海绵、包覆碳海绵三维网状结构的碳纳米管，以及包覆在碳纳米管‑碳海绵表面的绝缘体聚合物材料；其中，制备所述碳海绵的原料海绵为聚脂海绵或聚醚海绵，优选的，所述原料海绵为三聚氰胺‑甲醛树脂泡沫材料；所述绝缘体聚合物材料为固化的聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷；优选的，所述绝缘体聚合物材料为固化的聚二甲基硅氧烷；所述碳纳米管优选为多壁碳纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种硅橡胶-碳海绵复合材料，其特征在于，所述复合材料包括碳海绵、包覆碳海绵三维网状结构的碳纳米管，以及包覆在碳纳米管-碳海绵表面的绝缘体聚合物材料；其中，制备所述碳海绵的原料海绵为聚脂海绵或聚醚海绵，优选的，所述原料海绵为三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料；所述绝缘体聚合物材料为固化的聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷；优选的，所述绝缘体聚合物材料为固化的聚二甲基硅氧烷；所述碳纳米管优选为多壁碳纳米管。2.一种硅橡胶-碳海绵复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将海绵进行超声波清洗处理，将处理后的海绵干燥进行高温碳化分解得碳海绵；(2)将步骤(1)处理得到的碳海绵置于碳纳米管溶液中浸泡处理，取出干燥即得碳纳米管-碳海绵复合材料；(3)将绝缘体聚合物与固化剂混合搅拌混匀去泡沫后真空渗入到碳海绵中，高温固化处理，使得绝缘体聚合物固化到碳纳米管-碳海绵复合材料上。3.如权利要求2所述的一种制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，海绵为聚脂海绵或聚醚海绵，优选的，所述海绵为三聚氰胺-甲醛树脂泡沫材料；所述清洗的具体步骤为：依次将海绵使用丙酮、乙醇和蒸馏水超声清洗；高温碳化的温度为800-1000℃，优选的，所述温度为1000℃。4.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李光明，孙悟颉，彭捷，
申请(专利权)人：山东大学，深圳市尚智工程技术咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37