一种可穿戴的柔性应力传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种可穿戴的柔性应力传感器及其制备方法和应用。首先制备适合于丝网印刷的功能性油墨，并通过丝网印刷方法，把油墨印刷在可穿戴基底上，制得所需规格的应力传感器。用于监测由小范围至大范围物理形变如拉伸，弯曲，触摸等。在人体关节、表情、脉搏、心跳等电子皮肤领域和生物医学应用领域，人机交互领域，虚拟现实和娱乐技术等领域有诸多应用。本发明专利技术的柔性应力传感器具有以下优点：具有优异的拉伸弹性，拉伸应变可达100%；极高的灵敏度，灵敏度参数(Gauge Factor)最高达到8000以上；工作曲线的线性关系优良，拉伸重复性好，以及拉伸循环滞后小；制备流程简单，成本低廉，适宜于大批量的集成器件制备，应用前景广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种可穿戴的柔性应力传感器及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种可穿戴的柔性应力传感器及其制备方法和应用，具体是一种基于印刷法制备的具有高灵敏度且大形变量的可穿戴应力传感器及其制备方法和应用。主要用于监测由小范围至大范围物理形变如拉伸，弯曲，触摸等。在人体关节、表情、脉搏、心跳等电子皮肤领域和生物医学应用领域，人机交互领域，虚拟现实和娱乐技术等领域有诸多应用。
技术介绍
可穿戴力学传感器由于其广泛的应用有着巨大的前景。作为一种性能良好的力学传感器，需要满足很多要求如：高的灵敏性、大的拉伸性、快速响应速度、好的稳定性、低的制备成本与批量制备等。若要将拉伸传感器在实际中广泛应用，除了制备成本等因素，最大的关键点在于处理工作范围与灵敏性之间的平衡。到目前为止，研究人员对于拉伸传感器进行的探索在处理高灵敏性与大拉伸范围的成果上仍然不够理想，在工作范围足够大的情况下，灵敏度过小不宜检测；在灵敏性足够的情况下，工作范围过小不能满足实际应用的要求。中国专利公开号为CNIO7246929A公布了一种二维硒化铟力学传感器的制备方法。该专利技术通过机械剥离法制备了二维InSe纳米片并通过模板法制备了二维硒化铟力学传感器。该传感器的应变系数只有40，灵敏性较差。中国专利公开号为CN104251753A公布了一种基于氧化石墨烯电纺聚氨醋的弹性应力传感器。该专利技术公开了一种基于氧化石墨烯电纺聚氨醋的弹性应力传感器,包括由聚氨酯膜构成的基体,基体上浸润有氧化石墨烯。该传感器应变范围只有40%，拉伸性较差。中国专利公开号为CN107957303A公布了一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的制备方法。然而该方法采用了酸腐蚀方法、蒸发镀银方法等手段，消耗过高步骤麻烦并且伴随污染。总的来说，本专利技术制备了一种同时拥有大拉伸范围和高灵敏程度的传感器，能够探测人体如脉搏等微弱的信号和关节等较大的形变，这是当前大部分传感器所不能达到的。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种可穿戴的柔性应力传感器及其制备方法和应用。利用一维的金属纳米线提供网络结构并提供高的电导率，降低实际电阻，在实际应用过程中便于检测，降低检测成本。用二维纳米片层材料固定一维纳米线提供片层结构增强灵敏性，用高分子螯合剂和高价金属离子来增加工作范围，进而得到有较大工作范围、超高灵敏度的力学传感器。本专利技术制备简单，全水相绿色环保无污染，可大批量制备。首先将材料制备导电性油墨，通过印刷的手段可大量制备传感器。本专利技术提供的一种可穿戴柔性应力传感器，包含基底材料和导电层，该导电层是通过丝网印刷基于多元功能复合材料的胶体油墨制备而成的，其中基于多元功能复合材料的胶体油墨原料的质量组成为：一维金属纳米线0.87-15%；二维无机纳米片层材料0.2-5%;高分子螯合剂0.02-1%；高价金属离子0.01-0.1%水或有机醇类溶剂，78.9-98.8%上述组份之和为100%;所述的基底包括弹性聚氨酯系列：4055IC、1565IC、4037IC、B-780、4030、4040，Clearflex30、Clearflex50、Clearflex95；以及PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、TPX(聚4-甲基戊烯)、PVA(聚乙烯醇)、棉布或丝绸；所述的多元功能复合材料的胶体油墨的制备方法包括以下步骤：1)按计量称取无机二维纳米片，加入去离子水，超声分散得到无机二维纳米片的分散液并调节酸碱度至中性；2)向步骤1)所得分散液中加入高分子螯合剂和高价金属离子，充分搅拌使其混合均匀；3)向步骤2)所得混合液中加入金属纳米线，超声振荡使其分散均匀，通过微孔滤膜抽滤或者高速离心方法收集所得复合物，并用去离子水清洗多次，除去原料中带有的表面活性剂，分散剂等杂质。得到复合物；4)将在步骤3)中所得到的复合物加入去离子水或有机醇类溶剂（78.9-98.8%），超声振荡之后得到分散性良好的导电功能性油墨。所述的一维金属纳米线是指金、银、铜、镍、铂、钯、铝金属纳米线中的一种，或两种或两种以上组成的合金的金属纳米线；所述金属纳米线的直径为10-200纳米，长度为5-150微米。所述的二维无机纳米材料是指单层或寡层氧化石墨烯，或单层或寡层二维过渡金属碳化物，或氮化物中的一种或两种；所述的单层或寡层氧化石墨烯是指分子骨架有六角形晶格排列的单层石墨烯原子组成的，含有大量有机含氧官能团，包括羟基、羧基、环氧基、羰基的二维平面材料，单片面积大小在1µm2到100µm2之间，厚度为0.3-5nm之间，采用化学氧化方法制备；所述的二维过渡金属碳化物或氮化物是指具有类似石墨烯的二维结构,其化学通式是Mn+1XnTz,n=1,2,3；通过化学液相法选择性蚀刻掉MAX相中的A元素得到相应的MXene相，其中“M”代表钪(Sc)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)等过渡金属元素，“A”代表铝(Al)、硅(Si)、磷(P)、硫(S)、镓(Ga)、锗(Ge)、砷(As)、镉(Cd)、铟(In)、锡(Sn)、铊(Tl)、铅(Pb)等元素，“X”代表碳(C)或者氮(N)元素，T为表面链接的-F、-OH、=O活性官能团；所述二维过渡金属碳化物或氮化物是指Ti2CTx、V2CTx、Nb2CTx、Mo2CTx、(Ti,V)2CTx、(Ti,Nb)2CTx、Ti3C2Tx、Ti3(C,N)2Tx、Zr3C2Tx、(Ti,V)3C2Tx、(Cr,V)3C2Tx、(Mo2Ti)C2Tx、(Cr2Ti)C2Tx、Ti4N3Tx、Nb4C3Tx、Ta4C3Tx、(Ti,Nb)4C3Tx、(Nb,Zr)4C3Tx、(Mo2Ti2)C3Tx等相中的一种，其中T表示面链接的-F、-OH、=O活性官能团,x代表表面官能团的数目。所述的高分子螯合剂是指多巴胺、聚丙烯胺、壳聚糖、多熔素中的一种或几种；所述的高价金属离子是指过渡金属离子如Fe3+、Co3+、Ni2+、Cu2+、Mn2+、Ru3+、Zn2+等离子，以及Al3+、Ca2+、Mg2+等离子中的一种或几种。所述有机醇类溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、丙三醇、环己醇、乙二醇、甘油、二甘醇、三甘醇、正丁醇、松油醇中的一种或几种。本专利技术提供的一种可穿戴柔性应力传感器，其中所述的多元功能复合材料的胶体油墨的具体制备方法包括以下步骤：1)按计量称取化学法制备的片层大小在1-2µm的二维纳米片，加入去离子水，超声分散20-30分钟得到质量分数为2mg/mL的二维纳米片的分散液，用0.2mol/L的NaHCO3溶液调节分散液pH值为6.5-7；2)向步骤1)所得分散液中加入质量分数为二维纳米片的5-15%的高分子螯合剂，搅拌20-24小时，再加入质量分数为二维纳米片的0.1-1%的高价金属离子，搅拌4-6小时，使其混合均匀；3)向步骤2)所得混合液中加入金属纳米线，金属纳米线与二维纳米片的质量比为2-20：1，超声振荡使其分散均匀，通过微孔滤膜抽滤或者高速离心方法收集所得复合物，并用去离子水清洗多次，除去原料中带有的表面活性剂，分散剂等杂质。吸去上清液，得到复合物凝胶。4)将在步骤3)中所得到的复合物加入去离子水或有机醇类溶剂（78.9-98.8%）本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可穿戴柔性应力传感器，包含基底材料和导电层，其特征在于该导电层是通过丝网印刷基于多元功能复合材料的胶体油墨制备而成的，其中基于多元功能复合材料的胶体油墨原料的质量组成为：一维金属纳米线 0.87‑15%；二维无机纳米片层材料 0.2‑5%;高分子螯合剂 0.02‑1%；高价金属离子 0.01‑0.1%水或有机醇类溶剂 78.9‑98.8%上述组份之和为100%;所述的基底包括弹性聚氨酯系列：4055IC、1565IC、4037IC、B‑780、4030、4040，Clear flex 30、Clear flex 50、Clear flex 95；以及聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚4‑甲基戊烯、聚乙烯醇、棉布或丝绸；所述的多元功能复合材料的胶体油墨的制备方法包括以下步骤：1) 按计量称取二维无机纳米片，加入去离子水，超声分散得到二维无机纳米片的分散液并调节酸碱度至中性；2) 向步骤1)所得分散液中加入高分子螯合剂和高价金属离子，充分搅拌使其混合均匀；3) 向步骤2)所得混合液中加入金属纳米线，超声振荡使其分散均匀，通过微孔滤膜抽滤或者高速离心方法收集所得复合物，并用去离子水清洗多次，除去杂质，得到复合物；4) 将在步骤3)中所得到的复合物加入去离子水或有机醇类溶剂，超声、振荡之后得到分散性良好的导电功能性油墨。...

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴柔性应力传感器，包含基底材料和导电层，其特征在于该导电层是通过丝网印刷基于多元功能复合材料的胶体油墨制备而成的，其中基于多元功能复合材料的胶体油墨原料的质量组成为：一维金属纳米线0.87-15%；二维无机纳米片层材料0.2-5%;高分子螯合剂0.02-1%；高价金属离子0.01-0.1%水或有机醇类溶剂78.9-98.8%上述组份之和为100%;所述的基底包括弹性聚氨酯系列：4055IC、1565IC、4037IC、B-780、4030、4040，Clearflex30、Clearflex50、Clearflex95；以及聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚4-甲基戊烯、聚乙烯醇、棉布或丝绸；所述的多元功能复合材料的胶体油墨的制备方法包括以下步骤：1)按计量称取二维无机纳米片，加入去离子水，超声分散得到二维无机纳米片的分散液并调节酸碱度至中性；2)向步骤1)所得分散液中加入高分子螯合剂和高价金属离子，充分搅拌使其混合均匀；3)向步骤2)所得混合液中加入金属纳米线，超声振荡使其分散均匀，通过微孔滤膜抽滤或者高速离心方法收集所得复合物，并用去离子水清洗多次，除去杂质，得到复合物；4)将在步骤3)中所得到的复合物加入去离子水或有机醇类溶剂，超声、振荡之后得到分散性良好的导电功能性油墨。2.根据权利要求1所述的可穿戴柔性应力传感器，其特征在于所述一维金属纳米线是指金、银、铜、镍、铂、钯、铝金属纳米线中的一种，或两种,或两种以上组成的合金的金属纳米线；所述金属纳米线的直径为10-200纳米，长度为5-150微米。3.根据权利要求1所述的可穿戴柔性应力传感器，其特征在于所述二维无机纳米材料是指单层或寡层氧化石墨烯，或单层或寡层二维过渡金属碳化物，或氮化物中的一种或两种；所述的单层或寡层氧化石墨烯是指分子骨架有六角形晶格排列的单层石墨烯原子组成的，含有大量有机含氧官能团，包括羟基、羧基、环氧基、羰基的二维平面材料，单片面积大小在1µm2到100µm2之间，厚度为0.3-5nm之间，采用化学氧化方法制备；所述的二维过渡金属碳化物或氮化物是指具有类似石墨烯的二维结构,其化学通式是Mn+1XnTz,n=1,2,3；通过化学液相法选择性蚀刻掉MAX相中的A元素得到相应的MXene相，其中M代表钪、钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪、钽、钨过渡金属元素，A代表铝、硅、磷、硫、镓、锗、砷、镉、铟、锡、铊、铅元素，X代表碳或者氮元素，T为表面链接的-F、-OH、=O活性官能团；所述二维过渡金属碳化物或氮化物是指Ti2CTx、V2CTx、Nb2CTx、Mo2CTx、(Ti,V)2CTx、(Ti,Nb)2CTx、Ti3C2Tx、Ti3(C,N)2Tx、Zr3C2Tx、(Ti,V)3C2Tx、(Cr...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁嘉杰，史鑫磊，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12