一种蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵及其制备和应用，将商用聚氨酯海绵浸泡于CNT的环己烷分散液中，即得。本发明专利技术SEBS本身具有良好的可拉伸性能和抗洗涤性能；CNT本身导电性能优越；以及SEBS可以促使CNT分散和在聚氨酯海绵上粘附CNT，在压缩过程中，可通过压缩错位继续构成导电通路，可以作为可穿戴器件，很好的关节弯曲响应，并模拟得出一系列相应的工作曲线。

A Honeycomb Microstructure Elastic Conductive Polyurethane Sponge and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵及其制备和应用
本专利技术属于弹性导电海绵及其制备和应用领域，特别涉及一种蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵及其制备和应用。
技术介绍
近年来可穿戴柔性电子设备由于其对人体皮肤良好的生物相容性和稳定的监测能力而引起了极大的关注。应变传感器是电子设备的基本组成部分，制备新型应变传感器对于可穿戴电子设备的发展至关重要。此外，应变传感器在生物电子医学中也发挥着越来越重要的作用，生物电子医学可以监测各种身体信号，包括物理，化学和生物信号。有许多因素影响着应变传感器性能，其中传感材料的结构决定了灵敏度，拉伸性，响应时间，长期稳定性和耐久性。因此，有许多先进的制造技术和材料被用于制备具有微/纳米复杂结构的应变传感器；并且由于材料本身性质和器件的结构，传感器具有优良的电学，机械，光学和化学性质，可以传输复杂的应变信号。特别是碳纳米管被广泛研究用于应变传感。研究表明，碳纳米管的导电性优良，具有较高的长径比，非常适合应用于应变传感。然而，碳纳米管的分散和粘附在商用海绵上仍然非常具有挑战性。监测人体运动需要较大的形变传感器，一般认为传感器形变在90％以上可以用于监测人体膝盖，肘部等关节的运动过程。此外舒适性和抗洗涤性能也是传感器的重要性质。商用聚氨酯海绵，由于弹性和力学性能优异，又被称为弹性海绵，被广泛的应用于废水过滤和缓冲减震的包装内填料。聚氨酯海绵具有优点：(1)由于聚氨酯海绵工艺成熟，产量巨大，成本低廉，一般商用聚氨酯海绵主要用于废水处理过程中的过滤固体废料，或是作为包装盒内的填充物来达到缓冲减震作用(2)聚氨酯海绵质轻并且弹性好，作为一种优异回弹性海绵，聚氨酯海绵在压缩90％以上还能轻易恢复原样。(3)商用聚氨酯海绵的有着可调控性的孔径，透水透气性能优良，经过反复水洗都能保持原有性能。商用聚氨酯海绵在经过反复的压缩循环后会出现轻微的塑性变形，这是由于受力集中导致的海绵骨架损坏。现有海绵类传感器在海绵的选择上分为商用海绵和自制海绵。商用海绵需在骨架上浸渍导电体，用浸渍或聚合的方法引入的导电体附着性很差，阻碍了海绵传感器大范围形变和抗洗涤性能。自制海绵又因为内部结构不均匀，导电性能差，所以其机械性能不佳，循环稳定性不可靠。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵及其制备和应用，克服现有技术制备工艺复杂，导电体附着在海绵骨架上的稳定性不佳以及无法水洗等缺陷，本专利技术通过对商用聚氨酯海绵进行改性，通过浸渍热塑性弹性体并构筑软骨启发的蜂窝状孔微结构，可以有效的分散应力，达到保护海绵骨架的作用。本专利技术的一种弹性导电聚氨酯海绵的制备方法，包括：(1)将环己烷和氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SEBS，得到SEBS的环己烷分散液；(2)将碳纳米管CNT分散在步骤(1)的SEBS的环己烷分散液中，得到碳纳米管分散液；(3)将聚氨酯海绵浸泡碳纳米管分散液，即得弹性导电聚氨酯海绵。上述制备方法的优选方式如下：所述步骤(1)中环己烷、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物的质量比为100g：200mg。所述步骤(2)中环己烷和碳纳米管的质量比为100g：50～800mg。所述步骤(3)具体为：聚氨酯海绵为巴斯夫商用海绵，该海绵弹性较优，孔径选择适中即可(40-60PPI)。聚氨酯海绵的化学构成使其亲油疏水，所以能在环己烷溶液中迅速浸润。聚氨酯海绵浸泡于碳纳米管分散液中0.5-1min后取出，离心，吹干。所述离心速率为5000rpm；吹干为相对湿度为85％的气流吹干。本专利技术的一种所述方法制备的弹性导电聚氨酯海绵。所述为蜂窝状微结构。本专利技术提供的一种所述弹性导电聚氨酯海绵的应用。本专利技术的一种弹性导电聚氨酯海绵应变传感器，将所述聚氨酯海绵与铜片、导电胶和环氧胶组装成应变传感器。所述拉应变感器的组装方法包括以下步骤：将蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵两面修平制得M3；将M3的两面分别贴上沾有导电胶的铜片，制得M4；将M4两面用环氧胶固定，制得器件M5，器件M5即为所述应变传感器。优选地，将所述器件M5接入到数字源表和万能材料试验机联用设备中，控制压缩速率，得到一系列电阻与时间变化图；或将所述器件M5接入到数字源表和身体关节，通过控制关节的弯曲变化，得到一系列工作曲线。本专利技术的还提供了一个用于检测制得的蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵的抗洗涤应用，将所制得的蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵在水中搅拌洗涤24h后，检测CNT是否脱落。优选地，所述检测抗洗涤的方法包括以下步骤：将M3浸泡于600rpm搅拌速度下的水中；搅拌24h后，取出拧干，观察水中和聚氨酯海绵上是否有黑色的CNT脱落。本专利技术的一种弹性导电聚氨酯海绵应变传感器的应用。本专利技术可以作为可穿戴器件，很好的对关节弯曲变化响应，并模拟得出一系列相应的工作曲线。有益效果本专利技术方法制备的蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵中，聚氨酯海绵本身具有良好的回弹性和抗疲劳性；CNT本身导电性能优越；以及在SEBS可以促使CNT很好的分散和粘附在聚氨酯海绵上，在压缩过程中，可通过压缩错位继续构成导电通路，因此本专利技术可以作为可穿戴器件，很好的对关节弯曲变化或是脚部受力响应并模拟得出一系列相应的工作曲线。克服现有技术制备工艺复杂，导电体附着在海绵骨架上的稳定性不佳，无法水洗以及循环稳定性差等缺陷。本专利技术的一种有较大的形变和优异的回复性能，能够很好的模拟人体大规模运动，同时兼具舒适性和抗洗涤性能的蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵的制备方法。附图说明图1中(A)是实施例1中制得的基于不同碳纳米管含量的弹性聚氨酯海绵材料的外形图；(B)为实施例1中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料的导电性变化图；(C)为实施例1中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料的低倍SEM图；(D)是实施例1中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料的高倍SEM图；图2中(A)为实施例2中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料组装的应变传感器的相对应变-相对电阻变化图和计算出相应的GF；(B)为实施例2中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料组装的应变传感器在不同应变下的电阻变化图；图3中(A)是实施例2中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料组装的应变传感器的实时响应时间图；(B)是实施例2中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料组装的应变传感器在速率为500mm/min，应变在0％-70％之间的电阻变化图；图4中(A)是实施例3中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料组装的应变传感器安装在人体手指上的外形图；(B)是实施例3中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料组装的应变传感器安装在人体手肘上的外形图；(C)是实施例3中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料组装的应变传感器安装在人体手指上的传感数据图；(D)是实施例3中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料组装的应变传感器安装在人体手肘上的传感数据图；图5中(A)是实施例4中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料在600rpm搅拌速度下的水中外形图；(B)是实施例4中制得的基于蜂窝状微结构弹性导电聚氨酯海绵材料在600rpm搅拌速度下搅拌24h拧干后的外形图；(C)是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种弹性导电聚氨酯海绵的制备方法，包括：(1)将环己烷和氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物SEBS，得到SEBS的环己烷分散液；(2)将碳纳米管CNT分散在步骤(1)的SEBS的环己烷分散液中，得到碳纳米管分散液；(3)将商用聚氨酯海绵浸泡碳纳米管分散液，即得弹性导电聚氨酯海绵。

【技术特征摘要】
1.一种弹性导电聚氨酯海绵的制备方法，包括：(1)将环己烷和氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SEBS，得到SEBS的环己烷分散液；(2)将碳纳米管CNT分散在步骤(1)的SEBS的环己烷分散液中，得到碳纳米管分散液；(3)将商用聚氨酯海绵浸泡碳纳米管分散液，即得弹性导电聚氨酯海绵。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中环己烷、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物的质量比为100g：200mg。3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中环己烷和碳纳米管的质量比为100g：50～800mg。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天西，朱天宜，张超，封其春，刘志崇，徐阳，刘思良，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31