一种压阻式传感器件材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种压阻式传感器件材料的制备方法，包木质纤维气凝胶，然后在其表面自聚合多巴胺后得到木质纤维基水凝胶，接着浸入纳米导电相悬浮液或纳米导电相前驱液，形成导电相木质纤维基水凝胶，再与含聚电解质单体、交联剂、引发剂、催化剂的水溶液反应，形成复合导电相木质纤维基水凝胶，最后络合金属离子；并进一步公开了包含上述传感器材料的压阻式传感器及其制备方法。采用本发明专利技术方法制备的传感器材料具有优异的力学强度和离子电导性能，进一步制备的传感器具有非常高的灵敏度。

A kind of piezoresistive sensor material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种压阻式传感器件材料及其制备方法和应用
本专利技术属于传感器材料制备领域，具体涉及一种压阻式传感器件材料及其制备方法和应用。
技术介绍
柔性压阻传感器具有辅助识别环境特征或刺激作用的能力，因而在人机交互领域中能够用作可穿戴智能设备、人工肌肉、电子皮肤以及医疗诊断等重要部件。压阻效应的根本机理在于材料在外部应力作用下，导电网络或能带结构发生变化，从而使电阻率发生变化的现象。其中，三维电导网络体系是常见的压阻材料，通过在柔性高分子弹性体中填充导电相，形成连续的导电网络，当发生形变时，导电网络发生重构，使复合材料的电阻率变化，实现力敏效应。聚电解质水凝胶是一种优良的离子电导三维网络，但存在电导率低、力敏感性差的缺点。纳米银、石墨烯等是新型的一维和二维高电导率纳米材料，具有导电性强、力敏感性强、可压缩强度高等优点，也可用于制备柔性压阻传感器件的基础材料。故如何将二者结合起来而制备一种导电性强、力学强度高的材料是本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术一方面提供了一种压阻式传感器件材料的制备方法，包括以下步骤：S1：采用离子液体处理木粉后再将其溶胶化、化学交联-凝胶化、并冷冻干燥后得到木质纤维气凝胶；S2：将该气凝胶浸入盐酸多巴胺的碱性缓冲液中，在其表面自聚合10～14h，得到聚多巴胺沉积的木质纤维基水凝胶；S3：将所述木质纤维基水凝胶浸入纳米导电相悬浮液或纳米导电相前驱液中10～24h，然后压缩木质纤维基水凝胶中的液体，重复上述操作3～5次，形成导电相负载的木质纤维基水凝胶；S4：将所述导电相木质纤维基水凝胶与含聚电解质单体、交联剂、引发剂、催化剂的水溶液在40～60℃下反应12～24h，形成复合导电相木质纤维基水凝胶；S5：将所述复合导电相木质纤维基水凝胶浸入金属离子化合物的水溶液中络合6～24h，形成所述压阻式传感器材料。进一步的，S1中，所述木粉为杨木、松木、杉木或轻木的粉末；优选的，所述木粉粒度为60～100目；进一步的，所述步骤S1的操作包括：S11：向1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体中加入其质量分数4～6％的木粉，然后在110～185℃下加热搅拌30min～24h，形成混悬液，然后将上述混悬液转入其体积8～10倍量、浓度为40～60％v/v丙酮水溶液中，搅拌1～3h，抽滤并洗涤得滤渣，将滤渣于100～110℃烘干得木质纤维；S12：将所述木质纤维加入到含4wt％NaOH和4wt％尿素的水溶液中，所述木质纤维与水溶液的质量比为0.8～1.5：100，形成混悬液，然后将该混悬液在-40℃～-20℃冷冻3～9h后再室温解冻，重复上述冻融处理3～5次，得溶胶-凝胶化木纤维；S13：向所述溶胶-凝胶化木纤维中加入其质量8～20倍量的环氧氯丙烷，在40～60℃加热反应1～6h，水洗，得化学交联-凝胶化木纤维；S14：向所述化学交联-凝胶化木纤维中加入100～500mL30％～90％v/v乙醇-水溶液，静置10～16h，水洗后冷冻干燥，即得到密度为0.016～0.025g·cm-3的木质纤维气凝胶。进一步的，所述步骤S2的操作包括：将该气凝胶浸入盐酸多巴胺的碱性三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液中，得到聚多巴胺沉积的木质纤维基水凝胶；优选的，所述缓冲液中盐酸多巴胺的浓度为1～3mg/mL，所述缓冲液中三羟甲基氨基甲烷浓度为0.01～0.1mol/L，所述缓冲液pH为8～10.5；进一步的，所述步骤S3中，所述纳米导电相悬浮液为还原氧化石墨烯悬浮液；优选的，还原氧化石墨烯悬浮液的制备方法包括以下步骤：S31：在0℃冰水浴、机械搅拌条件下，将2g石墨粉加入45mL质量分数为98％浓硫酸中，然后以约0.5g/min速率加入10g高锰酸钾形成混悬液；S32：将上述混悬液转移至35℃水浴锅中，剧烈搅拌24h，然后将其升至90℃，然后加入250mL去离子水，剧烈搅拌30min后降至室温，加入10mL30％v/vH2O2水溶液，充分搅拌后以10000rpm的速率离心15min，除去上清液，并用去离子水洗涤沉淀，再重复上述离心、洗涤操作5次，即得氧化石墨烯浓缩液稀；S33：取部分上述氧化石墨烯浓缩液稀稀释到20mL、浓度5mg/mL，加入20mL55％v/vHI水溶液，室温还原6h后再透析一周得还原氧化石墨烯悬浮液前驱液；S34：调节还原氧化石墨烯悬浮液浓度至0.05mg/mL、0.1mg/mL和0.2mg/mL，分别超声破碎15min后得三种不同浓度还原氧化石墨烯悬浮液；进一步的，所述步骤S3中，所述纳米导电相前驱液为25～100mmol/L的硝酸银水溶液；进一步的，S4中，所述聚电解质单体为2.8～3.5mol/L的丙烯酸水溶液；所述的交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，添加量为聚电解质单体质量分数的0.1～0.5％；所述的催化剂为四甲基乙二胺，其添加量为所述水溶液体积分数的0.05～0.15％；所述的引发剂为过硫酸盐，优选过硫酸铵，其添加量为聚电解质单体质量分数的0.5～1.5％；进一步的，S5中，所述金属离子水溶液为浓度0.2～1.0mol/L的AlCl3或FeCl3水溶液。本专利技术的第三方面提供了一种上述任一种压阻式传感器材料在制备压阻式传感器中的用途。本专利技术的第四方面还提供了一种压阻式传感器，所述传感器制备方法包括以下步骤：S1：将上述任一种压阻式传感器材料切割成适宜的尺寸得水凝胶介质层；优选长1～3cm、宽1～3cm以及厚0.5～3mm的薄片或直径为1～3cm、厚度为0.5～3mm的薄片；S2：采用所述水凝胶介质层与电极片制备成电极-水凝胶介质层-电极三明治样结构，然后在电极片上各自引出直径为0.1～0.2mm、长度为6～15cm的铜丝或银丝作导线，形成连导线的三明治样结构；S3：采用聚酰亚胺薄膜绝缘胶纸将所述连导线的三明治样结构封装即得到所述压阻式传感器。进一步可选的，S2所述电极为铜或泡沫镍电极；优选的，所述泡沫镍电极或铜电极的厚度为50～100μm；进一步的，S3中所述聚酰亚胺薄膜绝缘胶纸厚度为40μm。有益效果本专利技术具备以下有益效果：1、本专利技术采用离子液体处理木粉后再将其溶胶化、化学交联-凝胶化、并冷冻干燥后，去除木粉中的木质素和半纤维素后，所得的木质纤维气凝胶中具有大量的孔隙结构，且孔洞结构排列规则、均匀，孔壁完整(如图1所示)。2、本专利技术不仅利用聚多巴胺还原氧化石墨烯的负载；而且还能还原硝酸银生成纳米银颗粒，巧妙地、低成本地将纳米银、石墨烯等纳米材料引入结构中，赋予水凝胶良好的电导性能。3、本专利技术制备的纳米导电相包覆木质纤维-聚电解质复合水凝胶具有良好的循环压缩性能；金属离子与聚丙烯酸中羧基的载入大大提高了复合水凝胶的力学强度。4.采用本专利技术制备的压阻式传感器材料制备出的传感器具有具有非常高的灵敏度和非常宽的感应范围。...

【技术保护点】
1.一种压阻式传感器件材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：采用离子液体处理木粉后再将其溶胶化、化学交联-凝胶化、并冷冻干燥后得到木质纤维气凝胶；/nS2：将该气凝胶浸入盐酸多巴胺的碱性缓冲液中，在其表面自聚合10～14h，得到聚多巴胺沉积的木质纤维基水凝胶；/nS3：将所述木质纤维基水凝胶浸入纳米导电相悬浮液或纳米导电相前驱液中10～24h，然后压缩木质纤维基水凝胶中的液体，重复上述操作3～5次，形成导电相负载的木质纤维基水凝胶；/nS4：将所述导电相木质纤维基水凝胶与含聚电解质单体、交联剂、引发剂、催化剂的水溶液在40～60℃下反应12～24h，形成复合导电相木质纤维基水凝胶；/nS5：将所述复合导电相木质纤维基水凝胶浸入金属离子化合物的水溶液中络合6～24h，形成所述压阻式传感器材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种压阻式传感器件材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用离子液体处理木粉后再将其溶胶化、化学交联-凝胶化、并冷冻干燥后得到木质纤维气凝胶；
S2：将该气凝胶浸入盐酸多巴胺的碱性缓冲液中，在其表面自聚合10～14h，得到聚多巴胺沉积的木质纤维基水凝胶；
S3：将所述木质纤维基水凝胶浸入纳米导电相悬浮液或纳米导电相前驱液中10～24h，然后压缩木质纤维基水凝胶中的液体，重复上述操作3～5次，形成导电相负载的木质纤维基水凝胶；
S4：将所述导电相木质纤维基水凝胶与含聚电解质单体、交联剂、引发剂、催化剂的水溶液在40～60℃下反应12～24h，形成复合导电相木质纤维基水凝胶；
S5：将所述复合导电相木质纤维基水凝胶浸入金属离子化合物的水溶液中络合6～24h，形成所述压阻式传感器材料。


2.根据权利要求1所述的压阻式传感器件材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1的操作包括：
S11：向1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体中加入其质量分数4～6％的木粉，然后在110～185℃下加热搅拌30min～24h，形成混悬液，然后将上述混悬液转入其体积8～10倍量、浓度为40～60％v/v丙酮水溶液中，搅拌1～3h，抽滤并洗涤得滤渣，将滤渣于100～110℃烘干得木质纤维；
S12：将所述木质纤维加入到含4wt％NaOH和4wt％尿素的水溶液中，所述木质纤维与水溶液的质量比为0.8～1.5：100，形成混悬液，然后将该混悬液在-40℃～-20℃冷冻3～9h后再室温解冻，重复上述冻融处理3～5次，得溶胶化木纤维；
S13：向所述溶胶化木纤维中加入其质量8～20倍量的环氧氯丙烷，在40～60℃加热反应1～6h，水洗，得化学交联-凝胶化木纤维；
S14：向所述化学交联-凝胶化木纤维中加入100～500mL30％～90％v/v乙醇-水溶液，静置10～16h，水洗后冷冻干燥，即得到密度为0.016～0.025g·cm-3的木质纤维气凝胶。


3.根据权利要求1所述的压阻式传感器件材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2的操作包括：将该气凝胶浸入盐酸多巴胺的碱性三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液中，得到聚多巴胺沉积的木质纤维基水凝胶；优选的，所述缓冲液中盐酸多巴胺的浓度为1～3mg/mL，所述缓冲液中三羟甲基氨基甲烷浓度为0.01～0.1mol/L，所述缓冲液pH为8～10.5。


4.根据权利要求1所述的压阻式传感器件材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述纳米导电相悬浮液为还原氧化石墨烯悬浮液；优选的，还原氧化石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈晓萍，孙庆丰，聂康晨，郑理，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33