一种用于记录行走轨迹的皮革基压力传感器、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种用于记录行走轨迹的皮革基压力传感器的制备方法。具体步骤如下：（1）制备具有配位键合复合三维导电皮革；（2）将双层导电皮革通过高分子材料粘结层制成压阻式传感器；（3）单点型压力传感器组装成密集阵列型压力传感器构筑均匀微纳结构导电网络；（4）将密集阵列型传感器置于鞋底通过将施加及释放的压力转化为电信号检测人体行走规律合理规划运动健身。本发明专利技术制备基于导电皮革用于记录行走轨迹的压力传感器的制备方法，提高压缩应力、增强回弹性、提高稳定性、穿着舒适透湿透气，可实时监测人体运动规律规划合理健身运动。

A leather based pressure sensor for recording the walking track, its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种用于记录行走轨迹的皮革基压力传感器、制备方法及应用
本专利技术属于导电皮革
，公开了一种用于记录行走轨迹的皮革基压力传感器的制备方法。
技术介绍
作为可穿戴电子产品的一个重要分支，柔性压力传感器由于其广泛的应用引起了人们研究，例如人机界面、电子皮肤、健康监测以及某些应用程序驱动功能。尤其是人们对健康越来越重视，合理的监测运动规律对指导人们身体健康有重要的意义。跑步、行走是人们每天必备的一项运动，通过跑步、行走数据来指导和检测人体合理的运动、摔倒及术后恢复情况，对人类健康生活发展具有跨时代意义。传统压力传感器通过调控导电材料之间的接触电阻随基材形变来监测信号流。但是这类传感器压缩回弹变形小，稳定性差，灵敏度低。由于不能均匀的控制局部复杂压力分布状况处导电物质间的接触电阻，其压力和相对电阻间不存在线性关系，无法同时获得高灵敏度和高压力监测范围。而且，在去除压力后，导电物质间接触电阻恢复慢使得器件间存在较大的回滞环，影响其准确性。构筑具有均匀微纳结构的导电网络经常用来提高器件性能，用于检测不同复杂环境下的力学信号的变化。皮革是一种传统的可穿戴材料，穿着舒适度高、透气性好、生物相容性好，皮革固有的三维立体异质结构以及皮革胶原纤维所丰富的官能团使其更加容易于负载结合导电材料，从而使“死皮”具有恢复感知能力的可能。现有技术中暂时没有导电碳材料和皮革胶原纤维配位键合制备压力传感器用于检测指导人体健康运动的方法。
技术实现思路
本专利技术以石墨烯、还原氧化石墨烯、单壁或多壁碳纳米管、过渡金属离子、天然皮革等原料，以导电皮革做导电层，以高分子材料做粘结层，制备一种基于导电皮革用于记录行走轨迹的压力传感器。本专利技术解决了上述问题中的一个或多个，制备方法快速简单且环境友好，所得到的皮革基压力传感器既可以灵敏的获取相关数据，又能保证该柔性传感器穿戴时的舒适性。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：用于记录行走轨迹的皮革基压力传感器的制备方法，包括以下步骤：1）制备具有配位键合复合三维导电皮革；所述具有配位键合复合三维导电皮革包括过渡金属离子为桥连剂通过配位键合将石墨烯、碳纳米管等导电碳材料和皮革胶原纤维牢固结合得到。所述具有配位键合复合三维导电皮革包括过渡金属离子种类为铁、铝、铬、锆、钛的一种或多种，导电碳材料为石墨烯、还原氧化石墨烯、多壁或单壁碳纳米管的一种或多种，皮革本体为牛皮、猪皮、驴皮、兔皮、羊皮的一种。2）将双层导电皮革通过高分子材料粘结层制成压阻式传感器；所述压阻式传感器由导电皮革作面层分别为第一皮革、第二皮革，高分子材料作粘结层，制成双面层三明治结构得到。所述压阻式传感器包括高分子材料为聚氨酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚碳酸酯的一种。所述第一皮革包括皮革本体和导电碳材料，所述第一皮革本体和导电碳材料复合，所述第一皮革电阻率大小范围为0.96Ω·cm~1.28kΩ·cm，所述第二皮革包括皮革本体和导电碳材料，所述第二皮革本体和导电碳材料复合，所述第二皮革电阻率大小范围为0.96Ω·cm~1.28kΩ·cm。3）单点型压力传感器组装成密集阵列型压力传感器构筑均匀微纳结构导电网络；所述压力传感器以单个单元、不同多个单元阵列式、多个单元密集阵列式或整体附着的方式置于鞋底。所述压力传感器包括以单个单元、多个单元阵列、多个单元密集阵列以圆形、矩形、三角形、不规则阵列的一种或多种。4）将密集阵列型传感器置于鞋底通过将施加及释放的压力转化为电信号检测人体行走规律合理规划运动健身。通过跑姿、走姿及其频率所产生的压力转化为电信号判断行走步数、行走规律、姿势规范度，合理规划指导运动健康指标。具体地：（1）具有配位键合复合三维导电皮革的制备采用还原氧化石墨烯、酸化碳纳米管、过渡金属离子溶液混合。取MWCNT/RGO质量比分别为3:0、3:1、3:2、3:3，超声分散在NMP中制备0.2mg/mL分散液，然后和不同比例过渡金属离子溶液混合，其中Mn+/C分别为0.01，0.02，0.03，0.04，0.08，0.16mmol/mg，室温下搅拌反应2～3h，一定pH下，将一定面积皮革超声辅助浸渍1h在混合溶液中后，50℃半烘干处理，进行热压10~30min，使胶原表面二次组装。（2）压力传感器的制备裁剪不同尺寸的导电皮革两块分别作第一皮革、第二皮革，高分子材料作粘结层制成三明治结构压力传感器。（3）密集阵列型压力传感器的制备将单个单元阵列的压力传感器以圆形/矩形/三角形/不规则形状阵列组装成密集阵列型压力传感器。将密集阵列型压力传感器置于鞋底脚掌处，通过对密集阵列型压力传感器施加和释放压力形变产生的电流信号记录行走规律。经过优化实验条件，优选的技术方案为：所述的导电皮革中导电碳材料为MWCNT/RGO质量比为3:1，过渡金属离子为Co2+，皮革为牛二层皮；经过优化实验条件，优选的技术方案为：所述的导电皮革中Co2+/C为0.08mmol/mg；经过优化实验条件，优选的技术方案为：所述的导电皮革中pH为7、反应时间为2.5h；经过优化实验条件，优选的技术方案为：所述的导电皮革中电熨斗热压20min后自然晾干；经过优化实验条件，优选的技术方案为：所述的压力传感器中高分子材料为聚氨酯；经过优化实验条件，优选的技术方案为：所述的阵列型压力传感器中的形状为不规则状；经过优化实验条件，优选的技术方案为：所述的阵列型压力传感器为密集阵列型压力传感器；本专利技术的有益效果为：（1）本专利技术以配位键合制备导电皮革作为三维导电柔性基材，具有高导电率、高耐受性，高分子材料作为中间层结合导电皮革构筑均匀微纳结构导电网络制备密集阵列压力传感器，提高压缩应力、增强回弹性、提高稳定性。（2）本专利技术以皮革为基材，将前沿热点与传统材料相结合，赋予皮革感知能力用于检测人体运动规律指导人体健康，丰富了皮革多功能应用，对指导生命健康具有现实意义。（3）本专利技术制备过程简单、原料成本低、透气透湿穿着舒适度高、利于推广应用。附图说明图1是实施例3中制备的天然皮革、导电皮革SEM图，电导率为1.36Ω·cm，方阻为9.87Ω/sq；图2是实施例3制备的密集阵列压力传感器图；图3是实施例3中制备的密集阵列压力传感器在3V电压下100G、200G压力下电流与时间关系图；图4是本专利技术制备的压力传感器的结构示意图；其中：1-第一导电层；2-粘结层；3-第二导电层。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步阐述，但是本专利技术不局限于以下实施例。实施例1步骤1：取MWCNT/RGO质量比为3:0，超声分散在NMP中制备0.2mg/mL溶液，然后和Al3+溶液混合，其中Al3+/C分别为0.01mmol/mg，pH为3下，室温下搅拌反应2h，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于记录行走轨迹的皮革基压力传感器，包括第一导电层和第二导电层，第一导电层与第二导电层通过粘结层连接，其特征在于，第一导电层与第二导电层中的至少一层为导电皮革，该导电皮革由包括以下步骤的方法得到：/n以过渡金属离子M

【技术特征摘要】
1.一种用于记录行走轨迹的皮革基压力传感器，包括第一导电层和第二导电层，第一导电层与第二导电层通过粘结层连接，其特征在于，第一导电层与第二导电层中的至少一层为导电皮革，该导电皮革由包括以下步骤的方法得到：
以过渡金属离子Mn+为桥连剂，通过配位键合，将导电碳材料与皮革中的活性基团牢固结合得到。


2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述导电皮革由包括以下步骤的方法得到：
导电碳材料采用还原氧化石墨烯rGO、酸化碳纳米管MWCNT中的至少一种；将导电碳材料混入过渡金属离子溶液中，分散均匀；
待过渡金属离子充分吸附于导电碳材料表面后，通过浸渍、超声辅助浸渍、或分散体穿透皮革的方式，令过渡金属离子-导电碳材料分散体与皮革充分接触，实现过渡金属离子-导电碳材料在皮革中的组装。


3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述导电皮革的电阻率为0.96Ω·cm~1.28kΩ·cm。


4.用于记录行走轨迹的皮革基压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
以过渡金属离子为桥连剂，通过配位键合，将导电碳材料与皮革中的活性基团牢固结合得到导电皮革；
通过粘结层将第一导电层与第二导电层粘合，所述第一导电层与第二导电层中的至少一层为导电皮革。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述导电皮革由包括以下步骤的方法得到：
导电碳材料采用还原氧化石墨烯、酸化碳纳米管中的至少一种；将导电碳材料混入过渡金属离子溶液中，分散均匀；
待过渡金属离子充分吸附于导电碳材料表面后，通过浸渍、超声辅助浸渍、分散体穿透皮革等方式，使过渡金属离子-导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗晓民，蒋雯，张鹏，冯见艳，秦荣，刘丽成，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61