一种基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器及其制备方法。该压力传感器以水凝胶为弹性基材，以自组装纤维素纳米晶基手性向列相液晶结构反射的可逆左旋偏振光波长为响应信号传递路径。制备方法包括如下步骤：包括纤维素纳米晶分散体系的制备、水凝胶前体的合成、纤维素纳米晶的蒸发诱导自组装、水凝胶前体的聚合等四个阶段；本发明专利技术的压力传感器的灵敏度为‑0.07kPa

A pressure sensor based on self-assembled cellulose nanocrystals and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器及其制备方法
本专利技术属于纤维素基功能材料
，具体地说，是涉及一种以水凝胶为弹性基材，以自组装纤维素纳米晶基手性向列相液晶结构反射的可逆左旋偏振光波长为响应信号传递路径的压力传感器及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着智能终端的普及，可穿戴设备等柔性器件呈现出巨大的市场前景[Li，D.D.，Lai，W.Y.，Zhang，Y.Z.，Huang，W.Printabletransparentconductivefilmsforflexibleelectronics.AdvancedMaterials，2018，10]。作为可穿戴设备的核心部件，能够对外界机械力等信号产生响应的压力传感器受到了研究人员的广泛关注[钱鑫，苏萌，李风煜，宋延林.柔性可穿戴电子传感器研究进展.化学学报，2016，74]。根据工作原理的不同，常见的压力传感器主要包括结构简单、制备成本较低的压阻式压力传感器[Gong，S.，Schwalb，W.，Wang，Y.，Chen，Y.，Tang，Y.，Si，J.，Shirinzadeh，B.，Cheng，W.Awearableandhighlysensitivepressuresensorwithultrathingoldnanowires.NatureCommunications，2014，5；Liu，W.J.，Liu，N.S.，Yue，Y.，Rao，J.，Cheng，F.，Su，J.，Liu，Z.，Gao，Y.Piezoresistivepressuresensorbasedonsynergisticalinnerconnectpolyvinylalcoholnanowires/wrinkledgraphenefilm.Small，2018，15；Wang，T.，Li，J.H.，Zhang，Y.，Liu，F.，Zhang，B.，Wang，Y.，Jiang，R.，Zhang，G.，Sun，R.，Wong，C.P.Highlyordered3Dporousgraphenespongeforwearablepiezoresistivepressuresensorapplications.Chemistry-AEuropeanJournal，2019，25]、通过施加外力来改变两电极间的距离并进一步影响其电容的电容式压力传感器[Frutiger，A.，Muth，J.T.，Vogt，D.M.，Mengüç，Y.，Campo，A.，Valentine，A.D.，Walsh，C.J.，Lewis，J.A.Capacitivesoftstrainsensorsviamulticore-shellfiberprinting.AdvancedMaterials，2015，27]、由受压过程中能够产生电压的压电材料制成的压电式压力传感器[徐奇，顾陇，秦勇.柔性压电纳米发电机.科学通报，2016，12；Pan，C.，Dong，L.，Zhu，G.，Niu，S.，Yu，R.，Yang，Q.，Liu，Y.，Wang，Z.L.High-resolutionelectroluminescentimagingofpressuredistributionusingapiezoelectricnanowireLEDarray.NaturePhotonics，2013，7]以及摩擦发电式和自发电式压力传感器[Fan，F.R.，Lin，L.，Zhu，G.，Wu，W.，Zhang，R.，Wang，Z.L.Transparenttriboelectricnanogeneratorsandself-poweredpressuresensorsbasedonmicropatternedplasticfilms.NanoLetters，2012，12]等多种类型，其响应机制均基于电学信号的变化，工作压力范围、灵敏度等性能主要受到结构设计、工艺水平等因素的影响。目前，研究人员主要通过光刻等微加工技术制备复杂的导电部件和精细的内部结构或者利用贵金属等获得导电性能优异的电子通路等方式改善压力传感器的响应性能[Xiao，J.L.，Tan，Y.Q.，Song，Y.H.，Zheng，Q.Aflyweightandsuperelasticgrapheneaerogelasahigh-capacityadsorbentandhighlysensitivepressuresensor.JournalofMaterialsChemistryA，2018，19]。但是，依赖微加工技术来提高压力传感器的性能会导致生产成本的显著增加[赵学峰，崔建利，高飞，张志东，闫树斌.基于CNTs/PDMS介电层的柔性压力传感特性研究.传感技术学报，2017，7]，另外，压力传感器结构中基于贵金属或半导体等的电极和电子通路也面临着无法降解、难以回收的环保困境[Liu，S.B.，Wu，X.，Zhang，D.D.，Guo，C.，Wang，P.，Hu，W.，Li，X.，Zhou，X.，Xu，H.，Luo，C.，Zhang，J.，Chu，J.Ultrafastdynamicpressuresensorsbasedongraphenehybridstructure.ACSAppliedMaterials&Interfaces，2017，28]。因此，在成本和环境的双重制约下，传统压力传感器性能提升和广泛推广都面临着巨大的压力，难以实现高效、环保的压力响应。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对由于传统压力传感器的性能提升过度依赖复杂的内部结构和金属等电极材料而导致的成本提高和环境压力，提供一种基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器及其制备方法。具体地说，是涉及一种以水凝胶为弹性基材，以自组装纤维素纳米晶基手性向列相液晶结构反射的可逆左旋偏振光波长为响应信号传递路径的压力传感器及其制备方法。该压力传感器在外界压力作用下能够表现出基于稳定结构色的可视化压力响应。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器，该压力传感器以水凝胶为弹性基材，以自组装纤维素纳米晶基手性向列相液晶结构反射的可逆左旋偏振光波长为响应信号传递路径。所述基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器的灵敏度为-0.07kPa-1~-0.16kPa-1，响应时间为50ms~80ms，工作压力范围为0kPa~12kPa。一种基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器的制备采用如下步骤：(1)首先利用硫酸水溶液对聚合度为200~220的微晶纤维素进行水解，并用蒸馏水通过真空抽滤将水解后的微晶纤维素洗涤至pH值为7；(2)将洗涤后的水解微晶纤维素低温烘至恒重，然后用蒸馏水配制成水解微晶纤维素分散体系；(3)对水解微晶纤维素分散体系进行高压均质处理，从而获得纤维素纳米晶分散体系；(4)在暗室、温度为20℃的条件下，将由水凝胶单体、交联剂、引发剂混合而成的水凝胶前体与步骤(3)制备所得的纤维素纳米晶分散体系混合并通过机械搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器，其特征在于：该压力传感器以水凝胶为弹性基材，以自组装纤维素纳米晶基手性向列相液晶结构反射的可逆左旋偏振光波长为响应信号传递路径，在外界压力作用下能够表现出基于稳定结构色的可视化压力响应。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器，其特征在于：该压力传感器以水凝胶为弹性基材，以自组装纤维素纳米晶基手性向列相液晶结构反射的可逆左旋偏振光波长为响应信号传递路径，在外界压力作用下能够表现出基于稳定结构色的可视化压力响应。


2.根据权利要求1所述的基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器，其特征在于：所述基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器的灵敏度为-0.07kPa-1~-0.16kPa-1，响应时间为50ms~80ms，工作压力范围为0kPa~12kPa。


3.根据权利要求1或2所述的基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器的制备方法，其特征在于：该压力传感器首先利用水凝胶提供的水相环境完成纤维素纳米晶的自组装过程，然后通过紫外引发水凝胶单体聚合获得自组装纤维素纳米晶基手性向列相液晶结构/水凝胶复合材料，具体步骤如下：
(1)首先利用硫酸水溶液对聚合度为200~220的微晶纤维素进行水解，并用蒸馏水通过真空抽滤将水解后的微晶纤维素洗涤至pH值为7；
(2)将洗涤后的水解微晶纤维素低温烘至恒重，然后用蒸馏水配制成水解微晶纤维素分散体系；
(3)对水解微晶纤维素分散体系进行高压均质处理，从而获得纤维素纳米晶分散体系；
(4)在暗室、温度为20℃的条件下，将由水凝胶单体、交联剂、引发剂混合而成的水凝胶前体与步骤(3)制备所得的纤维素纳米晶分散体系混合并通过机械搅拌等方式获得结构均匀的纤维素纳米晶/水凝胶前体复合物；
(5)在避光且氮气保护的条件下，对步骤(4)制备所得的纤维素纳米晶/水凝胶前体复合物进行蒸发诱导，获得自组装纤维素纳米晶基手性向列相液晶结构/水凝胶前体复合物；
(6)利用紫外光照射方式处理步骤(5)所得的自组装纤维素纳米晶基手性向列相液晶结构/水凝胶前体复合物，引发复合物中水凝胶单体的聚合，制备获得自组装纤维素纳米晶基手性向列相液晶结构/水凝胶复合物，即基于自组装纤维素纳米晶的压力传感器。


4.根据权利要求3所述的基于自组装纤维素纳米晶的压力传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩，辛长征，李召朋，徐茸茸，朱明，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南;41