一种基于氧化锌纳米棒结构的织物基底压电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氧化锌纳米棒结构的织物基底压电传感器及其制备方法，压电传感器包括作为中间层的聚偏氟乙烯膜，以及设置在聚偏氟乙烯膜两侧作为上下层的涤纶织物电极；涤纶织物电极上生长有一层具有压电效应的氧化锌纳米棒。通过两步低温水热方法生长氧化锌纳米棒的涤纶织物电极作为传感器的上下两层，同时将具有压电效应的聚偏氟乙烯膜引入传感器中中间层。本发明专利技术的织物基压电传感器能够在受到外力的作用下产生压电效应，将外部的机械能转换成电能，能够被用来监测手势姿态的变化和感测人体不同位置信息，对于人体信息的检测具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于氧化锌纳米棒结构的织物基底压电传感器及其制备方法
本专利技术属于一种功能纳米材料传感器，尤其涉及基于氧化锌纳米棒结构的织物基底压电传感器及其制备方法。
技术介绍
随着智能可穿戴技术的快速发展，人们对于高柔性、舒适、轻便的智能监测设备的提出了更高的要求，因此基于织物纺织品类的的智能可穿戴设备受到了越来越多人的喜爱。伴随着全球能源消耗危机，寻求可再生资源和绿色资源成为了可持续发展的亟待解决的难题。同时现存供电设备体积较大，寿命较短的问题影响了其在可穿戴设备上的应用。因此，能够将各种形式的环境的机械能转换成电能实现自身供电，为可穿戴自发电技术提供了一条可行的方案。公开号为CN107815851A的专利公布了一种基于氧化锌纳米棒功能棉织物的生物传感器，该制备方法采用在经过牛血清蛋白(BSA)改性的棉织物高温水热釜中生长氧化锌纳米棒，然后通过在上述氧化锌纳米棒功能棉织物表面一段喷金处理，再将两端分别与导线两端相连，固定在柔性基底上得到具有压电效应的生物传感器，使其能够广泛的应用在可穿戴领域上。公开号为CN109457310A的专利公布了一种具有压电效应的双组分纤维、织物及其制备方法，采用具有导电性的高密度聚乙烯为芯层和具有压电效应的聚偏氟乙烯为平层，制备成了具有压电效应的双组分纤维及织物从而得到全纺压电传感器，得到的织物压电传感器能够用于服装和设备监测呼吸信号或心率，并可用于压力监测、执行器等方面。虽然通过将压电材料与织物基底进行结合能够在织物上制备具有压电效应的织物电极和传感器，但是应用到实际可穿戴领域监测人体信息如手指姿态的变化的监测、手腕运动的监测等等存在一些问题：织物基底压电传感器输出电压不稳定，灵敏度低，制备工艺复杂，辨识度较低。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种在可穿戴领域用于提高传感性能以及兼容性能的基于氧化锌纳米棒结构的织物基底压电传感器；本专利技术的第二目的在于提供上述织物基底压电传感器的制备方法。技术方案：本专利技术的一种基于氧化锌纳米棒结构的织物基底压电传感器，包括作为中间层的聚偏氟乙烯膜，以及设置在聚偏氟乙烯膜两侧作为上下层的涤纶织物电极；所述涤纶织物电极上生长有一层具有压电效应的氧化锌纳米棒。本专利技术选用具有压电效应的氧化锌纳米棒和聚偏氟乙烯作为传感器的压电层，受压时氧化锌纳米棒和聚偏氟乙烯发生形变从而将外在的机械能转换成电能。由于氧化锌为直接宽带隙半导体，自然条件下具有六角纤锌矿结构，它的中心不对称性使得ZnO具有压电特性。在不受外力的作用下，ZnO体内正负电荷Zn2+和O2-的中心重合，因此体内偶极矩为0，受到外力作用后，正负电荷中心不再重合，而是延着c轴产生极化，正负电荷之间产生偶极矩，偶极矩叠加的效果就是产生压电电势差，在材料两端将会产生符号相反的束缚电荷；同时由于聚偏氟乙烯的正压电效应，聚偏氟乙烯电偶极子的自发极化强度是恒定的，因此不能检测到压电输出信号，当在压电材料某一方向施加外力使其产生变形时，在其相对的两个表面上会产生极性相反，大小相等的电荷，当去除外力以后其又恢复为不带电的状态。当传感器受到外力作用时，氧化锌纳米棒和聚偏氟乙烯膜都会发生变形，导致两个导电织物电极之间的电位差。在此状态下，电子将从下电极流向上电极。随着外力的增加，氧化锌纳米棒和聚偏氟乙烯膜的变形量增大，电子停止流动直到形成电位平衡。当外界压力去除时，氧化锌和聚偏氟乙烯恢复到初始的状态，电子呈反方向流动。本专利技术的基于氧化锌纳米棒结构的织物基底压电传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将涤纶织物经等离子体处理后，先浸渍于含氯化亚锡和盐酸的混合溶液中，然后再重复浸渍于氧化石墨烯溶液中，最后用含还原剂的溶液进行还原形成涤纶织物电极；步骤二、将步骤一制备的涤纶织物电极先置于氧化锌种子溶液中，然后取出反应，并于室温条件下在织物表面形成种子生长点，接着再置于氧化锌生长溶液中反应，制备得到含氧化锌纳米棒阵列的涤纶织物电极；步骤三、通过旋涂法在玻璃片上涂覆一层聚偏氟乙烯溶液，真空干燥后制备得到聚偏氟乙烯膜；步骤四、将含氧化锌纳米棒阵列的涤纶织物电极和聚偏氟乙烯膜进行组装，电极采用铜线连接，组装后整体放于模具中进行封装，制备得到压电传感器。进一步地，将涤纶织物通过氧等离子体处理增加织物表面粗糙度赋予织物表面羟基、羧基基团，增加对亚锡离子的吸附量，然后再重复浸渍氧化石墨烯溶液，使织物表面吸附大量均匀的氧化石墨烯，通过化学还原的作用在织物上形成具有高导电性能的还原氧化石墨烯赋予织物优良的导电性能。亚锡离子与石墨烯的羟基、羧基静电吸引作用将氧化石墨烯牢牢的吸附在涤纶织物表面，氯化亚锡的加入一方面提高了对氧化石墨烯的吸附作用，另一方面也可以起到对氧化石墨烯的还原作用。优选地，含氯化亚锡和盐酸的混合溶液的具体配制为：每100mL的去离子水中添加0.5～2g的氯化亚锡和0.1～0.3mL的盐酸；其中，盐酸的质量百分比浓度为30～35％，织物的浸渍时间为1～3h，织物的浸渍温度为70～90℃；优选地，氧化石墨烯溶液的具体配制为：每100mL的去离子水添加0.1～0.5g的氧化石墨烯粉末；其中，织物的浸渍时间为0.2～0.4h，浸渍温度为20～30℃，重复浸渍的次数为2～8次；优选地，还原剂包括连二亚硫酸钠、L-抗坏血酸、水合肼中的任一种；其中，含还原剂的溶液的质量浓度为5～10g/L，还原反应的温度为80～100℃，还原反应的时间为10～12h。进一步地，电传感器中氧化锌纳米棒通过两步低温水热生长的方法均匀的生长在织物电极表面，生长在织物电极表面上的氧化锌纳米棒为沿着c轴自发生长的具有压电效应的六方纤锌矿结构，氧化锌纳米棒在涤纶织物表面均匀紧密排列。优选的，涤纶织物电极在氧化锌种子溶液中的处理时间为8～15min，处理后在70～90℃的温度下反应0.5～1h，反应后置于室温下的时间为6～8h；涤纶织物电极在氧化锌生长溶液中的反应时间为7～10h，反应温度为90～100℃。其中，氧化锌种子溶液的具体配制为；每50mL的异丙醇中先添加1.00～1.20g的乙酸锌，在80～90℃的温度下搅拌，然后再加入600～800μL的三乙胺，在80～90℃的温度下继续搅拌；氧化锌生长溶液的具体配制为：按摩尔比1:1在去离子水中分别添加六亚甲基四胺与硝酸锌六水合物。进一步地，电传感器中聚偏氟乙烯膜通过旋涂方法制备，将聚偏氟乙烯溶于DMF中，通过在玻璃片上旋涂制备一层厚度均匀的具有压电效应的β相聚偏氟乙烯膜，优选的，旋涂速率为400～600rpm，旋涂时间为15～25s，制备的聚偏氟乙烯膜厚度为40～200μm。进一步地，压电传感器放于PDMS模具中，模具通过激光切割方法制备高度为1mm的开口正方形的模具，将PDMS倒入模具中固化得到一个大小为3cm×3cm，高度为1mm的模具，PDMS固化温度为100℃，时间为30min，压电传感器上端采用聚酰亚胺胶带进行封装。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的显著优点为：(1)本专利技术采用的基底为织物基底，具有优良的透本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氧化锌纳米棒结构的织物基底压电传感器，其特征在于：包括作为中间层的聚偏氟乙烯膜，以及设置在聚偏氟乙烯膜两侧作为上下层的涤纶织物电极；所述涤纶织物电极上生长有一层具有压电效应的氧化锌纳米棒。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于氧化锌纳米棒结构的织物基底压电传感器，其特征在于：包括作为中间层的聚偏氟乙烯膜，以及设置在聚偏氟乙烯膜两侧作为上下层的涤纶织物电极；所述涤纶织物电极上生长有一层具有压电效应的氧化锌纳米棒。


2.一种权利要求1所述的织物基底压电传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将涤纶织物经等离子体处理后，先浸渍于含氯化亚锡和盐酸的混合溶液中，然后再重复浸渍于氧化石墨烯溶液中，最后用含还原剂的溶液进行还原形成涤纶织物电极；
步骤二、将步骤一制备的涤纶织物电极先置于氧化锌种子溶液中，然后取出反应，并于室温条件下在织物表面形成种子生长点，接着再置于氧化锌生长溶液中反应，制备得到含氧化锌纳米棒阵列的涤纶织物电极；
步骤三、通过旋涂法在玻璃片上涂覆一层聚偏氟乙烯溶液，真空干燥后制备得到聚偏氟乙烯膜；
步骤四、将含氧化锌纳米棒阵列的涤纶织物电极和聚偏氟乙烯膜进行组装，电极采用铜线连接，组装后整体放于模具中进行封装，制备得到压电传感器。


3.根据权利要求2所述的织物基底压电传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，含氯化亚锡和盐酸的混合溶液的具体配制为：每100mL的去离子水中添加0.5~2g的氯化亚锡和0.1~0.3mL的盐酸；其中，盐酸的质量百分比浓度为30~35%，织物的浸渍时间为1~3h，织物的浸渍温度为70~90℃。


4.根据权利要求2所述的织物基底压电传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，氧化石墨烯溶液的具体配制为：每100mL的去离子水添加0.1~0.5g的氧化石墨烯粉末；其中，织物的浸渍时间为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：王潮霞，殷允杰，谭永松，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32