一种皮革基力学传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种一种皮革基力学传感器及其制备方法。所述皮革基力学传感器，包括第一皮革和第二皮革，第一皮革的第一表面和第二皮革的第一表面均设置有激光碳化区，第一皮革的第一表面与第二皮革的第一表面相对设置，且第一皮革的激光碳化区与第二皮革的激光碳化区位置相对应；各激光碳化区通过导线制作的电极与外部连接；所述第一皮革和第二皮革的第一表面喷涂了易于碳化的高分子材料；通过对喷涂了易于碳化的高分子材料的第一皮革和第二皮革的第一表面进行激光碳化得到所述激光碳化区。皮革基力学传感器通过激光碳化制备得到导电电路，不需要再铺设其他导电功能材料，结构简单，制备方法便捷，且材料易得、成本低、易降解。解。解。

【技术实现步骤摘要】
一种皮革基力学传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性传感器领域，具体涉及一种皮革基力学传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在柔性传感器领域，常通过柔性基底材料(如聚合物、金属薄片、玻璃薄片)来增加传感器的柔性和弹性，但这些传统基底材料生物兼容性差，难以满足长时间舒适穿戴的要求。另外，为实现传感器的高灵敏度常需要在其表面制备微纳结构。而这种方法存在微纳结构制备工艺复杂，基底材料生物兼容性差、不易降解等缺点。而皮革具有柔弹性、透气性、穿戴舒适以及多级分层孔隙(nm
‑
mm)的结构，将皮革制备为导电皮革使其作为柔性传感器的基底材料，可以大大提高柔性传感器的性能。
[0003]在导电皮革领域，传统的制备方法是通过皮革表面涂饰(包括喷涂、旋涂、打印以及真空抽滤等)导电功能材料(包括碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、炭黑、导电聚合物等)，来改善皮革的导电性；导电皮革广泛应用于电磁屏蔽、抗静电、压力传感等应用场景。上述传统的制备方法存在操作步骤复杂、涂饰功能材料价格昂贵等问题。激光碳化技术是新兴的高效、规模化、无模成型的技术，利用光热转化现象，以激光作为光热源碳化可以碳化的基体材料，如织物、皮革、羊毛、棉花、亚麻、蚕丝、聚酰亚胺、聚氨酯等。该技术属于干法常温常压工艺，碳化响应时间毫秒级(ms)别，可以利用计算机辅助设计复杂的阵列图样，结合激光参数的可控调节，得到理想的导电皮革。激光碳化皮革的基本几何单元或称一个像素，可以是点、线、面或设计的图案等，也可以组成碳化皮革阵列。激光碳化皮革可以作为传感器的敏感和弹性元件，同时也可作为保护层直接与外界接触。激光碳化皮革用于压力传感器具有广阔前景。
[0004]激光碳化技术应用于压力传感器面临如下主要的技术难题：(1)激光工艺将皮革纤维碳化形成导电网络，但是碳化后皮革纤维会变脆，在大压力作用下已造成损坏，可靠性是较大问题；(2)导电皮革纤维为孔隙结构，通过压力作用下孔隙闭合形成新的导电位点，从而导电性能发生改变，实现力学传感，但是孔隙结构较易闭合而导致器件易饱和，力学传感量程较小，且闭合速率为非线性过程而导致器件非线性响应。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在皮革压力传感器制备方法存在量程较小与非线性响应等不足，提供一种大量程线性程度高可靠性好的皮革基力学传感器及其制备方法。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0007]一种皮革基力学传感器，包括第一皮革和第二皮革，第一皮革的第一表面和第二皮革的第一表面均设置有激光碳化区，第一皮革的第一表面与第二皮革的第一表面相对设置，且第一皮革的激光碳化区与第二皮革的激光碳化区位置相对应；各激光碳化区通过导线制作的电极与外部连接；所述第一皮革和第二皮革的第一表面喷涂了易于碳化的高分子
材料；通过对喷涂了易于碳化的高分子材料的第一皮革和第二皮革的第一表面进行激光碳化得到所述激光碳化区。
[0008]优选地，所述第一皮革的第一表面和第二皮革的第一表面均为皮革的绒面。
[0009]优选地，所述第一皮革和第二皮革的激光碳化区为碳化皮质纤维网络结构，纤维网络内部填充有氧化硅纳米球颗粒。
[0010]优选地，所述激光碳化区的形状是矩形、圆形、带形或其他不规则形状。
[0011]优选地，所述皮革基力学传感器包括多个激光碳化区，多个激光碳化区成矩阵阵列、圆形阵列、或其他规则/不规则的阵列排布。
[0012]优选地，所述单位面积的激光碳化区在压力作用下的电阻变化范围为100 Ω/cm2‑
1MΩ/cm2。
[0013]一种皮革基力学传感器制备方法，包括以下步骤：
[0014]S1，清洗第一皮革和第二皮革，清洗后的第一皮革和第二皮革的绒面上喷涂易于碳化的高分子材料，烘干第一皮革和第二皮革；
[0015]S2，采用激光器对第一皮革和第二皮革的绒面的预设区域进行碳化处理，得到具有激光碳化区的第一皮革和第二皮革；
[0016]S3，将第一皮革与第二皮革的绒面相对放置，且第一皮革与第二皮革的激光碳化区位置相对应。
[0017]优选地，所述步骤S1包括以下详细步骤：
[0018]选取第一皮革和第二皮革，用去离子水、乙醇清洗第一皮革和第二皮革的绒面；然后进行超声清洗；在人造革的绒面上喷涂易于碳化的高分子材料；进行烘干固化。
[0019]优选地，所述步骤S2还包括在碳化导电皮革绒面沉积氧化硅纳米球颗粒，所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0020]S21，采用激光器对第一皮革和第二皮革的绒面的预设区域进行碳化处理，得到具有激光碳化区的第一皮革和第二皮革；其中激光器的激光功率高于易于碳化的高分子材料的碳化功率，且低于皮革纤维的碳化功率；
[0021]S22，在第一皮革和第二皮革的激光碳化区绒面的区域上滴涂或旋涂氧化硅纳米球颗粒溶液，并烘干。
[0022]优选地，所述步骤S3中还包括第一皮革和第二皮革的连接操作：将第一皮革与第二皮革的绒面通过粘合或缝纫的方式连接。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0024]1、皮革基力学传感器通过激光碳化制备得到导电电路，不需要再铺设其他导电功能材料，结构简单，制备方法便捷，且器件易得、成本低、易降解、生物安全性好，柔软可拉伸。
[0025]2、激光碳化之前在皮革绒面微结构上喷涂一层易于碳化的高分子材料，将有助于降低激光碳化功率，降低激光对皮革纤维微结构的破坏；该工艺既获得的具有力敏特性的导电网络，也使得皮革整体机械特性无明显变化，保障皮革应变可靠性、稳定性无明显衰退。
[0026]3、在激光碳化后的具有导电性的第一皮革和第二皮革的绒面间沉积氧化硅纳米球颗粒，将在皮革纤维孔隙中形成支撑位点，将增强导电皮革力敏微结构层的力学应变特
性，提升器件的压力传感量程；同时滴涂或者旋涂工艺使得激光碳化区内氧化硅纳米球颗粒分布密度为从表面向内为梯度减小，从而使得碳化皮革材料力学应变特性从表面向内为梯度分布，这将优化器件的力电响应线性度。
附图说明：
[0027]图1为本专利技术示例性实施例1的皮革基力学传感器的第一示意图；
[0028]图2为本专利技术示例性实施例3中皮革激光碳化后的光学显微镜照片；
[0029]图3为本专利技术示例性实施例3中皮革激光碳化后的电子显微镜照片；
[0030]图4为本专利技术示例性实施例3的皮革基力学传感器的实物图；
[0031]图5为本专利技术示例性实施例4的皮革基力学传感器电流相对变化量与压力的关系图；
[0032]图6为本专利技术示例性实施例4的皮革基力学传感器不同压力作用时的电流响应图；
[0033]图7为本专利技术示例性实施例4中激光碳化皮革后的阵列式的皮革基力学传感器实物图。
[0034]图中标记：1
‑
第一皮革，2
‑
第二皮革，3
‑
激光碳化区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种皮革基力学传感器，其特征在于，包括第一皮革(1)和第二皮革(2)，第一皮革(1)的第一表面和第二皮革(2)的第一表面均设置有激光碳化区(3)，第一皮革(1)的第一表面与第二皮革(2)的第一表面相对设置，且第一皮革(1)的激光碳化区与第二皮革(2)的激光碳化区位置相对应；各激光碳化区通过导线制作的电极(4)与外部连接；所述第一皮革(1)和第二皮革(2)的第一表面喷涂了易于碳化的高分子材料；通过对喷涂了易于碳化的高分子材料的第一皮革(1)和第二皮革(2)的第一表面进行激光碳化得到所述激光碳化区。2.根据权利要求1所述的皮革基力学传感器，其特征在于，所述第一皮革(1)的第一表面和第二皮革(2)的第一表面均为皮革的绒面。3.根据权利要求1所述的皮革基力学传感器，其特征在于，所述第一皮革(1)和第二皮革(2)的激光碳化区(3)为碳化皮质纤维网络结构，纤维网络内部填充有氧化硅纳米球颗粒。4.根据权利要求1所述的皮革基力学传感器，其特征在于，所述激光碳化区的形状是矩形、圆形、带形或其他不规则形状。5.根据权利要求4所述的皮革基力学传感器，其特征在于，所述皮革基力学传感器包括多个激光碳化区，多个激光碳化区成矩阵阵列、圆形阵列、或其他规则/不规则的阵列排布。6.根据权利要求1所述的皮革基力学传感器，其特征在于，所述单位面积的激光碳化区在压力作用下的电阻变化范围为100Ω/cm2‑
1MΩ/c...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏大鹏，谷明信，唐甜，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：