一种柔性应变传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于复合材料技术领域，公开了一种柔性应变传感器及其制备方法和应用，以腈基丁二烯橡胶为聚合物基体，采用溶解涂层技术将炭黑粒子嵌入腈基丁二烯橡胶基质中得到的腈基丁二烯橡胶/炭黑复合膜，聚多巴胺在炭黑层上通过自聚合形成保护层，形成炭黑层夹心型柔性应变传感器；其制备方法包括以下步骤：S1、将炭黑粒子与混合溶剂配置成悬浮液，将腈基丁二烯橡胶浸入悬浮液中得到腈基丁二烯橡胶/炭黑复合材料；S2、将复合膜浸入多巴胺预聚液中得到形成炭黑层夹心型柔性应变传感器。本发明专利技术制备的应变传感器具备灵敏度高、柔韧性好、重复性好和稳定性好等优点，可用于生产可穿戴、柔性传感系统，用于实时监测人体运动。用于实时监测人体运动。用于实时监测人体运动。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性应变传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于复合材料
，具体涉及一种柔性应变传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]柔性应变传感器被广泛用于检测身体运动、疾病诊断、制作智能服装等，这些传感器通常基于动能到电能的转换。如今，应变传感器的低成本制造、卓越的机械和力
‑
电性能，以及各种导电聚合物复合材料(CPC)的发展，引起了人们的广泛关注。对于生产应变传感器的CPC，应选择具有出色拉伸性和卓越可恢复性的聚合物基质(例如聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)和热塑性聚氨酯(TPU)等)，并且纳米级导电填料必须提供良好且可调的灵敏度(例如炭黑(CB)，碳纳米管(CNTs)和石墨烯等)。导电填料所构建的导电网络在外部宏观应变下的变形而引起的可变电性能通常可以由隧穿理论解释。灵敏度、施加的应变范围、可重复性和稳定性是判断应变传感器应用的重要参数。
[0003]常见的柔性应变传感器，往往通过熔融混合或者原位聚合等方法制备柔性导电复合材料，其耗时长且工艺复杂，不利于工业化的稳定生产。且引入复合材料中的关键功能化纳米粒子，会随着服役时间的增加，容易脱落，使得其构建的三维导电网络效果持续性不好，并造成使用环境的污染。本专利技术提出一种简单易操作，价格便宜的柔性传感器制备方法，同时引入聚多巴胺自聚合作为保护层，在保护纳米炭黑粒子不脱落的同时，提供一定的生物相容性，并提出了预测循环应变传感行为的模型。产生的应变传感器被组装在关节上以检测身体运动，为柔性应变传感器的制备和应用提供了新思路。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，针对现有存在的上述问题，提供一种柔性应变传感器及其制备方法，通过溶解涂层技术将炭黑粒子嵌入腈基丁二烯橡胶基质中，并将得到的腈基丁二烯橡胶/炭黑复合膜涂覆聚多巴胺以保护炭黑层，炭黑和聚多巴胺的加入使腈基丁二烯橡胶膜的力学性能显著提高，所产生的复合膜具有非细胞毒性和高度的生物相容性，制备的应变传感器灵敏度高、柔韧性好、重复性好和稳定性好等优点，可用于生产可穿戴、柔性传感系统，用于实时监测人体运动。
[0005]为了实现上述目的，本申请采用的技术方案为：
[0006]一种柔性应变传感器，以腈基丁二烯橡胶为聚合物基体，采用溶解涂层技术将炭黑粒子嵌入腈基丁二烯橡胶基质中得到的腈基丁二烯橡胶/炭黑复合膜，形成炭黑层夹心型柔性应变传感器。
[0007]上述柔性应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1、将炭黑粒子置于混合溶剂中，然后搅拌形成悬浮液，将腈基丁二烯橡胶手套浸入悬浮液中，悬浮液搅拌后进行超声再搅拌，静置后将腈基丁二烯橡胶手套取出，干燥后得到腈基丁二烯橡胶/炭黑复合膜；
[0009]S2、将多巴胺置于三份溶液中进行溶解得到多巴胺预聚液，将腈基丁二烯橡胶/炭黑复合膜浸入多巴胺预聚液中，搅拌反应后干燥，进行清洗得到炭黑层夹心型柔性应变传感器。
[0010]优选的，S1中，所述混合溶剂为四氢呋喃和N,N
‑
二甲基甲酰胺，四氢呋喃和N,N
‑
二甲基甲酰胺的体积比为4：1。
[0011]优选的，S1中，所述炭黑粒子与混合溶剂的质量体积比为10.52g：250mL。
[0012]优选的，S1中，所述搅拌的速率为50
‑
400r/min，时间为10
‑
120min。
[0013]优选的，S1中，所述悬浮液搅拌30min后进行超声再搅拌30min，静置的时间为4h。
[0014]优选的，S2中，所述三羟甲基氨基甲烷缓冲液的pH为8.5，所述多巴胺预聚液的浓度为0.5
‑
2mg/mL。
[0015]优选的，S2中，所述搅拌反应的速率为200r/min，搅拌的时间为6h；所述清的方式为先用醇清洗后再用水清洗。
[0016]此外，本专利技术还提供了上述柔性应变传感器在制备可穿戴柔性传感系统中的应用。
[0017]优选的，所述可穿戴柔性传感系统用于实时监测人体运动，实时监测人体运动的快速评估方法为：
[0018][0019]式中，a0‑
振幅；p
‑
双周期；b,c,n
‑
经验参数；t
‑
时间。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0021](1)本专利技术通过溶解涂层技术将炭黑粒子嵌入腈基丁二烯橡胶基质中，并将得到的腈基丁二烯橡胶/炭黑复合材料涂覆聚多巴胺以保护炭黑层。炭黑和聚多巴胺的加入使腈基丁二烯橡胶膜的力学性能显著提高，所产生的复合膜具有非细胞毒性和高度的生物相容性；本专利技术制备的复合薄膜具有灵敏度高、柔韧性好、重复性好、稳定性好等优点，可用于生产可穿戴、柔性传感系统，用于实时监测人体运动。
[0022](2)本专利技术制备的柔性传感系统工艺简单，具备极佳的应变传感范围，高达500％，极佳的稳定性效果，以及优秀的生物相容性等；此外，本专利技术提供的柔性应变传感器的快速评估方法，可以为柔性应变传感器提供快速有效的评估方法。
附图说明
[0023]图1为本专利技术柔性应变传感器的制备工艺示意图；
[0024]图2为本专利技术实施例1和对比例1复合膜的扫描电镜图；
[0025]图3为本专利技术实施例1和对比例1的应力
‑
应变曲线图；
[0026]图4为本专利技术实施例1和对比例1培养NIH3T3细胞存活图；
[0027]图5为本专利技术快速评估方法中预测效果与实际测试结果图；
[0028]图6为本专利技术不同最大应变的对比例1和实施例1复合膜的应变和RCR随时间的变化图；
[0029]图7为本专利技术循环应变(20％)下实施例1复合膜的ΔR/R0vs循环数；
[0030]图8为本专利技术实施例1附着在食指上的应变传感器监测手指弯曲运动图；
[0031]图9为本专利技术实施例1附着在五个手指的应变传感器监测手指弯曲运动图；
[0032]图10本专利技术实施例1制备的变传感器装置连接到肘关节上的运动图；
[0033]图11本专利技术实施例1制备的变传感器装置连接到肘关节上的运动图。
具体实施方式
[0034]下面将结合本专利技术实施例中的数据，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0035]需要说明的是，本专利技术中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围，除非另有特别说明，本专利技术以下各实施例中用到的各种原料、试剂、仪器和设备均可通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。
[0036]实施例1
[0037]一种柔性应变传感器，以腈基丁二烯橡胶为聚合物基体，采用溶解涂层技术将炭黑粒子(CB)嵌入腈基丁二烯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性应变传感器，其特征在于，以腈基丁二烯橡胶为聚合物基体，采用溶解涂层技术将炭黑粒子嵌入腈基丁二烯橡胶基质中得到的腈基丁二烯橡胶/炭黑复合膜，形成炭黑层夹心型柔性应变传感器。2.根据权利要求1所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将炭黑粒子置于混合溶剂中，然后搅拌形成悬浮液，将腈基丁二烯橡胶浸入悬浮液中，悬浮液搅拌后进行超声再搅拌，静置后将腈基丁二烯橡胶取出，干燥后得到腈基丁二烯橡胶/炭黑复合膜；S2、将多巴胺置于三羟甲基氨基甲烷缓冲液中进行溶解得到多巴胺预聚液，将腈基丁二烯橡胶/炭黑复合膜浸入多巴胺预聚液中，搅拌反应后干燥，进行清洗得到炭黑层夹心型柔性应变传感器。3.根据权利要求2所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，S1中，所述混合溶剂为四氢呋喃和N,N
‑
二甲基甲酰胺，四氢呋喃和N,N
‑
二甲基甲酰胺的体积比为4：1。4.根据权利要求2所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，S1中，所述炭黑粒子与混合溶剂的质量体积比为10.52g：250mL。5.根据权利要求2所述柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈慕超，秦怡静，秦太兴，徐华根，郑凯，郑振兴，徐伟，高群，谢梓馨，李洪硌，
申请(专利权)人：广东技术师范大学，
类型：发明
国别省市：