一种具有冲击感知功能的柔性防护材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及智能传感和防护材料领域，具体涉及一种具有冲击感知功能的柔性防护材料及其制备方法。该柔性防护材料为层状结构，包括至少一层呈三维多孔结构的柔性材料层；所述柔性材料层的材质主要为混有纳米导电材料的高分子弹性体，且其材质表面具有微结构特征。其制备方法包括，获得均匀混合的纳米导电材料、热膨胀微球及高分子弹性体溶液混合浆料；将所述混合浆料成型为具有三维多孔结构的柔性材料胚体；对所述柔性材料层胚体实施低温加热，进而固化定型得到柔性材料；对所述柔性材料层实施高温加热，使得热膨胀微球受热膨胀，得到材质表面具有微气囊凸起结构特征的柔性材料。所制备的柔性防护材料具有优异的冲击传感性能和冲击衰减能力。能和冲击衰减能力。能和冲击衰减能力。

【技术实现步骤摘要】
一种具有冲击感知功能的柔性防护材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及智能传感和防护材料领域，具体涉及一种具有冲击感知功能的柔性防护材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]冲击防护材料是在受到外界机械冲击时可以吸收和分散冲击能量从而保护人或物体免受冲击伤害的一种功能材料。传统的防护材料通常为刚性材质，如金属插板、陶瓷插板、和高性能纤维复合材料等，这些材料密度大、柔性韧性差，不能满足柔性防护对舒适性和轻量化等的要求。柔性冲击防护材料具有优异的力学柔韧性、穿戴舒适性、抗冲击特性等优点，近年来已成为人体防护领域研究的重点和热点，在军事战争、体育运动、日常生活等应用领域具有广阔市场应用前景。虽然近年来剪切增稠液或剪切增稠胶被广泛用于制备柔性防护材料，并展现出良好的冲击防护性能，但是剪切增稠液存在泄露、沉淀分层等风险；剪切增稠胶存在与其它材料结合强度差等问题。
[0003]随着智能可穿戴设备的快速发展，柔性防护材料除应具有优异抗冲击特性外，对于外界冲击的感知传感至关重要，有助于提前预防冲击伤害和对冲击强度进行评估。虽然目前有一些柔性防护材料出现，如中国专利公开的一些柔性防护材料(CN113897011A；CN113292858A)，但是这些柔性防护材料均不具备冲击感知功能。因此，亟需研发一种兼具冲击感知功能的柔性防护材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术意在提供一种具有冲击感知功能的柔性防护材料及其制备方法，以解决现有防护材料柔性差、不具备冲击感知功能的技术问题。
[0005]针对上述目的，一方面，本专利技术提出一种具有冲击感知功能的柔性防护材料，该柔性防护材料为层状结构，包括至少一层呈三维多孔结构的柔性材料层；
[0006]所述柔性材料层的材质主要为混有纳米导电材料的高分子弹性体(PDMS)，且其材质表面具有微结构特征。
[0007]进一步的，所述微结构特征为具有多尺度的微气囊凸起结构特征。
[0008]进一步的，所述微气囊凸起结构特征为，对掺入了热膨胀微球的高分子弹性体实施加热，因内部的热膨胀微球受热膨胀而在高分子弹性体表面产生的微凸起结构特征。
[0009]进一步的，所述纳米导电材料为纳米碳材料(NC)。
[0010]进一步的，柔性材料层的所述三维多孔结构包括多层，各层内为相互间留有间隙的条形结构体，各层的条形结构体相互交错设置。
[0011]进一步的，所述条形结构体的截面为圆形或椭圆形。
[0012]进一步的，还包括柔性电极层，所述柔性材料层紧密的夹于两层柔性电极层之间形成三明治结构。
[0013]另一方面，本专利技术还提供了上述柔性防护材料的制备方法，具体包括如下步骤：
[0014]步骤1，获得均匀混合的纳米导电材料、热膨胀微球及高分子弹性体溶液混合浆料；
[0015]步骤2，将所述混合浆料成型为具有三维多孔结构的柔性材料胚体；
[0016]步骤3，对所述柔性材料层胚体实施低温加热，进而固化定型得到柔性材料；
[0017]步骤4，对所述柔性材料层实施高温加热，使得热膨胀微球受热膨胀，得到材质表面具有微气囊凸起结构特征的柔性材料。
[0018]步骤5，取层状的所述柔性材料与所需的其它层状材料结合，得到柔性防护材料。
[0019]进一步的，步骤2中使用3D直写打印机将所述混合浆料成型为具有三维多孔结构的柔性材料胚体。
[0020]优选的，步骤1中的纳米导电材料与高分子弹性体的质量比为1～7:100，热膨胀微球与高分子弹性体的质量比为5～40:100。
[0021]优选的，步骤1中的纳米导电材料为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯或炭黑中的一种或者任意两种混合。
[0022]优选的，步骤1中的高分子弹性材料为Ecoflex0010、Ecoflex0030、Ecoflex0050或双组份的Sylgard 184中的一种。
[0023]优选的，步骤1的热膨胀微球为核壳结构，其中外壳为热塑性丙烯酸酯聚合物，内核为碳氢化合物组成的球状颗粒。
[0024]优选的，热膨胀微球为POLYCHEM Clocell系列微球中的120DU15型、180DU25型或180DU45型微球中的一种或多种。
[0025]优选的，步骤3中所述的低温加热的温度为25～50℃，加热时间为4～24h。
[0026]优选的，步骤4中所述的高温加热的温度为85～140℃，加热时间为7～20min。
[0027]进一步的，所述步骤5包括，在层状的柔性材料的上下表面均匀涂覆导电胶以形成柔性电极，并贴上高强柔性封装材料，得到具有冲击感知功能的柔性防护材料。
[0028]优选地，所述导电胶为Wacker柔性电极或导电银浆中的一种。
[0029]优选地，所述柔性封装材料为高强度PET、碳纤维织物、尼龙布、超高分子量聚乙烯或凯夫拉材料中的一种或多种。
[0030]本专利技术所称的柔性材料层的材质表面有别于柔性材料层的表面，前者是指柔性材料内的形成所述三维多孔结构的各个构成体的表面，后者则是将柔性材料层视作一整体时所呈现的表面。
[0031]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0032]本专利技术的柔性防护材料中使用的柔性材料层的基础材质为高分子弹性体，并成型为三维多孔结构，材质表面具有微结构特征，使得柔性防护材料本身具有较好的冲击防护性能。
[0033]柔性防护材料中柔性材料层的材质中混有纳米导电材料，柔性材料层具有了电学特性，另一方面，柔性材料层在受到冲击时会产生形变，同时三维多孔结构内的材质表面在外力的作用下相互接触，使得柔性材料层的电阻发生变化。受到不同程度的冲击，柔性材料层的形变程度和接触状态也会不同，进而电阻发生变化的程度也会不同，通过测量柔性材料层输出电阻的变化可实现冲击感知功能。
[0034]在一些实施例中，柔性材料层的材质表面具有多尺度特征，相比于光滑材质表面，
这种多尺度微结构特征有益于同时提高冲击力感知的灵敏度和测量范围。
[0035]在一些实施例中，得益于热膨胀微球具有较大的体积膨胀比，通过加热可使其在材料表面直接快速形成表面微凸起结构，微球里面的化学物质受热汽化形成微气囊凸起结构，微气囊凸起结构是一具有内气压力的闭孔结构，同时具有高弹力且能够承受多次加压/卸压的外壳(热塑性丙烯酸酯聚合物)，这种结构类似安全气囊，使得的本专利技术中的柔性防护材料的冲击防护性能更好；由于热膨胀微球受热膨胀程度不均匀，使得的微气囊凸起结构具有类似生物质材料表面的多尺度特征，相应的制备方法无需任何模具即可成型具有多尺度特征的微气囊凸起结构，简单高效，同时制备成本低廉。
[0036]本专利技术所述方法简单、高效，所制备的柔性防护材料具有优异的冲击传感性能和冲击衰减能力。
附图说明
[0037]通过参考附图会更加清楚的理解本申请的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本申请进行的任何限制，在附图中：
[0038]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有冲击感知功能的柔性防护材料，该柔性防护材料为层状结构，其特征在于，包括至少一层呈三维多孔结构的柔性材料层；所述柔性材料层的材质主要为混有纳米导电材料的高分子弹性体，且其材质表面具有微结构特征。2.所述微结构特征为具有多尺度的微气囊凸起结构特征。3.所述微气囊凸起结构特征为，对掺入了热膨胀微球的高分子弹性体实施加热，因内部的热膨胀微球受热膨胀而在高分子弹性体表面产生的微凸起结构特征。4.柔性材料层的所述三维多孔结构包括多层，各层内为相互间留有间隙的条形结构体，各层的条形结构体相互交错设置。5.还包括柔性电极层，所述柔性材料层紧密的夹于两层柔性电极层之间形成三明治结构。6.如权利要求1
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5中任一所述的柔性防护材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获得均匀混合的纳米导电材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐振华，薛珊珊，李元庆，付绍云，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：