一种柔性磁传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种柔性磁传感器及其制备方法，属于柔性智能传感技术领域。本发明专利技术的柔性磁传感器，包括海绵层、导电层和介电层。将介电层与多孔复合海绵电极复合形成三明治结构，能够有效解决单一多孔复合海绵面临的恢复性问题，可显著提高柔性磁传感器的力学性能与响应能力。本发明专利技术所用的磁性微粒为双分散磁性微粒，具有典型的双层核壳式结构，能够在外加磁场作用下同时表现出较好的磁化性能与流变性能。本发明专利技术的柔性磁传感器具有高柔韧性、低密度、高灵敏度的优点。高灵敏度的优点。高灵敏度的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性磁传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种柔性磁传感器及其制备方法，属于柔性智能传感


技术介绍

[0002]柔性磁传感器作为一类用于信息传输与采集的电子器件，具有无污染、精确的远程可控性及较强的环境适应性，在智能机器人、可穿戴电子及生物医疗等领域具有广泛的应用前景。由海藻酸钠和羧甲基壳聚糖制成的多孔复合海绵具有重量轻、易成型、稳定性强等优势，可用于柔性磁传感器的研制。例如，Yu Fu等在Smart Mater.Struct期刊中发表的论文“Flexible conductive sodium alginate/chitosan foam with good mechanical properties and magnetic sensitivity”中公开了一种柔性磁传感器，该柔性磁传感器由海藻酸钠、羧甲基壳聚糖和磁性粒子经生物交联制成，其中，磁性粒子包括依次由明胶和氧化石墨烯包覆的羰基铁粉(平均粒径为3.5μm，密度为7.9g/cm3)、依次由明胶和氧化石墨烯包覆的磁性Fe3O4(平均粒径为20nm)，但是该柔性磁传感器易变形，在重力作用下恢复至初始状态的能力较差，进而导致使用寿命较短。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种柔性磁传感器，可解决目前的多孔复合海绵用于柔性磁传感器时存在易变形、恢复性差的问题。
[0004]本专利技术的另一个目的在于提供一种柔性磁传感器的制备方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的柔性磁传感器所采用的技术方案为：
[0006]一种柔性磁传感器，包括依次设置的第一海绵层、第一导电层、介电层、第二导电层和第二海绵层；所述第一海绵层和第二海绵层为生物气凝胶，所述生物气凝胶由生物水溶胶制得，所述生物水溶胶由海藻酸钠、羧甲基壳聚糖、磁性微粒、水溶性钠盐、增塑剂和水溶性钙盐在水中制得；所述磁性微粒包括磁性粒子内核及在所述内核外由内向外依次包覆的明胶层和多壁碳纳米管层；所述磁性粒子包括微米羰基铁和纳米四氧化三铁。
[0007]本专利技术的柔性磁传感器，包括海绵层、导电层和介电层。将介电层与多孔复合海绵电极复合形成三明治结构，能够有效解决单一多孔复合海绵面临的恢复性问题，可显著提高柔性磁传感器的力学性能与响应能力。本专利技术所用的磁性微粒为双分散磁性微粒，具有典型的双层核壳式结构，能够在外加磁场作用下同时表现出较好的磁化性能与流变性能。本专利技术的柔性磁传感器中所用的海藻酸钠、壳聚糖、明胶等均为天然高分子聚合物，成本低廉，绿色环保，且可生物降解。本专利技术的柔性磁传感器具有高柔韧性、低密度、高灵敏度的优点。
[0008]可以理解的是，内核外由内向外依次包覆的明胶层和多壁碳纳米管层是指内核首先由明胶层包覆，包覆内核的明胶层再被多壁碳纳米管层包覆。磁性粒子包括微米羰基铁和纳米四氧化三铁意味着磁性微粒包括微米羰基铁及在微米羰基铁外由内向外依次包覆的明胶层和多壁碳纳米管层、纳米四氧化三铁及在纳米四氧化三铁外由内向外依次包覆的
明胶层和多壁碳纳米管层。
[0009]优选地，所述微米羰基铁的平均粒径为3.5μm。优选地，所述纳米四氧化三铁的平均粒径为20nm。优选地，所述微米羰基铁和纳米四氧化三铁的质量比为4:0.5。
[0010]本专利技术中，磁性微粒的制备方法可参考专利技术人于2018年12月在国际期刊《Smart Materials and Structures》上发表的文章“Fabrication and Magnetorheology of Bidisperse Magnetic Microspheres Coated with Gelatin and Multi
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walled Carbon Nanotubes”中提供的制备方法。具体地，磁性微粒由包括以下步骤的方法制得：
[0011](1)将由羰基铁粉、磁性Fe3O4和氯化钠组成的混合物添加至中进行超声波振荡，使明胶均匀包覆在羰基铁粉和Fe3O4粉末表面，然后在磁场作用下分离出包覆后的磁性颗粒，再用蒸馏水进行洗涤、干燥；所述明胶水溶液的质量体积浓度为0.1g/mL；所述羰基铁粉、磁性Fe3O4和氯化钠的质量比为4:0.5:0.2；所述羰基铁粉的质量和明胶水溶液中明胶的质量之比为4:2.5；所述羰基铁粉的平均粒径为3.5μm，密度为7.9g/cm3；所述磁性Fe3O4的平均粒径为20nm；
[0012](2)将多壁碳纳米管添加至由摩尔比为3:1的硝酸与硫酸混合制成的混合酸中，加热至55～65℃，经超声波照射12h，得到含有酸化的多壁碳纳米管的溶液；
[0013](3)将步骤(1)得到的明胶包覆的磁性颗粒添加至步骤(2)制备的含有酸化的多壁碳纳米管的溶液中进行超声波振荡，使多壁碳纳米管包覆在明胶包覆的磁性颗粒的表面，然后在磁场作用下分离出多壁碳纳米管包覆后的磁性颗粒，再用蒸馏水进行洗涤、干燥，即得。
[0014]优选地，所述水溶性钠盐为氯化钠。
[0015]优选地，所述增塑剂为丙三醇。采用丙三醇可以保证制备的海绵层在干燥后依然具有一定的韧性。
[0016]优选地，所述水溶性钙盐为氯化钙。
[0017]优选地，所述磁性微粒、水溶性钠盐、增塑剂、水溶性钙盐、海藻酸钠、羧甲基壳聚糖和水的质量之比为2:0.01:2:1:1:1.5:100。
[0018]优选地，所述生物水溶胶由包括以下步骤的方法制得：
[0019](1)将含有海藻酸钠和羧甲基壳聚糖的溶液、水溶性钠盐和增塑剂混合，得到混合溶液，再将混合溶液和磁性微粒混匀，得到分散液；
[0020](2)将分散液和水溶性钙盐溶液进行混合反应，得到生物水溶胶。先将水溶性钠盐、增塑剂和混合液混匀，再加入磁性微粒，可以保证混合的均匀性，提高磁性微粒的分散均匀性。
[0021]优选地，生物水溶胶的制备方法中，步骤(1)中所述混合是将水溶性钠盐、增塑剂依次加入含有海藻酸钠和羧甲基壳聚糖的溶液中进行混合。
[0022]优选地，含有海藻酸钠和羧甲基壳聚糖的溶液由海藻酸钠溶液和羧甲基壳聚糖溶液混合制得。优选地，所述海藻酸钠溶液的质量体积浓度为20～30g/L。例如，所述海藻酸钠溶液的质量体积浓度为20g/L。优选地，所述羧甲基壳聚糖溶液的质量体积浓度为20～30g/L。例如，所述羧甲基壳聚糖溶液的质量体积浓度为30g/L。
[0023]优选地，所述水溶性钙盐溶液的质量分数为1.5～2％。例如，所述水溶性钙盐溶液的质量分数为2％。
[0024]由于磁性微粒在70℃下容易发生氧化，因此加入磁性微粒后需降低温度。优选地，步骤(1)中，所述混合的温度为65～70℃；所述混匀采用的温度为55～60℃。例如，步骤(1)中，所述混合的温度为70℃；所述混匀采用的温度为60℃。优选地，步骤(2)中，所述混合反应的温度为室温。
[0025]优选地，所述生物气凝胶由生物水溶胶采用包括以下步骤的方法制得：将生物水溶胶在
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55～
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性磁传感器，其特征在于，包括依次设置的第一海绵层、第一导电层、介电层、第二导电层和第二海绵层；所述第一海绵层和第二海绵层为生物气凝胶，所述生物气凝胶由生物水溶胶制得，所述生物水溶胶由海藻酸钠、羧甲基壳聚糖、磁性微粒、水溶性钠盐、增塑剂和水溶性钙盐在水中制得；所述磁性微粒包括磁性粒子内核及在所述内核外由内向外依次包覆的明胶层和多壁碳纳米管层；所述磁性粒子包括微米羰基铁和纳米四氧化三铁。2.如权利要求1所述的柔性磁传感器，其特征在于，所述水溶性钠盐为氯化钠；所述增塑剂为丙三醇；所述水溶性钙盐为氯化钙。3.如权利要求1所述的柔性磁传感器，其特征在于，所述磁性微粒、水溶性钠盐、增塑剂、水溶性钙盐、海藻酸钠、羧甲基壳聚糖和水的质量之比为2:0.01:2:1:1:1.5:100。4.如权利要求1
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3中任一项所述的柔性磁传感器，其特征在于，所述生物水溶胶由包括以下步骤的方法制得：(1)将含有海藻酸钠和羧甲基壳聚糖的溶液、水溶性钠盐和增塑剂混合，得到混合溶液，再将混合溶液和磁性微粒混匀，得到分散液；(2)将分散液和水溶性钙盐溶液进行混合反应，得到生物水溶胶。5.如权利要求4所述的柔性磁传感器，其特征在于，含有海藻酸钠和羧甲基壳聚糖的溶液由海藻酸钠溶液和羧甲基壳聚糖溶液混合制得；所述海藻酸钠溶液的质量体积浓度为20～30g/L；...

【专利技术属性】
技术研发人员：付裕，赵世杰，万振帅，田野，赵治华，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：