木基材水下电容式机械波传感材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种木基材水下电容式机械波传感材料及其制备方法和应用，该制备方法包括电极的制备以及介电层的制备，电极的制备包括：将脱除木质素的木材经碳化后，负载导电聚合物；介电层的制备包括：S1、将树脂微结构模型浸入PDMS预聚液中，加热固化后脱模，得到PDMS模具；S2、将凝胶单体加入碳纳米纤维浆中，然后向其中加入两性离子单体和盐酸的混合溶液，再加入助剂，得到CNF复合离子凝胶预聚液，然后将预聚液导入PDMS模具中，加热聚合后脱模。本发明专利技术采用具有微结构的CNF复合离子凝胶作为介电层、碳化木作为电极，制备了具有优异的机械性能和感应性能的传感材料，凝胶介电层的微结构与碳化木的孔隙结构之间存在一定的相互作用，大大提高了传感器的灵敏度。大大提高了传感器的灵敏度。大大提高了传感器的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
木基材水下电容式机械波传感材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及机械波传感材料，具体地，涉及一种木基材水下电容式机械波传感材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]海洋环境是地球环境的重要组成部分，也是全球生命支持系统的重要组成部分。它同时在全球水循环，气候变化中起到重要的作用。海洋不仅记录了海陆相互作用的过程和海陆变迁的历史，还记录了气候演化旋回和沉积过程，在洋底和边缘海盆地中还记录了板块裂离产生，运动和俯冲消亡的历史，海洋为研究古气候学、古环境学、地质学、地貌学和板块构造提供了重要的素材。
[0003]近年来，由于海洋中蕴藏着丰富的油气资源和丰富的矿产资源，人们对海洋勘探的兴趣越来越大。全球的海洋面积为36100万平方公里，体积为13.7亿立方公里。蓄积水量占地球水体总水量的96.53％，占地球表面积2/3以上达到了71％，为了满足海洋探测和军事的需要，越来越多的传感器被开发出来，可以在各种水域和海洋环境中私下传输信息，不受干扰。海水可以腐蚀金属，而海水在不同深度的氧含量、温度、pH值、盐度、生物活性、电导率和流速的变化会加速这种腐蚀。因此，为了在海洋环境中正常工作，传感器必须采用耐腐蚀材料制成，以便这些传感设备能够在恶劣的海水条件下连续输出信号。
[0004]多年来，镍基高温合金材料在可靠性和无故障运行方面一直是海洋探测传感材料的理想选择。虽然这些合金完全抵抗局部腐蚀和氧化和还原性介质，但是它们的造价是非常昂贵的。除了合金等传统的水下探测材料外，一些新的海洋探测材料也在研究中。Che1等人描述了一种结构凝胶复合方法，通过在导电水凝胶/Mxe1e表面创建疏水L1pogel薄层，然后开发一种具有独特防水特性的鲁棒传感策略，用于水下环境。Zhou等人通过将一种易变形的金属纳米粒子网络集成到水凝胶基质中，作为无腔麦克风来探测水下声波。这些成果的提出有效缓解了海洋探测方面所面临的严峻形式。然而，这些传感器仍然存在检测范围窄、灵敏度低、信号不稳定和成本高的问题。这些问题的存在极大程度阻碍了人们对海洋的探测与开发，也无法满足人们对海底探测和利用的需求。

技术实现思路

[0005]针对上述水下传感器存在检测范围窄、灵敏度低、信号不稳定和成本高的问题，本专利技术提供了一种木基材水下电容式机械波传感材料及其制备方法和应用，该传感材料采用了碳化木作为电极，充分利用了其导电性能和表面孔隙结构，采用具有微结构的抗润胀CNF离子凝胶作为介电层，通过碳化木与微结构CNF离子凝胶介电层间接触产生的电容信号的变化，将水下环境的各类机械波变化可视化表达，以此实现电容器对外界环境变化的探测，并将电容器作为刺激
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响应机制的承载物，实现了对力的超敏感应。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种木基材水下电容式机械波传感材料的制备方法，该制备方法包括电极的制备以及介电层的制备，其中，
[0007]所述电极的制备包括：将脱除木质素的木材经碳化后，负载导电聚合物，得到导电碳化木电极；
[0008]所述介电层的制备包括：
[0009]S1、将树脂微结构模型浸入PDMS预聚液中，加热固化后脱模，得到PDMS模具；
[0010]S2、将凝胶单体加入碳纳米纤维(CNF)浆中，然后向其中加入两性离子单体和盐酸的混合溶液，再加入引发剂和交联剂，得到CNF复合离子凝胶预聚液，然后将CNF复合离子凝胶预聚液导入步骤S1所得的PDMS模具中，加热聚合后脱模，得到具有微结构的抗润胀CNF复合离子凝胶介电层。
[0011]木材是一种新兴材料，在结构材料、柔性电子和能源存储等多个领域具有强大的可持续应用潜力。木材具有天然独特的分层多孔结构，其细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，可以提供高效的水分和养分运输。木材密度低，细胞壁薄，呈层状微结构，有许多相互连接的拱形子结构，容易部分破坏细胞壁。许多研究致力于在多个长度尺度上调整其成分和结构，以赋予新的功能和合成尺寸的新型生物基功能复合材料。脱木质素木材还具有独特的结构，排列的木材通道，纤维素纳米纤维和分层孔隙，比原始木材更明显。基于这种孔隙结构，本专利技术能够均匀地在脱木质素木材上涂上导电和相互连接的纳米颗粒，并保持较大的比表面积。碳化的木材是一种潜在的传感组装材料，它具有成本低、可再生、易批量生产、环保、无毒等优点。而CNF和两性离子单体组成的具有微结构的抗润胀CNF复合离子凝胶介电层，由于两性离子的引入为大量离子运输提供了离子迁移通道，从而产生了更大的电导率。电容机械波传感器工作时，凝胶介电层的微结构与碳化木的孔隙结构之间存在一定的相互作用(接触
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分离)，极大地提高了传感器的灵敏度。
[0012]本专利技术中木材优选采用轻木。
[0013]具体地，所述木材脱除木质素的方法包括：将木材在室温下浸泡在的碱性溶液中12～24h，清洗后将木材浸入H2O2溶液中2～5h，直至木材颜色变白，最后将木材冷冻干燥，得到脱木质素木材；优选地，所述碱性溶液为含浓度为2.5～3mol/L的NaOH和0.4～1mol/L的Na2SO3的混合溶液，H2O2溶液的浓度为2.5～3mol/L。
[0014]上述技术方案中，采用碱液浸泡和双氧水漂白的方式脱除木材中的木质素，可以使得木质素脱除更干净，去除木材中的杂质，以确保后续导电物质负载的效果。
[0015]具体地，所述碳化包括：木材在惰性气体气氛下升温至1000～1200℃，然后保持2～4h，升温速率为10～15℃/m11。
[0016]上述技术方案中，高温碳化的作用是去除木材中的杂质，一方面可以提高C元素的含量，进而增加碳化木电极的导电性；另一方面，碳化后的木材的孔隙结构更好，填充导电物质的效果也更好，进一步提升碳化木电极的导电性。
[0017]具体地，所述负载导电聚合物包括：将碳化后的木材于Fe
3+
盐溶液中浸泡12～24h，再冷冻干燥48～60h，最后将木材样品和导电聚合物在0～25℃的密封环境中反应1～7天；优选地，所述导电聚合物的单体为吡咯或者噻吩，吡咯与Fe
3+
的摩尔比为(2～3)：1，噻吩与Fe
3+
的摩尔比为(2～3)：1。
[0018]上述技术方案中，用Fe
3+
作为氧化剂，在0℃下通过化学氧化法将吡咯单体合成为聚吡咯或将噻吩单体合成为聚噻吩，优点在于脱木素后的木材具有明显的孔隙结构，有利于导电聚合物在木材通道内的沉积，可以大大提高木材的导电性。
[0019]优选地，步骤S1中，所述PDMS模具的制备方法为：以树脂作为打印材料，使用3D打印机打印阵列的微结构模型，然后将微结构模型浸入PDMS预聚液中，在70～80℃下聚合6～8h，然后脱模，得到所述PDMS模具。
[0020]上述技术方案中，优选打印圆柱体阵列的微结构模型；树脂采用适于三维打印的树脂材料，例如国产白色树脂A(8900)、PR48树脂等；PDMS预聚液的主剂与副剂(分别是主剂：PD本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种木基材水下电容式机械波传感材料的制备方法，其特征在于，包括电极的制备以及介电层的制备，其中，所述电极的制备包括：将脱除木质素的木材经碳化后，负载导电聚合物，得到导电碳化木电极；所述介电层的制备包括：S1、将树脂微结构模型浸入PDMS预聚液中，加热固化后脱模，得到PDMS模具；S2、将凝胶单体加入碳纳米纤维浆中，然后向其中加入两性离子单体和盐酸的混合溶液，再加入引发剂和交联剂，得到CNF复合离子凝胶预聚液，然后将CNF复合离子凝胶预聚液导入步骤S1所得的PDMS模具中，加热聚合后脱模，得到具有微结构的抗润胀CNF复合离子凝胶介电层。2.根据权利要求1所述的木基材水下电容式机械波传感材料的制备方法，其特征在于，所述木材脱除木质素的方法包括：将木材在室温下浸泡在的碱性溶液中12～24h，清洗后将木材浸入H2O2溶液中2～5h，直至木材颜色变白，最后将木材冷冻干燥，得到脱木质素木材；优选地，所述碱性溶液为含浓度为2.5～3mol/L的NaOH和0.4～1mol/L的Na2SO3的混合溶液，H2O2溶液的浓度为2.5～3mol/L。3.根据权利要求1所述的木基材水下电容式机械波传感材料的制备方法，其特征在于，所述碳化包括：木材在惰性气体气氛下升温至1000～1200℃，然后保持2～4h，升温速率为10～15℃/m11。4.根据权利要求1所述的木基材水下电容式机械波传感材料的制备方法，其特征在于，所述负载导电聚合物包括：将碳化后的木材于Fe
3+
盐溶液中浸泡12～24h，再冷冻干燥48～60h，最后将木材样品和导电聚合物在0～25℃的密封环境中反应1～7天；优选地，所述导电聚合物的单体为吡咯或者噻吩，吡咯与Fe
3+
的摩尔比为(2～3)：1，噻吩与Fe<...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈晓萍，孟庆雨，孙庆丰，王媛媛，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：