本发明专利技术公开了一种基于激光直写木质素/橡胶复合材料柔性传感器件及其制备方法。其步骤为：1)以木质素、橡胶胶乳和成碳剂为原料，采用乳液共沉法与机械共混法制备得到掺有成碳剂的木质素/橡胶复合材料弹性基底膜；2)将步骤1)所得弹性基底膜进行预拉伸，然后激光直写原位碳化，激光直写后恢复预拉伸，制备得到图案化柔性电极；3)用橡胶乳液或溶液封装步骤2)制备所得柔性电极，即制得柔性传感器件。本发明专利技术制备方法简单，原料廉价易得，采用预拉伸作为面外屈曲方法和激光直写技术相结合，有利于大规模生产；所得柔性传感器件具有较高的可拉伸性和柔顺性，对压力、应变具有极高响应灵敏度和稳定性。和稳定性。
【技术实现步骤摘要】
一种基于激光直写木质素/橡胶复合材料柔性传感器件及其制备方法
[0001]本专利技术涉及柔性传感器件领域，是一种基于激光直写木质素/橡胶复合材料柔性传感器件及其制备方法。
技术介绍
[0002]为了满足日益增长的需求，可拉伸的柔性传感器件的发展既要具有良好的机械变形能力以适应人类皮肤的弯曲和拉伸，又要具有集成化的功能。而且还需要一种高效且可扩展的方法来制造柔性传感器件并将其集成到可穿戴设备上。目前关于可拉伸柔性传感器件的制备通常是将导电物质负载于可拉伸的弹性基体中，以使复合材料兼具可拉伸性和导电性。复合材料在外部应力或应变的刺激下其电学性能随之发生改变，从而实现对外部刺激的响应能力。然而，目前大多数柔性传感器件所使用的导电物质通常为昂贵的纳米金属材料，或者预先合成的碳材料如碳纳米管、石墨烯、导电炭黑等。在不涉及高成本和复杂工艺的情况下，在橡胶基底上无掩模形成图案化的导电传感通路仍然是一项极具挑战性的研究。目前，仅有少量的研究报道了采用激光直写技术在硅橡胶表面形成可导电的碳化硅材料，从而使其具有一定的应变传感性能。然而该方法仅能制备硅橡胶基柔性传感材料，无法扩展到其它橡胶复合材料，从而制约了该方法的使用范围和相应器件的应用领域。
技术实现思路
[0003]针对现有的技术缺陷，本专利技术提供了一种基于激光直写木质素/橡胶复合材料柔性传感器件及其制备方法。本专利技术的复合材料柔性传感器件制备方法简单，成本低廉，具有优异的可拉伸性能和柔顺性，对压力、应变具有极高的响应性和检测稳定性。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]提供一种基于激光直写木质素/橡胶复合材料柔性传感器件的制备方法，包括下述步骤：
[0006]1)以木质素或改性木质素、橡胶胶乳和成碳剂为原料，采用乳液共沉法与机械共混法制备得到掺有成碳剂的木质素/橡胶复合材料弹性基底膜；
[0007]2)将步骤1)所得弹性基底膜进行预拉伸，然后激光直写原位碳化，激光直写后恢复预拉伸，制备得到图案化柔性电极；
[0008]3)用橡胶乳液或溶液封装步骤2)制备所得柔性电极，即制得柔性传感器件。
[0009]按上述方案，所述步骤1)中，橡胶胶乳为天然胶乳、丁腈胶乳、丁苯胶乳、丁苯吡啶胶乳、羧基丁腈胶乳、羧基丁苯胶乳。
[0010]按上述方案，所述步骤1)中，成碳剂为聚磷酸铵、焦磷酸哌嗪、次磷酸铝、三聚氯氰、三聚氰胺、哌嗪、乙二胺中的一种或多种的复合物。
[0011]按上述方案，所述步骤1)中，木质素为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、磺化木质素、碱木质素或酶解木质素；改性木质素为羧基化木质素、羟甲基化木质素、胺化木质素或酚化
木质素。
[0012]按上述方案，所述步骤1)中，木质素或改性木质素与胶乳干胶的质量比为5
‑
80:100。
[0013]按上述方案，所述步骤1)中，成碳剂与木质素的质量比为0
‑
20：100。当木质素或改性木质素本身含有N或P时，可以不加入成碳剂。
[0014]按上述方案，所述步骤1)中，制备木质素/橡胶复合材料弹性基底膜的具体步骤为：
[0015]①
将木质素或者改性木质素在pH＝7
‑
12的水中溶解，与成碳剂一同加入到橡胶胶乳中，配置成复合乳液；
[0016]②
将步骤
①
所得复合乳液用盐酸或者氯化钙破乳，将破乳后的复合物过滤洗涤或60
‑
100℃下鼓风干燥得未硫化复合物；或者直接将复合乳液在60
‑
100℃下鼓风干燥，得到未硫化复合物；
[0017]③
将步骤
②
所得未硫化复合物，与硫化剂、促进剂一并在双辊开炼机中进行混炼，然后在120℃
‑
160℃下模压成型，即得木质素/橡胶复合材料弹性基底膜。
[0018]优选地，所述步骤
①
中，木质素或者改性木质素在pH＝11
‑
12的水中溶解；所述用盐酸破乳时，加入盐酸调节体系pH为2
‑
3。
[0019]木质素溶解后再析出有利于木质素均匀分散在橡胶胶乳里，木质素溶解的pH须大于11。对于可以析出的木质素，可以调酸析出，比如碱木质素、酶解木质素和改性木质素，当然这些木质素也可以不调酸，直接用烘干的方法得到未硫化的混合物，如果需要限定pH，对于酸析的木质素则应为2
‑
3之间。当然，有部分类型木质素不需要碱溶酸析，比如木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、磺化木质素，因为它们不能析出来，是溶液状态，所以破乳的方式有两种，一种是调酸析出，使木质素与胶乳一起共沉出来，另外一种是加氯化钙，而对于不能析出的木质素，只能用烘干的方式。
[0020]优选地，所述步骤
③
中，硫化剂为硫磺、过氧化二异丙苯、过硫酸钾一种或多种的复合物；促进剂为氧化锌、硬酯酸、三烯丙基异氰脲酸酯、二乙基二硫代氨基甲酸锌、N,N
‑
四甲基二硫双硫羰胺、2
‑
硫醇基苯骈噻唑、黄原酸、二硫化二苯并噻唑、N
‑
环已基
‑2‑
苯并噻唑次磺酰胺、四甲基二硫化秋兰姆或二苯胍中的一种或多种的复合物。
[0021]优选地，所述步骤
③
中，硫化剂、促进剂和胶乳干胶的质量比例为2
‑
4：1
‑
10:100。
[0022]按上述方案，所述步骤2)中，预拉伸倍率为0
‑
1000％，优选为20
‑
600％。
[0023]按上述方案，所述步骤2)中，激光直写具体方法为：将预拉伸后的弹性基底放置在激光操作台上，使用激光器作为激光源，通过程序控制激光扫描路径，在弹性基体表面形成图案化电路。
[0024]按上述方案，所述步骤2)中，激光器为CO2(波长10.6μm)、光纤(波长1040nm)或紫外(波长355nm)激光器。
[0025]按上述方案，所述步骤2)中，激光器功率为1
‑
80w，扫描速度为0.1
‑
100mm/s，激光光斑为100
‑
300μm。
[0026]按上述方案，所述橡胶乳液或溶液为天然橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、羧基丁腈橡胶、羧基丁苯橡胶、丁苯吡啶乳胶或溶液。
[0027]提供一种上述制备方法制备所得基于激光直写木质素/橡胶复合材料柔性传感器
件。
[0028]与现有的技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0029]1.本专利技术采用乳液共混法与机械共混法并用，将低成本、可再生的低密度木质素以纳米级尺度分散于橡胶基体中，不仅有效降低橡胶的生产成本，并可有效避免木质素加入后对橡胶性能的不良影响，使橡胶复合材料具有高弹性和高机械强度，从而增加柔性传感器件的检测范围和机械耐久性。此外，木质素具有非常高的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于激光直写木质素/橡胶复合材料柔性传感器件的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：1)以木质素或改性木质素、橡胶胶乳和成碳剂为原料，采用乳液共沉法与机械共混法制备得到掺有成碳剂的木质素/橡胶复合材料弹性基底膜；2)将步骤1)所得弹性基底膜进行预拉伸，然后激光直写原位碳化，激光直写后恢复预拉伸，制备得到图案化柔性电极；3)用橡胶乳液或溶液封装步骤2)制备所得柔性电极，即得基于激光直写木质素/橡胶复合材料柔性传感器件。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，橡胶胶乳为天然胶乳、丁腈胶乳、丁苯胶乳、丁苯吡啶胶乳、羧基丁腈胶乳或羧基丁苯胶乳；成碳剂为聚磷酸铵、焦磷酸哌嗪、次磷酸铝、三聚氯氰、三聚氰胺、哌嗪、乙二胺中的一种或多种的复合物；木质素为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、磺化木质素、碱木质素或酶解木质素；改性木质素为羧基化木质素、羟甲基化木质素、胺化木质素或酚化木质素。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，木质素或改性木质素与胶乳干胶的质量比为5
‑
80:100；成碳剂与木质素或改性木质素的质量比为0
‑
20：100。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，制备木质素/橡胶复合材料弹性基底膜的具体步骤为：
①
将木质素或者改性木质素在pH＝7
‑
12的水中溶解，与成碳剂一同加入到橡胶胶乳中，配置成复合乳液；
②
将步骤
①
所得复合乳液用盐酸或者氯化钙破乳，将破乳后的复合物过滤洗涤或60
‑
100℃下鼓风干燥得未硫化复合物；或者直接将复合乳液在60
‑
100℃下鼓风干燥，得到未硫化复合物；
③
将步骤
②
所得未硫化复合物，与硫化剂、促进剂一并在双辊开炼...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋灿，姚满钊，喻鹏，王祖浩，沈华昊，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：
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