具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料及其制备方法，传感材料由聚合物开孔骨架由和还原氧化石墨烯组成，具有相互贯通的多孔结构；聚合物开孔骨架的平均孔径不超过80μm，泡孔棱呈纤维状，部分泡孔棱是断裂的；还原氧化石墨烯分布于聚合物开孔骨架中，其中的还原氧化石墨烯，一部分包覆在泡孔棱上、一部分覆盖在断裂的泡孔棱的端点上、一部分贯穿多个泡孔并同时覆盖多个泡孔棱形成泡孔壁，在聚合物开孔骨架中形成了孔径比聚合物开孔骨架的孔径更小的孔隙结构，以及与聚合物开孔骨架互穿的还原氧化石墨烯导电网络。该传感材料可形成更多的导电触点并减小导电触点之间的距离，可改善浸渍聚合物骨架导电多孔压电传感器的灵敏度。压电传感器的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于柔性压阻传感器领域，涉及一种具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，可穿戴压力传感器在电子仿生皮肤、软件机器人、人体健康监测等领域展现出了极好的应用潜力。作为能够感知、分析外部压力信号并将其转换为易于捕获电信号的智能材料，可穿戴压力传感器被寄予厚望，是未来科技的关键技术之一。虽然目前市售的大多数可穿戴电子产品可进行人体活动监测和健康监测，但它们的灵敏度还有待提升。因此，开发出具有多功能、高灵敏度、快速响应以及低成本等特点的柔性可穿戴压力传感器目前来说仍然是一个巨大的挑战。
[0003]基于各种信号转换机制，多种类型的可穿戴柔性传感器已被广泛探索，包括压阻式、电容式以及压电传输式等。其中，将刺激信号转换为电阻变化的压阻传感器，具有信号采集容易、响应快、电路集成简单等特点，已成为可穿戴和高灵敏柔性压力传感器研发领域的热点材料。而其他类型的传感器通常具有较为有限的拉伸能力和较低的分辨率，而电容式传感器因寄生电容会导致传感器特性不稳定，因而它们中的大多数不能用作可穿戴传感器。
[0004]目前开发出的压阻传感器包括纯导电多孔材料压阻传感器、复合导电多孔材料压阻传感器、多孔导电涂层压阻传感器以及浸渍聚合物骨架导电多孔压阻传感器等。尽管纯导电材料压阻传感器具有超低密度、优良的导电性以及良好的化学稳定性，但由于其易碎性，使用过程中的压缩、弯曲等会造成材料内部结构受到不可逆的破坏，导致材料的变形和电导率出现不可逆变化，其敏感性和压缩应变范围受限。而在复合导电多孔材料压阻传感器的制备过程中，导电填料容易在聚合物基体中团聚和分散不均，影响导电网络的构建，导致复合导电多孔材料压阻传感器的传感性能不稳定。多孔导电涂层压阻传感器所需的涂层“墨水”(如碳纳米管和银等)的制备工艺复杂，还存在着导电涂层浸涂不均匀和导电涂层与基体材料结合不稳定的问题。
[0005]浸渍聚合物骨架导电多孔压阻传感器是将聚合物骨架材料浸渍在导电碳材料溶液中，导电碳材料通过还原
‑
自组装的方式堆叠在骨架材料上形成的。这类压电传感器以聚合物发泡材料作为骨架，碳材料分布在聚合物骨架上，具有良好的机械回弹性，在骨架发生形变后容易形成导电网络。例如，Yao等通过浸涂和还原制备得到了具有微结构的石墨烯包裹的聚氨酯(PU)发泡材料，Wu等通过在多孔PU骨架上自组装石墨烯片制备了柔性聚合物基石墨烯多孔材料，Guo等将氧化石墨烯(GO)通过原位还原
‑
自组装后，在PU骨架海绵上形成了还原氧化石墨烯(rGO)片层(C
‑
RGO@PU)，然后将聚苯胺纳米毛发(PANIH)添加到PU中形成了PANIH/C
‑
RGO@PU多孔传感器。
[0006]相对于其他类型的压阻传感器而言，浸渍聚合物骨架导电多孔压电传感器的回弹性和灵敏度得到了一定程度的提升，但是，现有的浸渍聚合物骨架导电多孔压电传感器的
灵敏度却仍然难尽人意。这主要由于现有技术主要以化学发泡法制备的商业PU泡沫作为骨架，但这种商业PU泡沫的孔径大于200μm，构成骨架的棱的尺寸也较大。过大的孔径和过初的棱导致石墨烯片只能贴附在PU骨架的棱上，而无法覆盖在多个棱上形成薄壁堆叠，因而形成的导电触点较为有限，且导电触点之间的距离较大，这使得覆盖在棱上的石墨烯片需在更大的压缩状态下才可能相互接触，导致浸渍聚合物骨架导电多孔压电传感器需要更大的压缩应力和更长的压缩时间才可以产生相应电阻变化率，传感灵敏度较为有限。
[0007]因此，若能对现有浸渍聚合物骨架导电多孔压电传感器的结构进行改进，使骨架材料具有更小的孔径和更细的棱，以形成更多的导电触点并减小导电触点之间的距离，对于改善现有浸渍聚合物骨架导电多孔压电传感器的灵敏度将产生积极的作用。

技术实现思路

[0008]针对现有浸渍聚合物骨架导电多孔压电传感器的导电触点有限和导电触点之间的间距过大而导致的传感灵敏度不高的问题，本专利技术提供了一种具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感器及其制备方法，以提高现有浸渍聚合物骨架导电多孔压电传感器的传感灵敏度。
[0009]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]一种具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料，该柔性压阻传感材料由聚合物开孔骨架由和还原氧化石墨烯组成，具有相互贯通的多孔结构；
[0011]聚合物开孔骨架具有相互贯通的泡孔，聚合物开孔骨架的平均孔径不超过80μm，泡孔棱呈纤维状，部分泡孔棱是断裂的；还原氧化石墨烯分布于聚合物开孔骨架中，其中一部分的还原氧化石墨烯包覆在泡孔棱上，一部分的还原氧化石墨烯覆盖在断裂的泡孔棱的端点上，一部分的还原氧化石墨烯贯穿多个泡孔并同时覆盖多个泡孔棱形成泡孔壁，在聚合物开孔骨架中形成了孔径比聚合物开孔骨架的孔径更小的孔隙结构，并形成了与聚合物开孔骨架互穿的还原氧化石墨烯导电网络。
[0012]上述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料的技术方案中，由于分布在聚合物开孔骨架中的还原氧化石墨烯作为泡孔壁对聚合物开孔骨架的孔结构进行了再分割，因而在聚合物开孔骨架中形成了孔径比聚合物开孔骨架的孔径更小的孔隙结构，经过对孔隙结构进行形貌分析和统计发现，该柔性压阻传感材料的平均孔径为聚合物开孔骨架的平均孔径的40％～60％。
[0013]上述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料的技术方案中，聚合物开孔骨架的平均孔径为50～80μm。
[0014]上述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料的技术方案中，聚合物开孔骨架中，泡孔棱的平均直径为3～4μm，其中部分泡孔棱呈直径不超过400nm的纳米纤维状。聚合物开孔骨架中的微米级和纳米级泡孔棱上均有还原氧化石墨烯包覆，但泡孔棱越细，还原氧化石墨烯对棱的包覆就越完整，形成的包覆位点就越多。我们通过扫描电镜观察发现，对于部分呈纳米纤维状的泡孔棱，还原氧化石墨烯是以卷曲的方式包覆在上面的。
[0015]上述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料的技术方案中，所述柔性压阻传感材料中，还原氧化石墨烯的含量为9wt.％～11wt.％。
[0016]上述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料的技术方案中，所述还原氧化
石墨烯的片层尺寸为0.2～10μm。此处的片层尺寸是指片状的还原氧化石墨烯上距离最远的两点之间的距离。
[0017]上述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料的技术方案中，所述柔性压阻传感材料在1.5～5kPa的压力范围内，应力灵敏度为120～140kPa
‑1。
[0018]上述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料的技术方案中，所述聚合物开孔骨架的基体材料由乙烯
‑
乙烯醇共聚物，支化聚合物以及接枝支化聚合物的乙烯
‑
乙烯醇共聚物组成；支化聚合物是端基为——NCO的聚醚多元醇，接枝支化聚合物的乙烯
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料，其特征在于，该柔性压阻传感材料由聚合物开孔骨架由和还原氧化石墨烯组成，具有相互贯通的多孔结构；聚合物开孔骨架具有相互贯通的泡孔，聚合物开孔骨架的平均孔径不超过80μm，泡孔棱呈纤维状，部分泡孔棱是断裂的；还原氧化石墨烯分布于聚合物开孔骨架中，其中一部分的还原氧化石墨烯包覆在泡孔棱上，一部分的还原氧化石墨烯覆盖在断裂的泡孔棱的端点上，一部分的还原氧化石墨烯贯穿多个泡孔并同时覆盖多个泡孔棱形成泡孔壁，在聚合物开孔骨架中形成了孔径比聚合物开孔骨架的孔径更小的孔隙结构，并形成了与聚合物开孔骨架互穿的还原氧化石墨烯导电网络。2.根据权利要求1所述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料，其特征在于，该柔性压阻传感材料的平均孔径为聚合物开孔骨架的平均孔径的40％～60％。3.根据权利要求1所述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料，其特征在于，聚合物开孔骨架的平均孔径为50～80μm。4.根据权利要求1所述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料，其特征在于，聚合物开孔骨架中，泡孔棱的平均直径为3～4μm，其中部分泡孔棱呈直径不超过400nm的纳米纤维状。5.根据权利要求1所述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料，其特征在于，该柔性压阻传感材料中，还原氧化石墨烯的含量为9wt.％～11wt.％。6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感材料，其特征在于，所述还原氧化石墨烯的片层尺寸为0.2～10μm。7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述具有多导电触点的高灵敏度柔性压阻传感X材料，其特征在于，该柔性压阻传感材料在1.5～5kPa的压力范围内，应力灵敏度为120～140kPa
...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚鹏剑，刘云杰，吴冰洁，张绪涛，李光宪，
申请(专利权)人：长链轻材南京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：