CN107389232B - 一种生物基非对称柔性力敏传感材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物基非对称柔性力敏传感材料及其制备方法，属于先进功能材料的制备领域。该方法包括以下步骤：（1）在可完全生物降解的纤维表面负载或组装上零维、一维或二维的导电纳米材料，制得两片导电性不同的导电纤维布；（2）在电阻较大的导电纤维布两端同时接上正、负电极；（3）将两片导电性不同的导电纤维布“面对面”贴合并封装，得生物基非对称柔性力敏传感材料。本发明所采用的高分子骨架材料是完全可生物降解天然高分子材料，具有环境友好的特点；而且本发明的力敏传感材料对压力、弯曲形变、扭曲形变的灵敏度均优于目前已报道的大部分压阻式柔性力敏传感材料，且表现出超强的稳定性与检测极限以及出色的柔韧性。

Description

一种生物基非对称柔性力敏传感材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及先进功能材料的制备技术领域，具体涉及一种生物基非对称柔性力敏传感材料及其制备方法。
背景技术
随着电子技术的迅速发展，迫切需要能满足智能机器人、电子皮肤、可穿戴设备等高性能的柔性力敏传感材料。它是一种可以贴附于各种不规则对象的表面，能够感知材料表面作用力(压缩、弯曲、拉伸、扭曲等)，并将外界的形变信号转换为电信号实现力敏传感的电子功能材料。它由柔韧性较好的高分子基体（或称柔性基体，包括橡胶、塑料薄膜及纤维织物等）与导电基元（导电填料）通过一定方式复合而成，由于能贴附于各种不规则的表面上，可弯曲、压缩、轻薄、便于携带等优点，在可穿戴设备、智能机器人、生物力学、医疗检测、柔性平板显示器等领域有着广泛的应用前景，成为了当前电子材料研究的热点方向。
近年来，随着科学技术的发展，许多高灵敏度、高稳定性、低检测极限且能快速响应的传感结构已经被设计出来并应用于柔性力敏传感材料。但是这些柔性力敏传感材料均为对称型设计，即将两片完全一致的具有一定粗糙度的导电表面以“面对面”的方式进行贴合，在上、下两个表面分别接上电极并封装而完成；而且这类柔性力敏传感材料所用的高分子基体为硅橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、交联型聚氨酯等不可降解的热固性弹性体。众所周知，当前电子产品的更新速率非常快，这种不可生物降解的高分子基体显然不适合当前电子材料的发展趋势，因此有必要开发一种具有优异的传感性能且可以生物降解的柔性力敏传感材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性力敏传感材料及其制备方法，具体涉及一种生物基非对称柔性力敏传感材料及其制备方法，有利于拓宽当前柔性力敏传感材料的研究内涵与范围，该发明方法简单、高效，具有十分广阔的应用前景。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种生物基非对称柔性力敏传感材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）在可完全生物降解的纤维表面负载或组装上零维、一维或二维的导电纳米材料，制得两片导电性不同的导电纤维布；
（2）在电阻较大的导电纤维布两端同时接上正、负电极；
（3）将两片导电性不同的导电纤维布“面对面”贴合并封装，得生物基非对称柔性力敏传感材料。
优选的，所述的纤维是来源于大自然的天然植物或动物的天然纤维或天然高分子化合物经过化学加工纺丝后制得的纺织纤维。
优选的，所述的可完全生物降解天然纤维是来源于大自然的天然植物或动物纤维，可以是纯天然的棉纤维、麻纤维、羊毛纤维、蚕丝、蜘蛛丝等，也可以是将纤维素、海藻酸、甲壳素、壳聚糖、淀粉、蛋白质等天然高分子化合物经过化学加工纺丝后制得的纺织纤维。所述单根纤维的维的直径为100 nm-100 μm，长度为10 μm-5 cm。
优选的，所述的导电纤维布的厚度为1–400 μm。
优选的，所述的零维、一维或二维的导电纳米材料可以是金属纳米粒子(如银纳米粒子、金纳米粒子、铜纳米粒子等)、非金属纳米粒子(如乙炔炭黑)，金属纳米线(如银纳米线、金纳米线、铜纳米线等)、碳纳米管、石墨烯、掺杂金属氧化物(如铝掺杂氧化锌纳米粒子或纳米线)中的一种或几种。
优选的，所述的将导电纳米材料负载、组装在纤维布表面可以是通过原位生长或通过物理相互作用(如氢键、疏水键等)等方法将导电纳米材料固定在纤维表面。
优选的，所述零维导电纳米材料的直径小于100 nm，一维纳米材料的长径比为10-1000，二维纳米材料的厚度为0.3-100 nm，片径100 nm-100 μm。
优选的，所述的导电纳米材料在纤维表面的厚度为10 nm-10 μm，长度与宽度均为1 cm-10 cm。
优选的，所述的电极是铜电极、铂电极、铝电极等金属电极，正、负电极应固定在电阻较大的纤维布两端。
优选的，所述的导电纤维布中电阻较大的导电纤维布与电阻较小的纤维布的电阻比值为1:1到50000:1。两片导电纤维布电阻值的差异是得到高灵敏度柔性力敏传感材料的关键，在保证导电稳定性的前提下，其电阻较大的导电纤维布与电阻较小的纤维布的电阻比值越大(>1)，得到的柔性力敏传感材料的灵敏度越高、检测极限越低，响应时间也越快。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的制备方法简单、高效，具有十分广阔的应用前景。
2、本发明所采用的高分子骨架材料是完全可生物降解天然高分子材料，具有环境友好的特点；
3、本发明的力敏传感材料对压力的灵敏度可以达到5-10 kPa-1，对弯曲形变的灵敏度可以达到0.5-2 Rad-1，对扭曲形变的灵敏度可以达到0.05-0.1 每度，均优于目前已报道的大部分压阻式柔性力敏传感材料，且表现出超强的稳定性(>10000次循环)与检测极限(<5 mg)以及出色的柔韧性。
附图说明
图1为生物基非对称柔性力敏传感材料的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的生物基非对称柔性力敏传感材料的结构示意图如图1所示，该材料包括电极1、封装材料2、小电阻导电纤维布3和大电阻导电纤维布4，其中，大电阻导电纤维布两端连接着电极，小电阻导电纤维布“面对面”贴合在大电阻导电纤维布上，通过封装材料将电极、小电阻导电纤维布和大电阻导电纤维布封装。
实施例1
将尺寸为1cm×4cm×1 μm的棉纤维布浸泡在3mg/ml的氧化石墨烯水溶液中2min，80℃下干燥30min，使棉纤维布表面组装上20 nm厚的氧化石墨烯，然后在80℃环境下，浓度为5mg/cm3的水合肼蒸汽中还原1h得到电阻为5000 Ω的负载石墨烯的棉纤维布，并在其两端接上铜电极；将尺寸为1cm×4cm×1 μm的棉纤维布浸泡在3mg/ml的金纳米线的无水乙醇溶液中2min后取出，60℃干燥20min，使棉纤维布表面组装上厚度为500 nm的金纳米线，得到电阻为0.1 Ω的负载金纳米线的棉纤维布；再将负载金纳米线的棉纤维布贴合在负载石墨烯的棉纤维布上，采用3M胶带作为封装材料进行封装得到柔性力敏传感材料。
本实施例制备的柔性力敏传感材料对压力的灵敏度为10 kPa-1，对弯曲形变的灵敏度为1.1 Rad-1，对扭曲形变的灵敏度为0.09 每度，均优于目前已报道的大部分压阻式柔性力敏传感材料，且表现出超强的稳定性(>10000次循环)与检测极限(<5 mg)以及出色的柔韧性。
实施例2
将尺寸为1cm×4cm×400μm的蚕丝蛋白纤维布浸泡在3mg/ml的碳纳米管水溶液中2min后取出，80℃干燥30min，使蚕丝蛋白纤维布表面组装上100 nm厚的工业级碳纳米管，得到电阻为1500 Ω的负载碳纳米管的纤维布，并在其两端接上铝电极；将尺寸为2 cm×3cm×400 μm的蚕丝蛋白纤维布浸泡在含有20wt%的硝酸银、5wt%的PVP的水溶液中2min后取出，然后在80℃环境下，浓度为5mg/cm3的水合肼蒸汽中原位还原30min，从而在蚕丝蛋白纤维布表面负载一层厚度为400 nm的银纳米粒子，得到电阻为5 Ω的负载银纳米粒子的纤维布；再将负载银纳米粒子的纤维布贴合在负载碳纳米管的纤维布上，采用3M胶带作为封装材料进行封装得到柔性力敏传感材料。
本实施例制备的柔性力敏传感材料对压力的灵敏度为5 kPa-1，对弯曲形变的灵敏度为0.8 Rad-1，对扭曲形变的灵敏度为0.06 每度，均优于目前已报道的大部分压阻式柔性力敏传感材料，且表现出超强的稳定性(>10000次循环)与检测极限(<5 mg)以及出色的柔韧性。
实施例3
将尺寸为1cm×4cm×200μm的羊毛纤维布浸泡在3mg/ml的碳纳米管水溶液中2min后取出，80℃干燥30min，使纤维布表面组装上500 nm厚的工业级乙炔炭黑，得到电阻为2000 Ω的负载乙炔炭黑的羊毛纤维布，并在其两端接上铜电极；将尺寸为3 cm×3 cm×200 μm的羊毛纤维布浸泡在含有20wt%的氯化铜、5wt%的PVP的水溶液中1min后取出，然后在80℃环境下，浓度为5mg/cm3的水合肼蒸汽中原位还原30min，从而在羊毛纤维布表面负载一层厚度为1 μm的铜纳米粒子得到电阻为10 Ω的负载铜纳米粒子的羊毛纤维布；再将负载铜纳米粒子的羊毛纤维布贴合在负载乙炔炭黑的羊毛纤维布上，采用3M胶带作为封装材料进行封装得到柔性力敏传感材料。
本实施例制备的柔性力敏传感材料对压力的灵敏度为5 kPa-1，对弯曲形变的灵敏度为0.6 Rad-1，对扭曲形变的灵敏度为0.09 每度，均优于目前已报道的大部分压阻式柔性力敏传感材料，且表现出超强的稳定性(>10000次循环)与检测极限(<5 mg)以及出色的柔韧性。
实施例4
将尺寸为1cm×4cm×100μm的棉纤维布浸泡在3mg/ml的氧化石墨烯水溶液中2min后取出，80℃干燥30min，使纤维布表面组装上20 nm厚的氧化石墨烯，并在5mg/cm3浓度的水合肼蒸汽中还原1h得到电阻为1000 Ω的导电海藻酸钠纤维布，并在其两端接上铜电极；将尺寸为4 cm×4 cm×100 μm的海藻酸钠纤维布浸泡在含有20wt%的硝酸银、5wt%的PVP的水溶液中2min后取出，然后在80℃环境下，浓度为5mg/cm3的水合肼蒸汽中原位还原30min，从而在海藻酸钠纤维布表面负载一层厚度为400 nm的银纳米粒子，得到电阻为10 Ω的负载银纳米粒子的海藻酸钠纤维布；再将负载银纳米粒子的海藻酸钠纤维布贴合在负载石墨烯的导电海藻酸钠纤维布上，采用3M胶带作为封装材料进行封装得到柔性力敏传感材料。
本实施例制备的柔性力敏传感材料对压力的灵敏度为8 kPa-1，对弯曲形变的灵敏度为0.7 Rad-1，对扭曲形变的灵敏度为0.1 每度，均优于目前已报道的大部分压阻式柔性力敏传感材料，且表现出超强的稳定性(>10000次循环)与检测极限(<5 mg)以及出色的柔韧性。

Claims (7)

1.一种生物基非对称柔性力敏传感材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在可完全生物降解的纤维表面负载或组装上零维、一维或二维的导电纳米材料，制得两片导电性不同的导电纤维布，即通过原位生长或物理相互作用的方法将导电纳米材料固定在纤维表面；所述的纤维是来源于大自然的天然植物或动物的天然纤维或天然高分子化合物经过化学加工纺丝后制得的纺织纤维；所述纤维中单根纤维的直径为100 nm-100 μm，长度为10 μm-5 cm；所述的导电纳米材料在纤维表面的厚度为10 nm-10 μm，长度与宽度均为1 cm-10 cm；所述的导电纤维布的厚度为1–400 μm；
（2）在电阻较大的导电纤维布两端接上正、负电极；
（3）将两片导电性不同的导电纤维布“面对面”贴合并封装，得生物基非对称柔性力敏传感材料。
2.根据权利要求1所述的一种生物基非对称柔性力敏传感材料的制备方法，其特征在于，所述天然纤维为棉纤维、麻纤维、羊毛纤维、蚕丝或蜘蛛丝；所述天然高分子化合物为纤维素、海藻酸、甲壳素、壳聚糖、淀粉或蛋白质。
3.根据权利要求1所述的一种生物基非对称柔性力敏传感材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的零维、一维或二维的导电纳米材料是银纳米粒子、金纳米粒子、铜纳米粒子、乙炔炭黑、银纳米线、金纳米线、铜纳米线、碳纳米管、石墨烯、铝掺杂氧化锌纳米粒子或纳米线中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种生物基非对称柔性力敏传感材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述零维的导电纳米材料的直径小于100 nm；一维的导电纳米材料的长径比为10-1000；二维的导电纳米材料的厚度为0.3-100 nm，片径为100 nm-100 μm。
5.根据权利要求1所述的一种生物基非对称柔性力敏传感材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的电极是铜电极、铂电极或铝电极。
6.根据权利要求1所述的一种生物基非对称柔性力敏传感材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的导电纤维布中电阻较大的导电纤维布与电阻较小的纤维布的电阻比值为1:1-50000:1。
7.由权利要求1-6任一项所述的方法制得的一种生物基非对称柔性力敏传感材料。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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