CN112556899B - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于柔性压力传感材料技术领域，具体涉及一种绿色环保、成本低、工艺简单的柔性压力传感器及其制备方法。本发明将丝胶蛋白(SS)作为分散剂和粘结剂，采用简单的物理法制备了丝胶蛋白分散碳纳米管(SSCNT)水溶液，以三聚氰胺泡沫(MF)为弹性基底浸渍在SSCNT水溶液中设计并制备了一种具备三维导电网络的电阻式柔性压力传感器，此方法制备的柔性压力传感器开拓了生物基纳米材料的实际应用领域，同时具有优异低成本、工艺简单、绿色环保、性能稳定的特点，可应用于柔性可穿戴及身体各部位监测等领域。

Description

一种柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器材料技术领域，尤其涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
柔性压力传感器因其具有可弹性形变、良好的生物相容性、以及感知表面作用力将力学信号转化为可视化的电信号等优点，近年来，在医疗***、智能机器人、电子皮肤、可穿戴电子设备等领域备受关注。大部分柔性传感材料以碳基材料为主，如化学气相沉积法(CVD)原位合成碳纳米管、化学试剂分散碳纳米管、高温热处理制备还原氧化石墨烯等。但这些方法制备的柔性传感器存在成本高、工艺复杂、不环保等问题。因此，如何提供一种将碳纳米管进行适当改性，并将其应用于制备低成本、工艺简单、绿色环保、性能稳定的柔性电阻式压力传感器的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性压力传感器的制备方法，该制备方法操作简单，条件温和，成本低且性能稳定。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种柔性压力传感器，包括柔性基底、丝胶蛋白分散的碳纳米管层和导线；所述丝胶蛋白分散的碳纳米管层附着于所述柔性基底的表面。
本发明提供了一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将柔性基底浸渍于丝胶蛋白分散碳纳米管(SSCNT)的水溶液中，在所述柔性基底的表面形成丝胶蛋白分散的碳纳米管层；
(2)将导线与所得的含有碳纳米管层的柔性基底的两端相连，即得柔性压力传感器。
进一步的，所述步骤(1)中丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液的浓度为1～4mg/mL。
进一步的，所述步骤(1)中浸渍的时间为10～50min，浸渍的温度为20～30℃。
进一步的，所述柔性基底为三聚氰胺泡沫(MF)。
进一步的，所述步骤(1)中丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液为在碳纳米管和丝胶蛋白混合溶液中加入表面活性剂后即得。
进一步的，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
进一步的，所述碳纳米管、丝胶蛋白和表面活性剂的质量比为2～5：2～6：1。
本发明的有益效果：
本发明利用丝胶蛋白对碳纳米管非共价修饰分散作用，不仅使碳纳米管分散更均匀，不影响其自身导电性且具有生物基的优异功能，还使分散液体在柔性基体吸附的更好，使其具有优异的传感性能。同时，丝胶蛋白本身具有较强的粘附作用，增强柔性基底与碳纳米管之间的牢度，不用额外添加粘合剂，本发明简化制作流程，节约成本，有利于大规模制造。
附图说明
图1为本发明提供的柔性压力传感器的制备示意图；
图2为本发明制得的SSCNT负载柔性基体的扫描电镜图；
图3为本发明制得的不同SSCNT负载量柔性基体的电导率曲线；
图4为本发明制得的丝胶蛋白与碳纳米管的X射线衍射曲线；
图5为本发明制得的丝胶蛋白与碳纳米管的红外光谱曲线；
图6为本发明制得的丝胶蛋白与碳纳米管的热重曲线；
图7为本发明制得的碳纳米管溶液处理柔性基体的拉伸感应性分析。
具体实施方式
本发明提供了一种柔性压力传感器，包括柔性基底、丝胶蛋白分散的碳纳米管层和导线；所述丝胶蛋白分散的碳纳米管层附着于所述柔性基底的表面。
本发明提供了一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将柔性基底浸渍于丝胶蛋白分散碳纳米管(SSCNT)的水溶液中，在所述柔性基底的表面形成丝胶蛋白分散的碳纳米管层；
(2)将导线与所得的含有碳纳米管层的柔性基底的两端相连，即得柔性压力传感器。
在本发明中，所述步骤(1)中丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液的浓度为1～4mg/mL，优选为3mg/mL。
在本发明中，所述步骤(1)中浸渍的时间为10～50min，优选为30min；浸渍的温度为20～30℃，优选为25℃。
在本发明中，所述柔性基底优选为三聚氰胺泡沫(MF)。
在本发明中，所述步骤(1)中丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液为在碳纳米管和丝胶蛋白混合溶液中加入表面活性剂后即得。
在本发明中，所述表面活性剂优选为十二烷基苯磺酸钠。
在本发明中，所述碳纳米管、丝胶蛋白和表面活性剂的质量比为2～5：2～6：1，优选为3：4：1。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)将预处理的柔性基底浸渍到1mg/mL丝胶蛋白分散碳纳米管(SSCNT)的水溶液中进行超声处理，随后将柔性基体放入烘箱烘干，然后放入恒温鼓风干燥箱中干燥，干燥温度50℃，待完全固化干燥取出，通过计算为SSCNT(负载量10％)的MF。
(2)在SSCNT/MF上下两端连接导线，制成了弹性三维泡沫基压力传感器。
所述步骤(1)中的预处理为：将柔性基体浸入含有丙酮溶液的索氏提取器中，丙酮溶液从0℃上升至50℃，溶液稳定至50℃，柔性基体放在含有丙酮溶液的索氏提取器中循环回流，回流一次清洗一次，回流清洗柔性基体2小时。
所述1mg/mL丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液是在探针超声处理的碳纳米管和丝胶蛋白混合溶液中加入十二烷基苯磺酸钠磁力搅拌20min，在2000rpm下离心5min，即得。所述碳纳米管、丝胶蛋白和表面活性剂的质量比为3：4：1。
实施例2
(1)将预处理的柔性基底浸渍到2mg/mL丝胶蛋白分散碳纳米管(SSCNT)的水溶液中进行超声处理，随后将柔性基体放入烘箱烘干，然后放入恒温鼓风干燥箱中干燥，干燥温度50℃，待完全固化干燥取出，通过计算为SSCNT(负载量40％)的MF。
(2)在SSCNT/MF上下两端连接导线，制成了弹性三维泡沫基压力传感器。
所述步骤(1)中的预处理同实施例1。
所述2mg/mL丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液是在探针超声处理的碳纳米管和丝胶蛋白混合溶液中加入十二烷基苯磺酸钠磁力搅拌25min，在2000rpm下离心5min，即得。所述碳纳米管、丝胶蛋白和表面活性剂的质量比为3：4：1。
实施例3
(1)将预处理的柔性基底浸渍到3mg/mL丝胶蛋白分散碳纳米管(SSCNT)的水溶液中进行超声处理，随后将柔性基体放入烘箱烘干，然后放入恒温鼓风干燥箱中干燥，干燥温度50℃，待完全固化干燥取出，通过计算为SSCNT(负载量80％)的MF。
(2)在SSCNT/MF上下两端连接导线，制成了弹性三维泡沫基压力传感器。
所述步骤(1)中的预处理同实施例1。
所述3mg/mL丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液是在探针超声处理的碳纳米管和丝胶蛋白混合溶液中加入十二烷基苯磺酸钠磁力搅拌30min，在2000rpm下离心5min，即得。所述碳纳米管、丝胶蛋白和表面活性剂的质量比为3：4：1。
实施例4
(1)将预处理的柔性基底浸渍到4mg/mL丝胶蛋白分散碳纳米管(SSCNT)的水溶液中进行超声处理，随后将柔性基体放入烘箱烘干，然后放入恒温鼓风干燥箱中干燥，干燥温度50℃，待完全固化干燥取出，通过计算为SSCNT(负载量110％)的MF。
(2)在SSCNT/MF上下两端连接导线，制成了弹性三维泡沫基压力传感器。
所述步骤(1)中的预处理同实施例1。
所述4mg/mL丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液是在探针超声处理的碳纳米管和丝胶蛋白混合溶液中加入十二烷基苯磺酸钠磁力搅拌30min，在2000rpm下离心5min，即得。所述碳纳米管、丝胶蛋白和表面活性剂的质量比为3：4：1。
图2中可以看出丝胶蛋白分散的碳纳米管均匀的负载在柔性基底的表面。
图3中可以看到，本申请得到的压力传感器的电导率可高达140μS/cm。
图4：对原始碳纳米管、丝胶蛋白和50wt％碳纳米管的烘干膜进行X射线衍射，表明通过丝胶蛋白处理没改变CNT原始的晶型结构，保留了碳纳米管的高导电率。
图5：对原始碳纳米管、丝胶蛋白和丝胶蛋白非共价碳纳米管的烘干膜进行红外光谱曲线，表明碳纳米管表面吸附了丝胶蛋白。
图6：对原始碳纳米管、丝胶蛋白和丝胶蛋白非共价碳纳米管进行热重分析。
图7中可以看出，负载量为110％的柔性压力传感器的拉伸感应性强，具有柔韧性强的特点。
由以上实施例可知，本发明提供了一种柔性压力传感器及其制备方法，该制备方法成本低、工艺简单、绿色环保，制得的柔性压力传感器性能稳定，具有广泛的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括柔性基底、丝胶蛋白分散的碳纳米管层和导线；所述丝胶蛋白分散的碳纳米管层附着于所述柔性基底的表面；
所述柔性压力传感器的制备方法包括以下步骤：
(1)将柔性基底浸渍于丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液中，在所述柔性基底的表面形成丝胶蛋白分散的碳纳米管层；
(2)将导线与所得的含有碳纳米管层的柔性基底的两端相连，即得柔性压力传感器；
所述步骤(1)中丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液为在碳纳米管和丝胶蛋白混合溶液中加入表面活性剂后即得；
所述碳纳米管、丝胶蛋白和表面活性剂的质量比为2～5：2～6：1。
2.权利要求1所述柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将柔性基底浸渍于丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液中，在所述柔性基底的表面形成丝胶蛋白分散的碳纳米管层；
(2)将导线与所得的含有碳纳米管层的柔性基底的两端相连，即得柔性压力传感器；
所述步骤(1)中丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液为在碳纳米管和丝胶蛋白混合溶液中加入表面活性剂后即得；
所述碳纳米管、丝胶蛋白和表面活性剂的质量比为2～5：2～6：1。
3.根据权利要求2所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中丝胶蛋白分散碳纳米管的水溶液的浓度为1～4mg/mL。
4.根据权利要求3所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中浸渍的时间为10～50min，浸渍的温度为20～30℃。
5.根据权利要求4所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性基底为三聚氰胺泡沫。
6.根据权利要求5所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
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