CN114381032A - 基于渗流理论的三相pdms复合材料制备方法及智能脚垫 - Google Patents

基于渗流理论的三相pdms复合材料制备方法及智能脚垫 Download PDF

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CN114381032A CN202210066955.1A CN202210066955A CN114381032A CN 114381032 A CN114381032 A CN 114381032A CN 202210066955 A CN202210066955 A CN 202210066955A CN 114381032 A CN114381032 A CN 114381032A
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Abstract

本发明公开了基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，包括以下步骤：将碳纳米管和石墨烯与适量的糖颗粒混合，进行充分研磨，使颗粒混合均匀，再加入适量的PDMS和固化剂，将混合物搅拌均匀后放入压片机压片成型，将制得的样品固化后水浴加热加速糖颗粒的溶解，得到三相PDMS复合材料，结合渗流理论，解释三相PDMS复合材料在不同掺杂浓度下的介电性能和导电性能随掺杂浓度的变化规律，寻找到渗流阈值，得到最大灵敏度的三相PDMS复合材料。该制备方法结合渗流理论和原位糖模板法，通过将导电材料的掺杂浓度增加至渗流阈值，减少了填充材料之间的团聚作用，以及填充材料和柔性基体之间的相互作用，提高了复合材料的介电性能和导电性能。

Description

基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法及智能脚垫
技术领域
本发明涉及柔性压力传感器技术领域，尤其涉及基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法及智能脚垫。
背景技术
拥有高介电常数的复合材料在储存电能和均匀电场等方面起着很大的作用，因此在人工肌肉、辅助药物释放的外衣材料和生物工程领域等方面有着极大的应用潜力。
导体/聚合物是目前制备高介电复合材料的有效形式。其中多壁碳纳米管因为具有较大的长径比、优异的机械性能、电性能和耐热性等特性，而被广泛关注，从而制备出多种高介电常数的CNT/聚合物复合材料。但是由于碳纳米管的分散性较差，所以碳纳米管的含量越高越不利于碳纳米管的分散；此外碳纳米管含量越高，介电损耗就越高。
因此，在渗流阈值的前提下获得具有低介电损耗、高介电常数的复合材料是十分重要的。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将碳纳米管和石墨烯与分散质混合；
S2、向PDMS海绵中加入固化剂并混合；加入S1中碳纳米管和石墨烯与分散质的混合物，其中碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度为0～3.5wt％；
S3、将S2中的混合物定型并固化；将固化好的样品加入水，溶解样品中的分散质，烘干即得rGO/CNT/PDMS海绵，即三相PDMS复合材料；
S4、结合渗流理论，解释三相PDMS复合材料在不同掺杂浓度下的介电性能和导电性能随掺杂浓度的变化规律，寻找到渗流阈值，得到最大灵敏度的三相PDMS复合材料。
本发明一个较佳实施例中，所述碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度为2～3wt％。
本发明一个较佳实施例中，当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度到达渗流阈值时，通过渗流理论公式预测复合材料的介电性能和导电性能：
ε,∝(Pc-P)-x，P<Pc；
tanθ∝(Pc-P)-r，P<Pc；
σdc∝(P-Pc)t，P>Pc；
其中，ε为介电常数，Pc为填充物的渗流阈值，P为填充物的含量，tanθ为介电损耗，为直流电导；x、r和t分别为介电常数、介电损耗和直流电导的临界指数。
本发明一个较佳实施例中，所述碳纳米管在与石墨烯混合前，需要采用强酸氧化法改性处理，包括以下步骤：
S11、向未处理的碳纳米管中加入强酸溶液，并在室温下超声清洗；
S12、在回流设备中以50～70℃的温度回流处理；
S13、将回流处理后的溶液蒸发浓缩形成浓缩液，并冷却；
S14、将S13中的浓缩液离心处理，去除上层清液，得到处理过的碳纳米管；
S15、向碳纳米管中加入水后进行超声处理和离心处理，并重复5～6次直至溶液呈中性，干燥后得到酸氧化的碳纳米管。
本发明一个较佳实施例中，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
本发明一个较佳实施例中，所述分散质为糖。
本发明一个较佳实施例中，在所述S3中，通过水浴法将样品中的分散质溶解。
一种三相PDMS复合材料，采用上述所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法制成：
所述三相PDMS复合材料在掺杂浓度范围为0～2.5wt％时，碳纳米管和石墨烯颗粒均匀地分散在PDMS海绵中，颗粒之间相互独立，且随掺杂浓度的增大，受到压缩后，颗粒之间的连接越容易，介电常数增加越快；
所述三相PDMS复合材料在掺杂浓度2.5～3.5wt％时，碳纳米管和石墨烯颗粒之间具有明显的团聚现象，导电颗粒相互连接，形成导通电路，且随掺杂浓度的增大，受到压缩后，介电常数基本保持不变。
本发明一个较佳实施例中，当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度没有达到三相PDMS复合材料的渗流阈值时，三相PDMS复合材料的直流电导与掺杂浓度成反比，而介电性能与掺杂浓度成正比；
当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度高于三相PDMS复合材料的渗流阈值时，三相PDMS复合材料的直流电导与掺杂浓度成正比，而介电性能与掺杂浓度成反比。
一种智能鞋垫，采用上述所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法制成：所述智能鞋垫为三明治结构，所述智能鞋垫依次将基底、rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器和鞋垫进行复合安装，其中所述rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器由制备的三相PDMS复合材料和导线连接组装形成。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明提供了一种三相PDMS复合材料制备方法，该制备方法结合渗流理论和原位糖模板法，使得碳纳米管和石墨烯附着在多孔PDMS海绵内部，形成三相复合材料，解决了现有技术中导电材料难以渗透到多孔海绵内部且容易脱落的问题。
(2)本发明采用渗流理论，并通过将导电材料的掺杂浓度增加至渗流阈值，减少了填充材料之间的团聚作用，以及填充材料和柔性基体之间的相互作用，提高了复合材料的介电性能和导电性能。此外，本发明将碳纳米管和石墨烯掺杂浓度的增加至与渗流阈值相等时，三相PDMS复合材料的灵敏度达到最大值。
(3)本发明中rGO/CNT/PDMS柔性压力传感器的灵敏度高于CNT/PDMS柔性压力传感器的灵敏度，这是因为由于石墨烯的加入，能够更好地将分散的碳纳米管颗粒连接起来，起到“桥梁”的作用，从而降低rGO/CNT/PDMS海绵的渗流阈值，相比于CNT/PDMS海绵，rGO/CNT/PDMS海绵更容易在渗流阈值的前提下增大到高介电常数，器件的灵敏度也就随之增加。
(4)本发明提供了一种智能鞋垫，该智能鞋垫通过将基底、电容式柔性传感器和鞋垫组装形成三明治结构，进而检测出人体脚部的着地方式，展现了该传感器在可穿戴智能纺织品领域有着巨大的应用潜力。
(5)本发明碳纳米管为多壁碳纳米管，与单壁碳纳米管相比，多壁碳纳米管具有更大的长径比，且制作简单、制备成本较低；多壁碳纳米管的长径比与纯度有关，纯度越高、长径比越大，内部的相互搭接就越容易，即使添加少量的多壁碳纳米管也能在复合材料内部形成较好的导电网络。此外，在添加导电粒子以后，复合材料的介电常数还会得到大幅度的提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的实施例一中纯PDMS海绵的实物及其截面SEM图；
图2是本发明的实施例一的掺杂浓度为2.5wt％的rGO/CNT/PDMS海绵的实物及其截面SEM图；
图3是本发明的实施例二的不同碳纳米管浓度下rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器的灵敏度曲线；
图4是本发明的实施例二的掺杂浓度为0wt％～3.5wt％柔性压力传感器的灵敏度拟合曲线；
图5是本发明的实施例二的传感器的灵敏度曲线图；
图6是本发明的实施例三的rGO/CNT/PDMS柔性压力传感器在三种不同压强作用下的响应性和恢复性图；
图7是本发明的实施例四的rGO/CNT/PDMS电容式柔性压力传感器的迟滞曲线；
图8是本发明的实施例五的rGO/CNT/PDMS柔性压力传感器的循环稳定性测试图；
图9是本发明的实施例六的rGO/CNT/PDMS复合海绵的应力应变曲线；
图10是本发明的实施例七的柔性压力传感器及柔性压力传感器对脚步着地方式的检测图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例中选用的柔性基体材料为聚二甲基硅氧烷PDMS，PDMS作为典型硅橡胶材料，具有螺旋结构的硅氧键(Si-O)，所有侧基均为甲基，PDMS硅氧键的键角较大，因此容易发生旋转，从而产生良好的柔韧性。PDMS是一种热固性材料，分为主体和固化剂，主体为硅氧烷低聚物，固化剂为硅氧烷交联剂，两种组分在加热的条件下可产生交联。由于PDMS的主体与固化剂之间存在多个反应位点，因此在充分混合后在热的作用下就可以固化成形。
本实施例用PDMS代替水，将碳纳米管CNT和石墨烯与糖颗粒充分混合，并加入PDMS海绵与固化剂，充分搅拌后使用压片器进行压片，之后将样品放入烘箱中进行加热固化一定时间，取出样品放入水中使糖融化，从而制备出三相PDMS复合材料，具体制备方法，包括以下步骤：
S1、将糖块研磨形成粉末状糖颗粒，并使用100目的分样筛筛选；将碳纳米管和石墨烯与适量的糖颗粒混合，进行充分研磨；
S2、取一定量的纯PDMS海绵，向PDMS海绵中加入固化剂并且充分搅拌；将碳纳米管和石墨烯与糖颗粒的混合物加入PDMS海绵和固化剂的混合物中，并进行充分搅拌，其中碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度为0～3.5wt％；
S3、将S2中制备的均匀混合物放入到压片器内进行压片定型，将定型后的样品放入到烘箱内固化；
S4、取出固化好的样品放入到容器中并加入适量的水，得到溶解完成的样品，将样品烘干剩余水分，形成rGO/CNT/PDMS海绵，即三相PDMS复合材料。
由于碳纳米管本身的长径比较大，会导致碳纳米管之间发生相互缠绕，且由于具有较大的表面能，会使碳纳米管之间产生团聚的现象，不利于颗粒之间的分散，碳纳米管的分散性和导电性能也会随之下降。为了改善碳纳米管的分散性和导电性能，本实施例需要对其表面进行改性以降低其表面能，从而能使其更好的与聚合物基体结合并均匀地分散在柔性基体PDMS中。
本实施例中采用强酸氧化法，以去除碳纳米管表面的金属催化剂和其他杂质，从而起到增强导电性和提纯的作用。具体地，碳纳米管的强酸氧化改性处理，包括以下步骤：
S11、向未处理的碳纳米管中加入强酸溶液，并在室温下超声清洗；
S12、在回流设备中以50～70℃的温度回流处理；
S13、将回流处理后的溶液蒸发浓缩形成浓缩液，并冷却；
S14、将S13中的浓缩液离心处理，去除上层清液，得到处理过的碳纳米管；
S15、向碳纳米管中加入水后进行超声处理和离心处理，并重复5～6次直至溶液呈中性，干燥后得到酸氧化的碳纳米管。
本实施例中碳纳米管优选为多壁碳纳米管。与单壁碳纳米管相比，多壁碳纳米管具有更大的长径比，且制作简单、制备成本较低。多壁碳纳米管的长径比与纯度有关，纯度越高、长径比越大，内部的相互搭接就越容易，即使添加少量的多壁碳纳米管也能在复合材料内部形成较好的导电网络。此外，在添加导电粒子以后，复合材料的介电常数还会得到大幅度的提高。
本实施例优选碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度为2.5wt％，使用上述制备方法制备形成碳纳米管掺杂浓度为2.5％的rGO/CNT/PDMS海绵。本实施例对制备形成的rGO/CNT/PDMS海绵进行形貌表征分析，对比纯PDMS海绵和CNT/PDMS海绵的SEM图。
(1)纯PDMS海绵SEM分析
为了探究纯PDMS海绵的内部情况，对材料做了电镜扫描。其形貌如图1所示，纯PDMS海绵的表面颜色为白色，内部存在多个孔隙结构，表面光滑，没有任何杂质颗粒附着。
(2)rGO/CNT/PDMS海绵SEM分析
将碳纳米管和石墨烯均匀掺杂于PDMS海绵内部是制作柔性导电海绵的重要环节。图2中(a)为rGO/CNT/PDMS海绵的实物图，图中可以清楚地看到PDMS海绵的表面颜色为黑色，并且表面粗糙，该表面表明碳纳米管和石墨烯与PDMS海绵成功组合。
对实物进行断面电镜测试发现，如图2中(b)和(c)可以清晰地看到制得的rGO/CNT/PDMS海绵上的碳纳米管和石墨烯附着在PDMS海绵内部，并且碳纳米管和石墨烯在内部整体分布均匀，局部有一定的团聚现象，颗粒之间并没有紧密相连，所以rGO/CNT/PDMS海绵不能导电，故可将其用作电容式柔性传感器。
这种类型的空间排布结构满足了海绵再被压缩后会导致碳纳米管和石墨烯的接触点和面的需要，从而达到海绵再被压缩时，海绵的导电率也会发生相应的改变。当rGO/CNT/PDMS海绵被压缩时，附着在PDMS海绵内部的碳纳米管和石墨烯被PDMS海绵挤压而发生变形，随之电容变化率会发生变化，达到应力传感器的要求。
本实施例中选用碳纳米管和石墨烯与PDMS海绵进行复合，由于无机填充材料与有机柔性基体掺杂得到的复合材料属于非均匀体系，即填充材料在柔性基体内部是处于不规则分布的，而且填充材料之间也会产生一定程度的团聚，同时填充材料与柔性基体间的相互作用也会影响到复合材料的介电性能。因此本实施例中找到准确的理论来解释和预测复合材料介电性能的变化趋势，即渗流理论。
渗流理论是指当导电材料的掺杂浓度增加到某一临界值时，复合材料的介电性能和导电性能会随之发生改变。渗流理论有效地解释了复合材料的介电性能和导电性能随导电材料掺杂浓度的变化规律。
当将少量的导电材料掺杂到复合材料中时，内部无法形成导电通路，因此复合材料也不能显现出导电的特性；当继续增加导电材料的掺杂浓度时，复合材料就会达到其本身的的渗流阈值，复合材料的导电性能迅速增加，进而显现出导电的特性；此时如果导电材料的掺杂浓度进一步增加，复合材料内部的导电通路趋于饱和，所以电导率的增加速率开始变缓。
当导电填充材料的浓度到达渗流阈值时，即纳米管和石墨烯的掺杂浓度为2.5wt％，可以通过渗流理论公式预测复合材料的介电性能和导电性能：
ε’∝(Pc-P)-x，P<Pc；
tanθ∝(Pc-P)-r，P<Pc；
σdc∝(P-Pc)t，P>Pc；
其中，ε为介电常数，Pc为填充物的渗流阈值，P为填充物的含量，tanθ为介电损耗，为直流电导。x、r和t分别为介电常数、介电损耗和直流电导的临界指数。
本实施例中渗流理论描述的复合材料的介电特性可简单地解释为：当导电材料的掺杂浓度没有达到复合材料的渗流阈值时，复合材料的直流电导与导电材料的掺杂浓度成反比，而复合材料的介电性能与导电材料的掺杂浓度成正比；当导电材料的掺杂浓度高于复合材料的渗流阈值时，复合材料的直流电导与导电材料的掺杂浓度成正比，而复合材料的介电性能与导电材料的掺杂浓度成反比。
实施例二
本实施例采用如实施例一中的rGO/CNT/PDMS柔性复合材料制备方法，并制备形成电容式柔性传感器。该电容式柔性传感器将rGO/CNT/PDMS柔性复合材料和导线连接组装形成，具体地，将制备好的rGO/CNT/PDMS柔性复合材料放在工作桌台上，用导电胶带贴覆在导电海绵的上下两个表面并引出测试的电极，得到电容式柔性传感器。
灵敏度是指当受到外界压力的刺激时，传感器对该刺激的敏感程度，主要是通过△R/R0曲线的斜率来判定。本实施例测试传感器的灵敏度，比较不同碳纳米管和石墨烯浓度对柔性电阻式压力传感器灵敏度的影响。本实施例中传感器的灵敏度测试方法采用推拉计与LCR数字电桥对rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器进行测试。将电容式柔性传感器放置于测试装备的平台上，并与LCR数字电桥相连，接着对传感器施加不同的压力，收集并记录数据。
如图3所示，示出了本实施例中不同碳纳米管浓度下rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器的灵敏度曲线。
从图3中可以看出，当碳纳米管掺杂浓度的范围为0～3.5wt％时，在相同压强作用下传感器的电容变化率随着碳纳米管和石墨烯掺杂浓度的增加而减小。当碳纳米管和石墨烯掺杂浓度增加到2.5wt％时，传感器的电容变化率增加到最大值，此后若继续增大碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度，传感器的电容变化率便随之减小。
其原因是由于当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度范围为0～2.5wt％时，碳纳米管和石墨烯颗粒均匀地分散在PDMS中，颗粒之间相互独立，在未受到压缩时复合材料的介电常数并不大，但是当受到压缩后，原本分散的碳纳米管和石墨烯颗粒相互连接，导致复合材料的介电常数迅速增大，而且碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度越大，颗粒之间的连接越容易，复合材料的介电常数增加的越快，因此具有较高的灵敏度。但是当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度超过2.5wt％时，颗粒之间会发生明显的团聚现象，以至于导电颗粒相互连接，形成导通电路，复合材料在未受到压缩时的介电常数较大，但是在受到压缩后，复合材料的介电常数并不会发生明显的增加。
综上可知，rGO/CNT/PDMS柔性压力传感器的灵敏度高于CNT/PDMS柔性压力传感器的灵敏度，这是因为由于石墨烯的加入，能够更好地将分散的碳纳米管颗粒连接起来，起到“桥梁”的作用，从而降低rGO/CNT/PDMS海绵的渗流阈值，相比于CNT/PDMS海绵，rGO/CNT/PDMS海绵更容易在渗流阈值的前提下增大到高介电常数，器件的灵敏度也就随之增加。
本实施例对8种不同掺杂浓度的rGO/CNT/PDMS柔性压力传感器在0～0.5kPa、1～2.5kpa和3.0～4.5kPa的压强范围内进行灵敏度拟合，得出相应的灵敏度值。拟合结果如图4所示，其中(a)～(h)为掺杂浓度为0wt％～3.5wt％柔性压力传感器的灵敏度拟合曲线；图5显示为传感器的灵敏度曲线；0～0.5kPa范围内的灵敏度值如表3所示。
表3 0～0.5kPa压强内不同石墨烯和碳纳米管掺杂浓度的灵敏度值
Figure BDA0003480626700000111
从图中可以发现，碳纳米管和石墨烯掺杂浓度的范围为0～3.5wt％时，复合材料的灵敏度随着碳纳米管和石墨烯浓度的增加而增加，当掺杂浓度为2.5wt％时，灵敏度达到最大值，为31.324kPa-1。随着碳纳米管和石墨烯浓度的继续增加，复合材料的灵敏度逐渐开始降低。通过对0～0.5kPa、1～2.5kpa和3.0～4.5kPa压强范围内的灵敏度进行对比，发现复合材料的灵敏度随着压强的增加而减小。
实施例三
由实施例一和实施例二得到在碳纳米管和石墨烯掺杂浓度为5wt％时，rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器灵敏度最大。本实施例中采用砝码和电化学工作站对柔性压力传感器的响应时间进行测试，用传感器与电化学工作站组成串联电路，然后在电化学工作站的程序中选择i-t测试程序，将砝码放置于柔性压力传感器上，记录柔性压力传感器对砝码的响应时间。
本实施例选用灵敏度最高的掺杂碳纳米管的浓度为2.5wt％的电容式柔性传感器进行响应性和恢复性测试，测试了当压强为1kPa、2.5kPa和5kPa时的响应时间和恢复时间，测试结果如图6所示，其中图6(a)-(c)分别显示为1kPa、2.5kPa和5kPa作用下rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器的响应性和恢复性曲线。
当施加的压强为1kPa时，传感器的响应时间为0.2s，恢复时间为0.3s；当施加的压强为2.5kPa时，传感器的响应时间为0.5s，恢复时间为0.7s；当施加的压强为5kPa时，传感器的响应时间为0.7s，恢复时间为0.9s。实验结果表明，所施加的压强越大，柔性压力传感器的响应时间和恢复时间就越长，这是因为随着压强的持续增加，被压缩时导电海绵的变形程度就越大，所对应的响应时间和恢复时间就越长。
对比电阻式柔性压力传感器的响应时间，它们的响应时间和恢复时间都是随着压强的增加而增加。但是本实施例中的rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器的响应时间和恢复时间是比电阻式柔性压力传感器的响应时间和恢复时间短，这是因为电阻式柔性压力传感器除了需要导电海绵压缩变形的时间还需要导电物质互相连接的时间，而电容式柔性压力传感器更多的决定于电极板之间距离变化的时间，也就是海绵压缩变形的时间，故电容式柔性压力传感器的响应时间和恢复时间更短。
实施例四
本实施例对上述实施例中制备的rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器的迟滞稳定性，对器件进行了测试，图7显示为rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器的迟滞曲线。
其中，本实施例中迟滞性是指当柔性压力传感器受到压力和撤去压力后两条灵敏度曲线的重合程度，即柔性压力传感器在撤去压力后能否恢复到原始状态，显现出传感器的稳定性。
本实施例采用推拉计与LCR数字电桥对rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器进行测试，对施加压力后电阻值的变化和撤去压力后电阻值的变化进行了比较，用来验证传感器的迟滞性。
从图7中可以看出，rGO/CNT/PDMS传感器具有很小的迟滞性，两条曲线基本重合，这表明在撤去压力后，该传感器可以很好地恢复不被破坏。
实施例五
本实施例为了进一步验证rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器在不同压缩形变量下的循环稳定性能，选择上述实施例中具有最高灵敏度的rGO/CNT/PDMS海绵进行稳定性测试。
本实施例中采用电化学工作站和万能材料试验机对柔性压力传感器进行了循环稳定性能的测试。具体地，将导电海绵样品放置于万能材料试验机上，将样品通过导电胶带及导线连接组装成柔性压力传感器并与LCR数字电桥相连，测试rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器的压缩次数为200次的循环数据。
使用碳纳米管和石墨烯掺杂浓度为2.5wt％的传感器进行了形变量为30％，压缩次数为200次的循环压缩稳定性实验，并对压缩形变量为10％、20％和30％的电容变化率进行了对比，测试结果如图8所示，其中图8(a)显示为压缩200次的循环稳定测试图，(b)显示为不同形变量下的电阻变化率对比图。
从图中可以发现，在200次的重复压缩过程中，循环曲线的波谷和波峰几乎形成两条平行的直线，表现出柔性传感器具有较好的重复性，并且随着形变量的增加，电阻变化率也逐渐增加。
实施例六
本实施例选择上述实施例中灵敏度最高的rGO/CNT/PDMS海绵进行了循环压缩式的应力应变实验，采用万能材料试验机，并选取了压缩300次和500次后的应力应变曲线进行了对比，图9显示为rGO/CNT/PDMS复合海绵的应力应变曲线图。
从图9中可以看出，压缩300次和500次后的应力应变曲线基本重合，表明该柔性复合海绵在多次压缩以后可以恢复到原来的尺寸，具有较好的回弹性能。
实施例七
通过实施例一和实施例六得到，在碳纳米管掺杂浓度为2.5wt％时，柔性电阻式压力传感器的灵敏度最大、具有较快的响应性、具有很好的迟滞性、具有较好的重复稳定性和具有较好的回弹性。
本实施例中设计了一款可以检测脚底压力的智能鞋垫，如图10所示。该智能鞋垫将上述制备的rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器安装在基底上，在将鞋垫放置于上层以组成三明治结构的智能鞋垫，连接好导线用以检测足底压力的分布。如图10所示，显示了正常行走的三个典型阶段，即脚跟着地、脚掌着地和前脚着地，相应的3D柱状图显示了这三个阶段的压力分布。结果显示，脚部着地方式不同，所对应的压力分布也就不同。
本实施例中制备的智能鞋垫显示了柔性压力传感器与可穿戴纺织品的成功结合，表现了柔性压力传感器在可穿戴智能纺织品领域具有巨大的应用前景。该智能鞋垫通过检测不同人行走或跑步时足底的压力分布，进而检测到不同人的脚部着地方式，可以帮助人正确的行走或跑步姿势。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (10)

1.基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将碳纳米管和石墨烯与分散质混合；
S2、向PDMS海绵中加入固化剂并混合；加入S1中碳纳米管和石墨烯与分散质的混合物，其中碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度为0～3.5wt％；
S3、将S2中的混合物定型并固化；将固化好的样品加入水，溶解样品中的分散质，烘干即得rGO/CNT/PDMS海绵，即三相PDMS复合材料；
S4、结合渗流理论，解释三相PDMS复合材料在不同掺杂浓度下的介电性能和导电性能随掺杂浓度的变化规律，寻找到渗流阈值，得到最大灵敏度的三相PDMS复合材料。
2.根据权利要求1所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于：所述碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度为2～3wt％。
3.根据权利要求1所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于：当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度到达渗流阈值时，通过渗流理论公式预测复合材料的介电性能和导电性能：
ε’∝(Pc-P)-x，P<Pc；
tanθ∝(Pc-P)-r，P<Pc；
σdc∝(P-Pc)t，P>Pc；
其中，ε为介电常数，Pc为填充物的渗流阈值，P为填充物的含量，tanθ为介电损耗，为直流电导；x、r和t分别为介电常数、介电损耗和直流电导的临界指数。
4.根据权利要求1所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于：所述碳纳米管在与石墨烯混合前，需要采用强酸氧化法改性处理，包括以下步骤：
S11、向未处理的碳纳米管中加入强酸溶液，并在室温下超声清洗；
S12、在回流设备中以50～70℃的温度回流处理；
S13、将回流处理后的溶液蒸发浓缩形成浓缩液，并冷却；
S14、将S13中的浓缩液离心处理，去除上层清液，得到处理过的碳纳米管；
S15、向碳纳米管中加入水后进行超声处理和离心处理，并重复5～6次直至溶液呈中性，干燥后得到酸氧化的碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
6.根据权利要求1所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于：所述分散质为糖。
7.根据权利要求1所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法，其特征在于：在所述S3中，通过水浴法将样品中的分散质溶解。
8.一种三相PDMS复合材料，采用如权利要求1-7中任一项所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法制成，其特征在于：
所述三相PDMS复合材料在掺杂浓度范围为0～2.5wt％时，碳纳米管和石墨烯颗粒均匀地分散在PDMS海绵中，颗粒之间相互独立，且随掺杂浓度的增大，受到压缩后，颗粒之间的连接越容易，介电常数增加越快；
所述三相PDMS复合材料在掺杂浓度2.5～3.5wt％时，碳纳米管和石墨烯颗粒之间具有明显的团聚现象，导电颗粒相互连接，形成导通电路，且随掺杂浓度的增大，受到压缩后，介电常数基本保持不变。
9.根据权利要求8所述的一种三相PDMS复合材料，其特征在于：当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度没有达到三相PDMS复合材料的渗流阈值时，三相PDMS复合材料的直流电导与掺杂浓度成反比，而介电性能与掺杂浓度成正比；
当碳纳米管和石墨烯的掺杂浓度高于三相PDMS复合材料的渗流阈值时，三相PDMS复合材料的直流电导与掺杂浓度成正比，而介电性能与掺杂浓度成反比。
10.一种智能鞋垫，采用如权利要求1-7中任一项所述的基于渗流理论的三相PDMS复合材料制备方法制成，其特征在于：所述智能鞋垫为三明治结构，所述智能鞋垫依次将基底、rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器和鞋垫进行复合安装，其中所述rGO/CNT/PDMS电容式柔性传感器由制备的三相PDMS复合材料和导线连接组装形成。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103073891A (zh) * 2013-01-15 2013-05-01 华东理工大学 一种具有高导电率的柔性导电复合材料的制备方法
CN107057362A (zh) * 2017-05-16 2017-08-18 华蓥市高科德电子科技有限公司 一种高导电柔性发泡材料及其制备方法
WO2019129387A1 (en) * 2018-01-01 2019-07-04 Rhodia Operations Structured composites useful as low force sensors
CN113372609A (zh) * 2021-06-24 2021-09-10 中南大学 一种多孔柔性gnp/pdms复合材料及其制备方法和在应变传感器中的应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103073891A (zh) * 2013-01-15 2013-05-01 华东理工大学 一种具有高导电率的柔性导电复合材料的制备方法
CN107057362A (zh) * 2017-05-16 2017-08-18 华蓥市高科德电子科技有限公司 一种高导电柔性发泡材料及其制备方法
WO2019129387A1 (en) * 2018-01-01 2019-07-04 Rhodia Operations Structured composites useful as low force sensors
CN113372609A (zh) * 2021-06-24 2021-09-10 中南大学 一种多孔柔性gnp/pdms复合材料及其制备方法和在应变传感器中的应用

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