CN106852687B - 一种基于碳化海绵的压力敏感材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于碳化海绵的压力敏感材料的制备方法，包括如下步骤：1)将三聚氰胺海绵在真空或惰性气氛保护下，在700～1000℃的高温下进行热分解处理0.5‑5小时，制得碳化海绵。2)在上述碳化海绵中浇注其体积0.2～1倍的树脂材料，真空脱泡；树脂固化后，即得具有高灵敏度的压力敏感材料。该方法具有原料来源便宜，可重复性高，制备工艺简单、可控，所制得的压力敏感材料应变范围大、灵敏度高的特点，在结构健康监测、电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品等方面具有良好的应用前景。

Description

一种基于碳化海绵的压力敏感材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种压力敏感材料的制备方法，更具体的说本发明涉及一种基于碳化海绵的压力敏感材料的制备方法，该材料可用作柔性压力传感器的核心元件。
背景技术
传感器在航空航天、军工、交通、建筑、医疗健康等领域有着广泛的应用。近年来随着各种智能可穿戴设备的发展，利用传感器可以实现人类触觉、嗅觉、味觉、听觉、视觉等感知功能，在人体健康检测、医疗、运动追踪等方面的应用日益重要。传统的电阻应变片、半导体应变片等压力传感器存在着灵敏系数低、柔韧性差等缺点，难以满足新一代传感器在柔性和便捷性方面的要求。近年来基于柔性基底材料，如聚二甲基硅氧烷等开发的压力传感器具有良好的柔软性和高灵敏性，可适应各种复杂曲面，承受大幅度的变形，极大的扩展了压力传感器的应用范围。
目前柔性压力传感器多为压阻型传感器，其压力敏感材料主要为一维或二维纳米导电材料，如金银纳米线、碳纳米管和石墨烯等，其作为压力敏感材料所制备出的压阻型传感器具有较高的灵敏性，但目前金银纳米线、碳纳米管或石墨烯等纳米材料普遍存在着制备工艺复杂、原料获取困难、造价高昂等缺点，不利于大规模的工业化生产和应用。
发明内容
本发明的目的为提供一种基于碳化海绵的压力敏感材料的制备方法，该方法所采用的原料具有价格便宜、可工业化大量生产等特点，所制得的压力敏感材料性能稳定可靠，可用于人体呼吸、脉搏、关节肌肉活动、面部肌肉活动等身体信号数据的采集。
本发明所提供的基于碳化海绵的压力敏感材料的制备步骤如下：
1)碳化海绵的制备
将三维多孔状海绵材料，在真空或惰性气氛保护下，在700～1000℃的高温下进行热分解处理0.5-5小时，即可得到具有三维多孔状结构的压力敏感材料。
所述三维多孔状海绵材料为可大批量生产的三聚氰胺海绵。
所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种。
2)压力敏感材料的制备
将上述得到的压力敏感材料两端分别用导电胶和电极材料相连接；在连接有电极的压阻敏感材料中浇注其体积0.2～1倍的树脂材料，真空脱泡；树脂固化后，即制得具有高灵敏度的压力敏感材料。
所述电极材料为金属铝箔、金属铝线、金属铜箔、金属铜线中的一种。
所述封装树脂为聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚甲基乙烯基硅氧烷等。
本发明所制备的压力敏感材料的工作原理：高温下热解三聚氰胺海绵可得到碳化海绵，碳化海绵保持了原有海绵的三维多孔结构，碳化纤维之间的交互连接赋予了碳化海绵良好的导电性及压阻敏感性能；利用树脂对其封装可达到保护压力敏感材料的作用。由碳化海绵和封装树脂所得到的复合材料，即保持了碳化海绵良好的导电性，又兼具了封装树脂的柔韧性和可穿戴性。通过封装材料的选择和用量控制，可调节复合材料的模量，从而达到调节复合材料压阻敏感性的作用。如图1所示，当有外界压力作用于复合材料时，材料发生变形，从而导致复合材料内三维导电网络结构发生破坏，网络的连接点减少，从而引起电阻增加，外力撤销后网络结构回复到初始状态，电阻也恢复初始值。
本发明的优点：
1、该压力敏感材料具有制备工艺简单、造价低廉的特点，同时其核心原材料可由大规模工业化生产得到，原料充足，性能稳定。
2、该压力敏感材料具有三维网络结构，压阻灵敏度高，柔韧性好，适宜用作可穿戴器件中的压力敏感部分，例如用于检测身体各个部位的肌肉活动状况。
附图说明
图1.本发明所制备压力敏感材料的工作原理图；
图2.本发明所制备的碳化海绵的SEM照片；
图3.本发明所制备的压力敏感材料的光学照片；
图4.本发明所制备压力敏感材料的相对电阻变化量-压力曲线；
图5.本发明所制备压力敏感材料对脉搏跳动的响应。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
实施例1
①将三聚氰胺海绵在氮气保护下，在800℃的高温下热分解1小时，制得碳化海绵A。②将步骤①中所制备碳化海绵A两端分别用导电胶与金属铜箔连接，作为电极。
③将步骤②中连接有铜箔电极的碳化海绵A中浇注其体积50％的聚二甲基硅氧烷树脂，真空脱泡，树脂固化，即制得压力敏感材料。
图1为本发明所制备基于碳化海绵压力敏感材料的工作原理示意图，其中a)表示没有受压时碳化纤维的状态；b)表示柔性压力敏感材料在受压时碳化纤维出现断裂的状态。图2为所制备的碳化海绵的SEM照片，从图中可以看出碳化海绵有很多纤维交互连接而成，纤维的直径约为1-2μm。碳化海绵的电导率为0.02S/m。从传感器的照片(图3)可以看出，传感器具有良好的柔软性，可进行任意角度的弯曲。图4为所制备三维压力敏感材料的相对电阻变化-压力曲线，从中可以看出压力敏感材料的电阻对压力变化非常敏感，压力敏感系数为14.77。所制备压力敏感材料对外载荷具有非常宽的响应频率，从0.01Hz到1Hz都可以检测到压力的变化。图5为所制备压力敏感材料对脉搏的检测曲线，从图中可以看出敏感材料对人体脉搏跳动有良好的响应，可以得到心率等信息。
实施例2
①将三聚氰胺海绵在氩气保护下，在700℃的高温下热分解5小时，制得碳化海绵B。②将步骤①中所制备碳化海绵B两端分别用导电胶与金属铝箔连接，作为电极。
③将步骤②中连接有铝箔电极的碳化海绵B中浇注其体积20％的聚二乙基硅氧烷树脂，真空脱泡，树脂固化，即制得压力敏感材料。
使用本发明提供的方法制备得到的碳化海绵B的电导率为0.004S/m。所制备的压力敏感材料具有良好的柔软性，可进行任意角度的弯曲。压力敏感材料对压力变化具有良好的响应，压力敏感系数为16.78。
实施例3
①将三聚氰胺海绵在氦气保护下，在1000℃的高温下热分解0.5小时，制得碳化海绵C。
②将步骤①中所制备碳化海绵C两端分别用导电胶与金属铝线连接，作为电极。
③将步骤②中连接有铝线电极的碳化海绵C中浇注其体积100％的聚甲基乙烯基硅氧烷树脂，真空脱泡，树脂固化，即制得压力敏感材料。
使用本发明提供的方法制备得到的碳化海绵C的电导率为1.599S/m。所制备的压力敏 感材料具有良好的柔软性，可进行任意角度的弯曲。压力敏感材料对压力变化具有良好的响应，压力敏感系数为12.20。
实施例4
①将三聚氰胺海绵在真空环境下，在900℃的高温下热分解4小时，制得碳化海绵D。
②将步骤①中所制备碳化海绵D两端分别用导电胶与金属铜线连接，作为电极。
③将步骤②中连接有金属铜线电极的碳化海绵D中浇注其体积80％的聚二甲基硅氧烷树脂，真空脱泡，树脂固化，即制得压力敏感材料。
使用本发明提供的方法制备得到的碳化海绵D的电导率为1.051S/m。所制备的压力敏 感材料具有良好的柔软性，可进行任意角度的弯曲。压力敏感材料对压力变化具有良好的响应，压力敏感系数为13.36。

Claims (4)

1.一种基于碳化海绵的压力敏感材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)碳化海绵的制备，将三聚氰胺海绵在真空或惰性气体保护下，在700～1000℃的高温下进行热分解处理0.5-5小时，即可制得碳化海绵；
2)将上述碳化海绵两端分别用导电胶与电极材料相连接；
3)柔性压力敏感材料的制备，将步骤2)所制备的连接有电极的碳化海绵中浇注其体积0.2～1倍的树脂材料，真空脱泡；树脂固化后，即制得具有高灵敏度的柔性压力敏感材料；
其中，步骤3)中所述树脂材料为聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷和聚甲基乙烯基硅氧烷中的一种。
2.根据权利要求1所述的基于碳化海绵的压力敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的海绵材料为大批量生产的工业化三聚氰胺海绵产品。
3.根据权利要求1所述的基于碳化海绵的压力敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于碳化海绵的压力敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述电极材料为金属铝箔、金属铝线、金属铜箔、金属铜线中的一种。
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