CN107747957A - 一种基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法及应用 - Google Patents

一种基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，通过在双向预拉伸弹性基底上平铺一列碳纳米管薄膜；随后喷涂介质层混合溶液，再垂直平铺另一列碳纳米管膜，碳纳米管垂直交叉部分形成电容器，得到CNTs/介质层/CNTs结构的电容器；再次喷涂混合溶液作为保护层；释放弹性基底到初始状态形成复杂的褶皱结构；最后用环氧树脂胶粘剂固结传感单元，即得到电容式柔性可拉伸传感阵列。

Description

一种基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸 传感阵列的制备方法及应用
技术领域
本发明属于柔性可拉伸传感阵列技术领域，具体涉及一种基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法及应用。
背景技术
柔性可穿戴和便携式电子设备近年来越来越受到研究人员的高度关注，电子皮肤相关技术的发展使得其在机器人和医疗设备领域有着潜在的应用价值。电子皮肤柔性传感系统通过收集周围环境复杂信息，包括压力、应变、剪切力和震动等，并通过电阻、电容的变化、或通过压电元件将这些物理量转换为电信号，如电压。将这些电子皮肤应用于机器人，尤其是软体机器人，即可执行更复杂的任务如护理老年人或病人。电子皮肤传感系统的一个重要特征是适应人体移动同时保持其传感性能，这就要求传感器需要特别的柔韧性和可拉伸性。目前为止，电子皮肤的研究主要集中在提升触觉传感器的灵敏度、空间分辨率和可拉伸性能，最近，电子皮肤系统的研究开始关注多功能性能的集成。目前研究的柔性可拉伸多功能的电子皮肤系统，很难区分不同的外界刺激。而且柔性传感器制备流程复杂。如要制备电容性的压力传感器，往往需要利用光刻等方法制备出微纳空腔。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有柔性传感器功能单一的问题，提供一种基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，其简单快速，能够实现多重响应功能及应用方面的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法包括如下步骤：
(1)清洗热塑性弹性体SEBS，并烘干，将热塑性弹性体SEBS剪成方形并将其双向预拉伸，得到双向预拉伸的弹性体SEBS；
(2)将洗净后的热塑性弹性体SEBS溶解于环己烷，得到SEBS与环己烷的混合溶液；
(3)从化学气相沉积法长成的多壁碳纳米管阵列中抽出顺排碳纳米管膜CNTs；
(4)在所述双向预拉伸的弹性体SEBS上，沿水平方向平铺一列所述顺排碳纳米管膜CNTs，将所述SEBS与环己烷的混合溶液用喷枪喷涂在所述顺排碳纳米管膜CNTs表面作为电容器介质层，置于鼓风干燥箱中烘干；沿垂直方向，再平铺一列所述顺排碳纳米管膜CNTs，两列所述顺排碳纳米管膜CNTs垂直交叉部分形成电容器，得到CNTs/介质层/CNTs结构的电容器，在所述CNTs/介质层/CNTs结构的电容器表面再次用喷枪喷涂所述SEBS与环己烷的混合溶液作为保护层，释放所述双向预拉伸的弹性体SEBS，并用环氧树脂胶粘剂固结传感器电容单元，得到基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(1)中所述清洗为超声波清洗10-30 min，所述烘干为在40-50℃的条件下烘干5-10min。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(1)中所述双向预拉伸为沿水平和垂直方向预拉伸，所述预拉伸范围为50-600%。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(2)中2.18 g的热塑性弹性体SEBS溶于50mL的环己烷中。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(3)中所述顺排碳纳米管膜CNTs的宽度为0.5-1.5cm。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(4)中一列顺排碳纳米管膜CNTs为3-10条/10 cm，所述顺排碳纳米管膜CNTs的宽度为0.5-1.5cm。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(4)中所述电容器介质层的厚度为5-30μm。
作为本发明的一个优选的实施例，步骤(4)中所述保护层的厚度为5-20μm。
上述方法所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列可以在电子皮肤中应用。
本发明的有益效果是：（1）在双向预拉伸的弹性基底上制备电容器，释放基底后形成褶皱结构的电容器，制备方法简单方便，可实现大面积制备；（2）可制备出双向拉伸分别达600%的电容阵列；（3）该电容阵列既可以测量压力，又可测量触觉，能够实现压力传感、触觉传感，压力传感灵敏度达到0.63 kPa-1；触觉传感电容值变化达到0.5 pF；（4）该电容阵列可区分非接触感应和外界压力引起的电容变化；（5）该电容阵列在拉伸过程中电容不变，从而可以保证在拉伸过程中测量的准确性；（6）将这个阵列应用于机械人，可以探测物体的位置及形状。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明中所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的单个电容器的横截面SEM图；
图2为本发明中所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的传感器在不同压力下电容值变化的压力传感曲线图；
图3为本发明中所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的传感器的“接地导体”距传感器表面的不同距离下电容值变化曲线图；
图4为本发明中所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的位置探测原理图及应用示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。另外，需要说明的是，CNTs表示碳纳米管，SEBS表示饱和型苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
本发明一种基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一，弹性体基底的准备。
在一个实施例中，将购买的普通商业产品热塑性弹性体SEBS（饱和型苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）用自来水冲洗，随后用酒精和去离子水超声波清洗10-30 min，放入鼓风干燥箱40-50℃烘5-10min，把洗净后的弹性体剪成方形，并用夹具对其双向拉伸作为双向预拉伸的弹性体SEBS。
步骤二，介质层混合溶液的制备。
在一个实施例中，将洗净的热塑性弹性体SEBS 2.18g溶解于50 mL环己烷中，超声60 min加速溶解。
步骤三，顺排碳纳米管膜的准备。
具体的，从化学气相沉积法制备得到的多壁碳纳米管阵列直接抽出顺排碳纳米管膜CNTs。
步骤四，在双向预拉伸的弹性体SEBS上，平铺顺排碳纳米管膜（宽度为0.5-1.5cm）；将SEBS与环己烷的混合溶液用喷枪喷涂在顺排碳纳米管膜表面作为电容器介质层（厚度为5-30μm），置于鼓风干燥箱中烘干；再垂直平铺顺排碳纳米管膜，得到CNTs/介质层/CNTs结构的电容器；在电容器表面再次用喷枪喷涂SEBS与环己烷的混合溶液作为保护层（厚度为5-20μm），释放双向预拉伸的弹性体SEBS；并用环氧树脂胶粘剂固结传感器电容单元。
上述步骤，通过在双向预拉伸SEBS弹性体基底上平铺一列顺排碳纳米管膜CNTs，随后喷涂溶于环己烷的SEBS混合溶液作为介质层，再垂直地铺另一列顺排碳纳米管膜CNTs形成电容器，再次喷涂混合溶液作为保护层，释放弹性基底到初始状态形成复杂地褶皱结构，最后用环氧树脂胶粘剂固结传感单元，得到电容式柔性可拉伸传感阵列。请参阅图1，图1为本发明中所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的单个电容器的横截面SEM图，从图1中可以看到：弹性基底表面形成复杂的褶皱结构。
请参阅图2，图2为本发明中所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的传感器在不同压力下电容值变化的压力传感曲线图，如图2所示，电容值变化达到200 %，压力传感灵敏度达到0.63 kPa-1。
请参阅图3，图3为本发明中所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的传感器的“接地导体”距传感器表面的不同距离下电容值变化曲线图。如图3所示，触觉传感电容值变化达到0.5 pF。
请参阅图4，图4为本发明中所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的位置探测原理图及应用示意图。由图4可知，该结构可以应用于电子皮肤的设计：将所制备的柔性可拉伸传感系统作为电子皮肤安装在可伸缩的机械手臂上，实现搀扶人体的动作，推轮椅的动作。
下面结合基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法介绍四个能够充分体现本发明内容的实施例：
实施例一：
制作基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列。
步骤1：弹性体基底的准备：将购买的普通商业产品热塑性弹性体SEBS（饱和型苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）用自来水冲洗，随后用酒精和去离子水超声波清洗30min，放入鼓风干燥箱50℃烘干10min，把洗净后的弹性体剪成5×5cm2方块状并用夹具对其双向拉伸作为基底材料。
步骤2：介质层混合溶液的制备：将洗净的热塑性弹性体SEBS 2.18g溶解于50mL环己烷中，并超声60min加速溶解，备用。
步骤3：顺排碳纳米管膜的准备：从化学气相沉积法制备得到的多壁碳纳米管阵列中直接抽出碳纳米管膜。
步骤4：柔性可拉伸传感阵列的制备：在双向预拉伸（水平和垂直方面预拉伸分别为200%）SEBS弹性基底上，沿水平方向平铺3条碳纳米管膜（宽度为0.8cm，间隔0.6cm）；将SEBS与环己烷的混合溶液用喷枪喷涂在CNTs膜表面作为电容器介质层（厚度为10μm），置于鼓风干燥箱中烘干；再沿垂直方向，同样平铺3条碳纳米管膜，得到CNTs/介质层/CNTs结构的电容器；在电容器表面再次用喷枪喷涂SEBS与环己烷的混合溶液作为保护层（厚度为10μm），释放预拉伸的弹性基底，并用环氧树脂胶粘剂固结传感器电容单元。
实施例二：
制作基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列。
步骤1：弹性体基底的准备：将购买的普通商业产品热塑性弹性体SEBS（饱和型苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）用自来水冲洗，随后用酒精和去离子水超声波清洗10min，放入鼓风干燥箱40℃烘干5min，把洗净后的弹性体剪成5×5cm2方块状并用夹具对其双向拉伸作为基底材料。
步骤2：介质层混合溶液的制备：将洗净的热塑性弹性体SEBS 2.18g溶解于50mL环己烷中，并超声60min加速溶解，备用。
步骤3：顺排碳纳米管膜的准备：从化学气相沉积法制备得到的多壁碳纳米管阵列中直接抽出碳纳米管膜。
步骤4：柔性可拉伸传感阵列的制备：在双向预拉伸（水平和垂直方面预拉伸分别为50%）SEBS弹性基底上，沿水平方向平铺3条碳纳米管膜（宽度为0.5cm，间隔0.6cm）；将SEBS与环己烷的混合溶液用喷枪喷涂在CNTs膜表面作为电容器介质层（厚度为5μm），置于鼓风干燥箱中烘干；再沿垂直方向，同样平铺3条碳纳米管膜，得到CNTs/介质层/CNTs结构的电容器；在电容器表面再次用喷枪喷涂SEBS与环己烷的混合溶液作为保护层（厚度为5μm），释放预拉伸的弹性基底，并用环氧树脂胶粘剂固结传感器电容单元。
实施例三：
制作基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列。
步骤1：弹性体基底的准备：将购买的普通商业产品热塑性弹性体SEBS（饱和型苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）用自来水冲洗，随后用酒精和去离子水超声波清洗30min，放入鼓风干燥箱50℃烘干10min，把洗净后的弹性体剪成5×5cm2方块状并用夹具对其双向拉伸作为基底材料。
步骤2：介质层混合溶液的制备：将洗净的热塑性弹性体SEBS 2.18g溶解于50mL环己烷中，并超声60min加速溶解，备用。
步骤3：顺排碳纳米管膜的准备：从化学气相沉积法制备得到的多壁碳纳米管阵列中直接抽出碳纳米管膜。
步骤4：柔性可拉伸传感阵列的制备：在双向预拉伸（水平和垂直方面预拉伸分别为600%）SEBS弹性基底上，沿水平方向平铺10条碳纳米管膜（宽度为1.5cm，间隔0.6cm）；将SEBS与环己烷的混合溶液用喷枪喷涂在CNTs膜表面作为电容器介质层（厚度为30μm），置于鼓风干燥箱中烘干；再沿垂直方向，同样平铺10条碳纳米管膜，得到CNTs/介质层/CNTs结构的电容器；在电容器表面再次用喷枪喷涂SEBS与环己烷的混合溶液作为保护层（厚度为20μm），释放预拉伸的弹性基底，并用环氧树脂胶粘剂固结传感器电容单元。
所属领域内的普通技术人员应该能够理解的是，本发明的特点或目的之一在于：上述方法所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列：（1）在双向预拉伸的弹性基底上制备电容器，释放基底后形成褶皱结构的电容器，制备方法简单方便，可实现大面积制备；（2）可制备出双向拉伸分别达600%的电容阵列；（3）该电容阵列既可以测量压力，又可测量触觉，能够实现压力传感、触觉传感，压力传感灵敏度达到0.63kPa-1；触觉传感电容值变化达到0.5 pF；（4）该电容阵列可区分非接触感应和外界压力引起的电容变化；（5）该电容阵列在拉伸过程中电容不变，从而可以保证在拉伸过程中测量的准确性；（6）将这个阵列应用于机械人，可以探测物体的位置及形状。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作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其技术性范围。

Claims (9)

1.一种基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)清洗热塑性弹性体SEBS，并烘干，将热塑性弹性体SEBS剪成方形并将其双向预拉伸，得到双向预拉伸的弹性体SEBS；
(2)将洗净后的热塑性弹性体SEBS溶解于环己烷，得到SEBS与环己烷的混合溶液；
(3)从化学气相沉积法长成的多壁碳纳米管阵列中抽出顺排碳纳米管膜CNTs；
(4)在所述双向预拉伸的弹性体SEBS上，沿水平方向平铺一列所述顺排碳纳米管膜CNTs，将所述SEBS与环己烷的混合溶液用喷枪喷涂在所述顺排碳纳米管膜CNTs表面作为电容器介质层，置于鼓风干燥箱中烘干；沿垂直方向，再平铺一列所述顺排碳纳米管膜CNTs，两列所述顺排碳纳米管膜CNTs垂直交叉部分形成电容器，得到CNTs/介质层/CNTs结构的电容器，在所述CNTs/介质层/CNTs结构的电容器表面再次用喷枪喷涂所述SEBS与环己烷的混合溶液作为保护层，释放所述双向预拉伸的弹性体SEBS，并用环氧树脂胶粘剂固结传感器电容单元，得到基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列。
2.根据权利要求1所述的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述清洗为超声波清洗10-30 min，所述烘干为在40-50℃的条件下烘干5-10min。
3.根据权利要求1所述的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述双向预拉伸为沿水平和垂直方向预拉伸，所述预拉伸范围为50-600%。
4.根据权利要求1所述的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，其特征在于：步骤(2)中2.18 g的热塑性弹性体SEBS溶于50 mL的环己烷中。
5.根据权利要求1所述的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述顺排碳纳米管膜CNTs的宽度为0.5-1.5cm。
6.根据权利要求1所述的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，其特征在于：步骤(4)中一列顺排碳纳米管膜CNTs为3-10条/10 cm，所述顺排碳纳米管膜CNTs的宽度为0.5-1.5cm。
7.根据权利要求1所述的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述电容器介质层的厚度为5-30μm。
8.根据权利要求1所述的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述保护层的厚度为5-20μm。
9.根据权利要求1—8所述的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列的制备方法所制备的基于双向预拉伸弹性基底及顺排碳纳米管的柔性可拉伸传感阵列在电子皮肤中的应用。
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