CN109060199A - 一种压电传感器的制备方法及压电传感器的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于技术领域，公开了一种压电传感器的制备方法及压电传感器的应用。本发明所提供的压电传感器的制备方法基于静电纺丝技术，包含如下步骤：制备静电纺丝前驱体溶液：以静电纺丝前驱体溶液进行静电纺丝，得到纳米复合材料纤维膜；对纳米复合材料纤维膜裁剪、制备电极、封装，制得压电传感器；所述静电纺丝前驱体溶液中包含高分子材料和纳米陶瓷材料。将本发明的压电传感器与无线发射装置相连，并固定于运动的人体部位或衣物上，压电传感器发出的信号通过手机app接收，实现人体运动无线监测；本发明所制得的压电传感器具有较高的灵敏度和较好的稳定性，在人体健康监测、远程医疗等方面具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，特别涉及一种压电传感器的制备方法及所制得的压电传感器的应用。
背景技术
压力传感器是能感受压力信号、并按照一定规律将施加于其上的压力信号转换成可用的电信号的器件或装置。按照电信号的不同，可以分为电阻式、电容式、压电型和摩擦电型压力传感器。近几年来，新一代微纳米压力传感器由于其自身具有易加工性、耐久性，以及高度敏感性等一系列独特性能而引起了研究者的广泛兴趣，包括纳米颗粒、纳米线、纳米管和纳米纤维在内的纳米材料和结构被纷纷用于制备各种微纳米压力传感器。其中，压电型压力传感器(简称压电传感器)因其材料价格低廉、易批量制备，特别是不需要外接电源(即自驱动性)而被广泛研究。但是应该看到，随着科技的发展，人们对于各类可穿戴、便携式微纳米传感器的需求日益增长，特别是能把信号实时传输，用来远程监测人体运动和健康情况。
静电纺丝技术是一种制备准一维微纳米纤维的技术，具有操作工艺简单以及适用广泛等特点，近十几年来被持续关注。由于静电纺丝纤维的优良性能以及在过滤装置、生物医学、纺织服装、纳米电子器件、传感器、光学器件、能源收集/存储/转化器件、纳米复合材料等方面的广阔应用前景，科研人员对其制造方法进行了广泛的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用静电纺丝技术制备用于人体运动无线监测的静电纺丝压电传感器的方法、以及所制得的压电传感器的应用。本发明的压电传感器在受到外界压力的情况下，产生的压电信号、并通过实时传输由手机app捕捉和还原，从而实现人体运动无线监测的目的。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式所提供的压电传感器的制备方法，包含如下步骤：(1)制备静电纺丝前驱体溶液：(2)以静电纺丝前驱体溶液进行静电纺丝，得到纳米复合材料纤维膜；(3)对纳米复合材料纤维膜裁剪、制备电极、封装，制得压电传感器；所述静电纺丝前驱体溶液中包含高分子材料和纳米陶瓷材料，所述高分子材料选自聚偏氟乙烯及其嵌段共聚物、聚氨酯或聚酰亚胺，所述纳米陶瓷材料选自零维纳米颗粒、一维纳米线、一维纳米管、二维纳米片中的至少一种。
优选地，所述纳米陶瓷材料为具有压电性能的半导体陶瓷材料制成。进一步优选地，所述半导体陶瓷材料选自氧化锌、钛酸钡系、锆钛酸铅二元系或其混合物。
相对于现有技术，本发明的实施方式所提供的压电传感器的制备方法及该方法所制备的压电传感器具有以下突出的技术效果：首先，本发明中的纳米复合材料纤维膜中含有纳米陶瓷材料，由于纳米陶瓷材料具有较高的机电耦合效应和偶极矩，有助于增强复合材料的压电性能；并且纳米陶瓷材料被包裹在电纺纤维中，因此在纳米陶瓷和纤维之间容易形成肖特基势垒和欧姆接触，从而形成内建电势差，即纳米陶瓷材料与压电高分子纤维之间形成协同促进作用，因此制得的基于电纺聚合物/纳米陶瓷的纳米复合材料纤维膜比纯高分子纤维膜具有更优良的压电性能。其次，静电纺丝步骤中的高电压电场以及对于纤维的机械拉伸可以产生区域极化，而不需要额外的极化过程，从而促进纤维的压电性能，保证了最终获得的压电传感器具有较高的灵敏度和较好的稳定性。
优选地，所述制备静电纺丝前驱体溶液的方法包括：将高分子材料加入到有机溶剂中，充分溶解，将纳米陶瓷材料均匀分散到上述溶液中。
本发明的实施方式还提供上述方法制备得到的压电传感器在人体运动无线监测中的应用。
具体地，本发明的实施方式所提供的上述应用包含如下步骤：(1)将所述压电传感器与无线发射装置相连，并将压电传感器固定于运动的人体部位或衣物上；(2)将所述压电传感器发出的信号通过手机app接收，实现人体运动无线监测。
优选地，所述无线发射装置包括电源转换、数据转换控制、信号采集放大和无线数据传输模块。
进一步优选地，所述无线发射装置通过蓝牙进行信号传输或者通过无线网络和服务器进行信号传输。
使用本发明的实时方式所提供的压电传感器置于运动的人体部位或衣物上，通过包括电源转换、数据转换控制、信号采集放大、无线数据传输(蓝牙)模块等在内的无线发射装置，可以实现压电信号的实时无线传输，信号通过定制的手机app接收之后，实现人体运动的无线监测；并且不需要额外的有线电路连接，便于携带，可满足可穿戴电子医疗设备的需求。因此，本发明的压电传感器在人体健康监测、远程医疗等方面具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是实施例1制备的PVDF/BaTiO3纳米线复合纤维膜的电镜图；
图2是实施例1制备的压电传感器通过手机app接收到的跑步和走路的信号图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的具体实施例提供了一种压电传感器的制备方法，包含如下步骤：(1)制备静电纺丝前驱体溶液：(2)以静电纺丝前驱体溶液进行静电纺丝，得到纳米复合材料纤维膜；(3)对纳米复合材料纤维膜裁剪、制备电极、封装，制得压电传感器；所述静电纺丝前驱体溶液中包含高分子材料和纳米陶瓷材料，所述高分子材料选自聚偏氟乙烯及其嵌段共聚物、聚氨酯或聚酰亚胺，所述纳米陶瓷材料选自零维纳米颗粒、一维纳米线、一维纳米管、二维纳米片中的至少一种。
在本发明的一些具体实施例中，所述纳米陶瓷材料为具有压电性能的半导体陶瓷材料制成。
在本发明的一些具体实施例中，所述半导体陶瓷材料选自氧化锌、钛酸钡系、锆钛酸铅二元系或其混合物。
在本发明的一些具体实施例中，所述制备静电纺丝前驱体溶液的方法包括：将高分子材料加入到有机溶剂中，充分溶解，将纳米陶瓷材料均匀分散到上述溶液中。
在本发明的一些具体实施例中，还提供上述方法制备得到的压电传感器在人体运动无线监测中的应用。
在本发明的一些具体实施例中，所提供的上述应用包含如下步骤：(1)将所述压电传感器与无线发射装置相连，并将压电传感器固定于运动的人体部位或衣物上；(2)将所述压电传感器发出的信号通过手机app接收，实现人体运动无线监测。
在本发明的一些具体实施例中，所述无线发射装置包括电源转换、数据转换控制、信号采集放大和无线数据传输模块。
在本发明的一些具体实施例中，所述无线发射装置通过蓝牙进行信号传输；在本发明的另外一些具体实施例中，所述无线发射装置通过无线网络和服务器进行信号传输。
以下为本发明的具体实施方式的举例，其中的原料均为已知化合物，可以由商业途径获得，或可按本领域已知方法制备。
实施例1
本实施例涉及一种以聚偏氟乙烯(PVDF)和一维钛酸钡(BaTiO3)纳米线制备电纺纤维薄膜的制备方法以及以制得的压电传感器进行人体运动监测的方法。具体包括如下步骤：
第一步：制备前驱体溶液。
将制备好的一维BaTiO3纳米线加入到丙酮(acetone)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合溶剂中，超声振荡之后搅拌12小时，使得BaTiO3纳米线均匀分散在混合溶剂中。然后将PVDF粉末加入到上述溶液中，水浴加热磁力搅拌2小时，加热温度为50℃，得到静电纺丝前驱体溶液。
第二步：制备PVDF/BaTiO3纳米线电纺纤维膜。
将上述静电纺丝前驱体溶液吸入到5毫升针管中进行电纺，调节纺丝条件(例如电压15kV、纺丝距离18cm等)，收集到携带BaTiO3纳米线的电纺纤维膜。附图1是PVDF/BaTiO3纳米线复合纤维的扫描电镜(SEM)照片，可以看出电纺纤维为二维无纺布状态，且纤维由于包裹了钛酸钡纳米线而表面稍有粗糙。
第三步：制备压电传感器。
将制备好的纤维膜置于真空干燥箱中进行干燥，使得溶剂充分挥发。然后裁剪合适的尺寸和形状，于纤维上下表面制备电极，然后用导线引出，之后进行封装，制得基于PVDF/BaTiO3纳米线复合纤维的压电传感器。
第四步：运动监测。
将制备好的压电传感器与无线发射装置相连接，然后固定在运动人体部位或者衣物上，利用蓝牙进行信号传输，并通过手机app获取压电信号，达到人体运动监测的效果。图2为将压电传感器置于鞋底，通过手机app接收到的跑步和走路时的压电信号图。
实施例2
将实施例1中的钛酸钡纳米线替换为氧化锌纳米线，高分子基体采用聚氨酯(TPU)，其他条件与实施例1类似，制备电纺复合纤维的压电传感器，进行人体运动监测，具体包括如下步骤：
第一步：制备前驱体溶液。
将制备好的一维氧化锌纳米线加入到丙酮(acetone)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合溶剂中，超声振荡之后搅拌10小时，使得氧化锌纳米线均匀分散在混合溶剂中。然后将TPU粉末加入到上述溶液中，水浴加热磁力搅拌2小时，加热温度为50℃，得到静电纺丝前驱体溶液。
第二步：制备TPU/氧化锌纳米线电纺纤维膜。
将上述静电纺丝前驱体溶液吸入到5毫升针管中进行电纺，调节纺丝条件(例如电压18kV、纺丝距离17cm等)，收集到携带氧化锌纳米线的电纺纤维膜。
第三步：制备压电传感器。
将制备好的纤维膜置于真空干燥箱中进行干燥，使得溶剂充分挥发。然后裁剪合适的尺寸和形状，于纤维上下表面制备电极，然后用导线引出，之后进行封装，制得基于TPU/氧化锌纳米线复合纤维的压电传感器。
第四步：运动监测。
将制备好的压电传感器与无线发射装置相连接，然后固定在运动人体部位或者衣物上，利用无线网络和服务器进行信号传输，并通过手机app获取压电信号，达到人体运动监测的效果。
实施例3
将实施例1中的钛酸钡纳米线替换为锆钛酸铅纳米颗粒，高分子基体采用(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物(PVDF-HFP)，其他条件与实施例1类似，制备电纺复合纤维的压电传感器，进行人体运动监测：
第一步：制备前驱体溶液。
将制备好的锆钛酸铅纳米颗粒加入到丙酮(acetone)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合溶剂中，超声振荡之后搅拌12小时，使得锆钛酸铅纳米颗粒均匀分散在混合溶剂中。然后将PVDF-HFP粉末加入到上述溶液中，水浴加热磁力搅拌2小时，加热温度为50℃，得到静电纺丝前驱体溶液。
第二步：制备PVDF-HFP/锆钛酸铅纳米颗粒电纺纤维膜。
将上述静电纺丝前驱体溶液吸入到5毫升针管中进行电纺，调节纺丝条件(例如电压15kV、纺丝距离18cm等)，收集到携带锆钛酸铅纳米颗粒的电纺纤维膜。
第三步：制备压电传感器。
将制备好的纤维膜置于真空干燥箱中进行干燥，使得溶剂充分挥发。然后裁剪合适的尺寸和形状，于纤维上下表面制备电极，然后用导线引出，之后进行封装，制得基于PVDF-HFP/锆钛酸铅纳米颗粒电纺纤维膜的压电传感器。
第四步：运动监测。
将制备好的压电传感器与无线发射装置相连接，然后固定在运动人体部位或者衣物上，利用蓝牙进行信号传输，并通过手机app获取压电信号，达到人体运动监测的效果。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种压电传感器的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)制备静电纺丝前驱体溶液：
(2)以静电纺丝前驱体溶液进行静电纺丝，得到纳米复合材料纤维膜；
(3)对纳米复合材料纤维膜裁剪、制备电极、封装，制得压电传感器；
所述静电纺丝前驱体溶液中包含高分子材料和纳米陶瓷材料，所述高分子材料选自聚偏氟乙烯及其嵌段共聚物、聚氨酯或聚酰亚胺，所述纳米陶瓷材料选自零维纳米颗粒、一维纳米线、一维纳米管、二维纳米片中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的压电传感器的制备方法，其特征在于，所述纳米陶瓷材料为具有压电性能的半导体陶瓷材料制成。
3.根据权利要求1所述的压电传感器的制备方法，其特征在于，所述半导体陶瓷材料选自氧化锌、钛酸钡系、锆钛酸铅二元系或其混合物。
4.根据权利要求1所述的压电传感器的制备方法，其特征在于，所述制备静电纺丝前驱体溶液的方法包括：将高分子材料加入到有机溶剂中，充分溶解，将纳米陶瓷材料均匀分散到上述溶液中。
5.权利要求1至4中任一项所述的方法制备得到的压电传感器在人体运动无线监测中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，包含如下步骤：
(1)将所述压电传感器与无线发射装置相连，并将压电传感器固定于运动的人体部位或衣物上；
(2)将所述压电传感器发出的信号通过手机app接收，实现人体运动无线监测。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述无线发射装置包括电源转换、数据转换控制、信号采集放大和无线数据传输模块。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述无线发射装置通过蓝牙进行信号传输。
9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述无线发射装置通过无线网络和服务器进行信号传输。
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