CN109341902B - 一种以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器，其两个外层柔性薄膜层是平均径向尺寸高于5‑10um的石墨烯微片的掺杂PCL电纺膜，两个电极层是含有大径向尺寸的石墨烯微片和极小团聚的纳米银颗粒的导电油墨，介电层是纳米纤维静电纺丝而成。还包括制备该柔性压力传感器的制备方法，以及专用制备装置。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯复合材料技术领域，具体为一种以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子组成的只有一个原子厚度的二维材料，具有十分优异的物理化学性能，如优异的力学性能、高的导电性和良好的导热性能等，被认为是当今最具有潜力的纳米材料之一。作为一种一维碳纳米材料，碳纳米纤维具有良好的力学性能、较大的比表面积和良好的化学稳定性等优点，这些特殊性质使其广泛应用于催化剂载体、高分子纳米复合材料、能量转换与储存器件的柔性基底材料等领域。以石墨烯微片为例，其不但自身具备较好的物性性能、电学性能，而且与其他材料复合可以进一步提升其他材料的性能。
静电纺丝是一种简单而有效制备碳纳米纤维的技术，通过高压静电将聚合物溶液进行纺丝，再进行预氧化和高温碳化可制备得到具有三维多孔结构和高比表面积的静电纺碳纳米纤维膜。本专利采用静电纺丝工艺，将聚丙烯腈溶液进行纺丝，并通过预氧化制备得到聚丙烯腈纳米纤维膜。
柔性压力传感器是现有技术所关注的技术，但是如何将新材料较好地应用于其中，有很大问题。文献CN107478360A中提出了一种柔性压力传感器，但是我们通过试制发现，其机械性能非常的差，尤其是针对一些复杂环境下，可以遇到单点很强压力，侧向压力，这种情况下很容易出现褶皱，断裂，层间空隙等现象，它的第一-第五层之间的附着力，以及抗挠曲的性能都明显不足，这导致其难以付诸实用。
具体地，其柔性薄膜外层用的是：热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)，这些材料要么是很有弹性，但是弹性很强的材料在受到单点强力时容易产生反向的脱离，常常发生与电极层脱离的状况，对于一些弹性不足的材料，又会将受到的应力全都吸收，在弯折时发生断裂。现有技术还有问题是，电极层是：银纳米线、银纳米颗粒导电油墨涂层或者碳纳米管、石墨烯和氧化铟锡(ITO)形成的涂层，没有在电极层与介电层的附着上注意，结果就是发生挠曲等情况时，电极层和介电层常发生滑移或者产生空隙，没有特别处理的涂层与介电层之间的结合状况很差，使得该技术无法应对复杂的压力情况。
现有技术中，对于如何制备应对挠曲和复杂应力的柔性压力传感器，没有进行研究和分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种良好的复合材料组成的柔性压力传感器，以解决现有的技术的传感器无法应对复杂应力，挠曲状态的缺陷。相对于现有技术，本发明的方案外面两层薄膜既柔韧，抗挠曲性能又好，由于导电油墨中含有大量的石墨烯大尺寸微片，导致其与外层和介电层的结合力都较好，电极层结合能力大大增强，抗挠曲性能高。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器，其利用以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器的制备方法进行制备，其结构包括：
第一柔性薄膜层；
第二柔性薄膜层，与第一柔性纳米纤维薄膜层相对设置，设置在相对的两外侧；
第一电极层，附着于第一柔性薄膜层内侧；
第二电极层，附着于第二柔性薄膜层内侧；以及
纳米纤维复合薄膜介电层，设置于第一电极层与第二电极层之间；
所述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层均是分散有平均径向尺寸高于5-10um的石墨烯微片的掺杂PCL电纺膜，所述石墨烯微片占复合材料质量百分比在1-2.5％之间；
所述纳米纤维复合薄膜介电层，由聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(TPU)其中一种的纳米纤维静电纺丝而成；
该第一电极层和第二电极层分别由在所述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层每区域涂刷5-10次导电油墨制成；
该第一电极层和第二电极层中，每28-29重量份中含有10重量份的石墨烯/纳米银颗粒填料，该石墨烯/纳米银颗粒填料的特征在于，石墨烯微片表面附着的纳米银颗粒，80％以上的纳米银颗粒径向尺寸低于70-80nm，且所有石墨烯微片表面，平均每平方微米附着的纳米银颗粒聚团数量高于75-80个。
一种以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器的制备方法，其制备了以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器，其特征在于：
A)纳米纤维复合薄膜介电层的制备步骤为：
A1)选择聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(TPU)其中一种的纳米纤维进行静电纺丝，纺丝电压为5-10kV；进液速度为0.1-0.2mL/h；接收距离为10-20cm；纺丝温度为45-55℃，纺丝时间为6-12h以上，所得纳米纤维复合薄膜介电层厚度不小于25-30um；
B)所述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层的制备利用一种制备装置，第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层的制备步骤为：
B1)电纺膜制备步骤：选取适量PCL纤维加入100ml分析纯氯仿之中，超声分散15-30min，得到质量百分数在3-7％的PCL纤维氯仿分散液；
选取电纺电压10-15kV，挤出速度2-4ml/h，接收距离20-30cm，电纺时.间2h，环境温度为4-8℃，得到PCL电纺膜；
B2)膜夹持步骤：选取得到的大于上压环(2)或下压环(5)面积的PCL电纺膜，依次使用足量的四氢呋喃、无水乙醇、双蒸水、无水乙醇分别清洗硅片至少1次，完全晾干后，将清洗后的PCL电纺膜拉紧并夹持在上压环橡胶(1)和下压环橡胶(4)之间，使其无褶皱；
B3)石墨烯微片分散液制备步骤：以预制的大量膨胀石墨片层为原料，在无水乙醇中经1h以上的超声剥离生成石墨烯微片；
将石墨烯微片的溶剂无水乙醇补充至200ml以上，高强度超声震荡3-5min，马上弃去上层一半的分散液，重复以上过程至少5-10次，直至石墨烯微片的平均径向尺寸高于5-10um；
B4)负压附着步骤：将含有前述平均径向尺寸高于5-10um的石墨烯微片质量百分比在5-10％之间的氯仿分散液100-150ml经1-2min超声分散，以极慢速度导入上筒体(3)内，在倾倒完毕之后，将所述抽气机以0.5-1.5L/min流率抽吸2-5s后停止5-8s的方式反复循环，直至透过下筒体观察到PCL电纺膜无明显液体滴下；用废液筒接收下液管(13)流出的液体并回收；
重复步骤(4)前述部分操作10-20次；
将附着石墨烯微片后的电纺膜剪下被石墨烯附着的圆形部分，依次使用足量的四氢呋喃、无水乙醇、双蒸水、无水乙醇分别清洗硅片至少1次，完全晾干，得到石墨烯PCL电纺膜复合材料；
C)所述第一电极层或第二电极层的制备步骤：
C1)石墨烯微片制备步骤：
以预制的大量膨胀石墨片层为原料，在无水乙醇中经1-2h以上的超声剥离生成石墨烯微片分散液；经过低频超声，取出上层分散液，未剥离的石墨留在容器中；将上层分散液的溶剂无水乙醇补充至200-300ml以上，高强度超声震荡3-5min，静置5-10s，马上弃去上层一半的分散液，再补充无水乙醇至200-300ml以上的容积，重复以上过程至少10-20次，直至用AFM或SEM确认石墨烯微片的平均径向尺寸高于5-10um；旋蒸掉所有溶剂，常温干燥，得到大径向尺寸的石墨烯微片；
C2)银氨溶液制备步骤：
称取0.5-1g硝酸银缓慢加入到无水乙醇中使其完全溶解后，将氨水缓慢滴加到硝酸银醇溶液中，保证最后一滴氨水加入时沉淀刚好消失，调节pH值为8-9，得到银氨溶液，取60-120ml置于滴定管A中；
C3)葡萄糖溶液制备步骤：
取优级纯葡萄糖溶于无水乙醇之中，制得0.1-0.05mol/L的葡萄糖乙醇溶液60-120ml，置于滴定管B中，滴定管B外裹有电加热套；
C4)双滴制备复合材料步骤：
准备上端开口，下端有均匀排布的通孔阵列的石墨烯筛桶，承装大径向尺寸的石墨烯微片20-30g，准备上端开口且下端有均匀排布的通孔阵列的PVA筛桶，承装经过多次冻干粉碎至平均粒径在60um以下的PVA超细粉，所述石墨烯筛桶和PVA筛桶的下表面为平均孔径为100-200um的硬质聚氨酯多孔板；取一2L以上容积的四口瓶，取500ml无水乙醇，从四口瓶第一口插入搅拌棒以3-10转/秒搅拌，并保温在35-45℃持续搅拌；用PVA筛桶从四口瓶第二口上方缓慢地筛入PVA超细粉0.5-1g直至完全加入，再搅拌3-5min，用石墨烯筛桶从四口瓶第二口上方将前述石墨烯微片20-30g筛入直至加入完全；将滴定管A和滴定管B分别对准四口瓶的第三口和第四口，以20-30滴/min的相同速度同时滴加，四口瓶内保温在35-45℃持续搅拌，电加热套持续加热，滴加过程中以插入式温度探头确保滴定管B壁温度在40℃以上：待滴定管A和滴定管B的内容物全部滴加完毕后，将所得产物静置20-40min，去除大部分上层清液，将余下混合物在7500-8500r/min下离心15-25min，去除离心后的纯粹液体部分，得到石墨烯/纳米银湿体；
C5)清洗杂质步骤：
将步骤(4)所得石墨烯/纳米银湿体在至少10倍重量的1:1去离子水和无水乙醇混合物中搅拌漂洗，再经7500-8500r/min下离心3-5min；重复以上过程至少8-12次，将全部的葡萄糖和大部分PVA超细粉去除，得到石墨烯/纳米银纯净湿体，浸泡在过量无水乙醇中；
C6)导电油墨的制备步骤：
配置大量体积比为1:1:1的去离子水、无水乙醇和异丙醇的混合溶剂；
将浸泡在无水乙醇中的前述石墨烯/纳米银纯净湿体经3-5min离心分离，得到石墨烯/纳米银纯净湿体，取10重量份用20重量份混合溶剂加入混合，并通过容器外加热石墨烯/纳米银纯净湿体分散液至30℃；取水性聚氨酯/聚丙烯酸酯10重量份，用20重量份混合溶剂加入混合，并通过容器外加热水性聚氨酯/聚丙烯酸酯分散液至30℃；取一2L以上容积的四口瓶，取40重量份混合溶剂，从四口瓶第一口插入搅拌棒以3-10转/秒搅拌，并保温在25-30℃持续搅拌；将前述30℃的石墨烯/纳米银纯净湿体分散液以及水性聚氨酯/聚丙烯酸酯分散液分别从四口瓶的不同口加入，并保持保温在25-30℃持续搅拌；旋蒸掉混合物的75-65％重量，得到导电油墨；
D)柔性压力传感器制备步骤：
D1)截取需要面积的石墨烯PCL电纺膜复合材料作为第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层；
D2)采用普通印刷或丝网印刷方式，在前述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层的内表面分别每区域刷5-10次前述导电油墨，得到第一电极层和第二电极层；
D3)在第一电极层和第二电极层未完全干燥之前，从上到下按照第一柔性薄膜层、第一电极层、纳米纤维复合薄膜介电层、第二电极层、第二柔性薄膜层的顺序叠放，用切除器切出需要形状，用导电银胶和金属导线在合适位置引出第一电极层和第二电极层的接头，然后放在上下压实板之间，从上压实板上方用每平方米300-450g的重量压实，保持8-12h，取出通风处干燥过夜，得到柔性压力传感器。
一种以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，其中步骤(B)所述的制备装置具体为：
该制备装置具备：上筒体(3)、上压环(2)、上压环橡胶(1)、下压环橡胶(4)、下压环(5)、下筒体(6)、底板(7)、出气口(8)、出气管(9)、缓冲球(12)、下液管(13)、抽气管(10)、抽气机(11)；上述上筒体位于上压环之上，上筒体最下方具备一圈上凸缘，上压环最内侧具有与上凸缘相配合的上凹槽，上筒体和上压环通过上凸缘和上凹槽紧密配合；所述上压环橡胶(1)位于上压环下表面并呈圆环状，所述下压环橡胶(4)位于下压环上表面并呈圆环状，所述上压环橡胶(1)和下压环橡胶(4)是厚度在600um-1000um之间的均匀薄层，并用胶将所述上压环橡胶(1)粘合在上压环下表面，将所述下压环橡胶(4)粘合在下压环上表面；所述上压环橡胶(1)和下压环橡胶(4)在俯视方向投影完全重合，在两者之间夹持有完全展平的PCL电纺膜；上述下筒体位于下压环之下，下筒体最上方具备一圈下凹槽，下压环最内侧具有与下凹槽相配合的下凸缘，下筒体和下压环通过下凸缘和下凹槽紧密配合，所述下凸缘在Z轴方向的长度至少为1-2cm，所述下凹槽具有与之相配的深度；所述底板(7)和下筒体(6)是一体成型的，或者是相互配合紧密连接，并在连接处涂有密封胶；所述出气口(8)垂直于下筒体(6)侧壁，其中心轴线离底板(7)距离不大于10cm；所述抽气机(11)具有显示面板，用于显示当前开启与否以及抽出气体的流量；所述出气管(9)、缓冲球(12)、下液管(13)、抽气管(10)的材质为透明或半透明；所述下液管(13)的中部设有防反流片，该防反流片只能向下方打开；所述上压环橡胶(1)、下压环橡胶(4)的材质为耐刮擦的热硫化丁基橡胶，且表面带有凹凸不平的网状纹路；所述上筒体(3)、上压环(2)、下压环(5)、下筒体(6)、底板(7)、出气口(8)、防反流片的材质为聚丙烯或者聚碳酸酯材料；所述出气管(9)、缓冲球(12)、下液管(13)、抽气管(10)的材质为环氧树脂；所述抽气机有若干档位，抽气风量在0.5-5L/min之间，通过交流电转换的12V直流电供电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1)本发明的外层薄膜既柔韧，又有极强的抗弯折特性，且不会发生脆断、脆折等，这种应用方式现有技术没有启示。2)由于外层薄膜和电极层油墨中都有大径向尺寸的石墨烯微片，电极层与外层直接的结合力很好，现有技术没有类似的处理方式，也没有技术启示。3)在导电油墨未完全干透时与介电层结合，介电层的纳米纤维在适当的压力下可以与电极层中的石墨烯微片产生较强的结合力/范德华力，实际体现为结合力较强，现有技术并没有启示。
附图说明
图1为本发明的制备方法的步骤示意图；
图2为本发明所利用的制备装置结构侧面剖视示意图。
图中：1、上压环橡胶，2、上压环，3、上筒体，4、下压环橡胶，5、下压环，6、下筒体，7、底板，8、出气口，9、出气管，10、抽气管，11、抽气机，12、缓冲球，13、下液管。
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1
一种石墨烯与纳米纤维与纳米颗粒的复合材料的制备装置，包括：上筒体3、上压环2、上压环橡胶1、下压环橡胶4、下压环5、下筒体6、底板7、出气口8、出气管9、缓冲球12、下液管13、抽气管10、抽气机11；上述上筒体位于上压环之上，上筒体最下方具备一圈上凸缘，上压环最内侧具有与上凸缘相配合的上凹槽，上筒体和上压环通过上凸缘和上凹槽紧密配合；所述上压环橡胶1位于上压环下表面并呈圆环状，所述下压环橡胶4位于下压环上表面并呈圆环状，所述上压环橡胶1和下压环橡胶4是厚度在600um/700um/800um/900um/1000um的均匀薄层，并用胶将所述上压环橡胶1粘合在上压环下表面，将所述下压环橡胶4粘合在下压环上表面；所述上压环橡胶1和下压环橡胶4在俯视方向投影完全重合，在两者之间夹持有完全展平的PCL电纺膜；上述下筒体位于下压环之下，下筒体最上方具备一圈下凹槽，下压环最内侧具有与下凹槽相配合的下凸缘，下筒体和下压环通过下凸缘和下凹槽紧密配合，所述下凸缘在Z轴方向的长度至少为1-2cm，所述下凹槽具有与之相配的深度；所述底板7和下筒体6是一体成型的，或者是相互配合紧密连接，并在连接处涂有密封胶，所述密封胶是3M胶或聚氨酯基胶；所述出气口8垂直于下筒体6侧壁，其中心轴线离底板7距离不大于10cm，例如是7/8/9cm；所述抽气机11具有显示面板，用于显示当前开启与否以及抽出气体的流量；所述上筒体3、上压环2、下压环5、下筒体6、底板7、出气口8的材质为透明或半透明的硬质聚合材料；所述出气管9、缓冲球12、下液管13、抽气管10的材质为透明或半透明；所述下液管13的中部设有防反流片，该防反流片只能向下方打开。
所述上压环橡胶1、下压环橡胶4的材质为耐刮擦的热硫化丁基橡胶，表面经过硬化处理，且表面带有凹凸不平的网状纹路，有一定的表面摩擦力；所述上筒体3、上压环2、下压环5、下筒体6、底板7、出气口8、防反流片的材质为聚丙烯或者聚碳酸酯材料，透明度以能够看清楚内部流体状况为宜；所述出气管9、缓冲球12、下液管13、抽气管10的材质为环氧树脂，这里的环氧树脂是韧性较强，常规使用下难以发生塑性形变；所述抽气机有若干档位，抽气风量在0.5-5L/min之间，如0.5,1，1.5,2,2.5,3,3.5,4，通过交流电转换的12V直流电供电。外接电源是110或220V。
实施例2
1)电纺膜制备步骤：选取适量PCL纤维加入100ml分析纯氯仿之中，超声分散20min，得到质量百分数在5％的PCL纤维氯仿分散液。
选取电纺电压10kV，挤出速度2.5ml/h，接收距离20cm，电纺时间2h，环境温度为4℃，得到PCL电纺膜。这里电压尽量低，速度尽量慢，环境温度高，是期望得到间隙尽量大些的电纺膜，为后续做准备。
2)膜夹持步骤：选取得到的大于上压环(2)或下压环(5)面积的PCL电纺膜，依次使用足量的四氢呋喃、无水乙醇、双蒸水、无水乙醇分别清洗硅片3次，完全晾干后，将清洗后的PCL电纺膜拉紧并夹持在上压环橡胶1和下压环橡胶4之间，使其无褶皱。
3)石墨烯微片分散液制备步骤：以预制的大量膨胀石墨片层为原料，在无水乙醇中经1h以上的超声剥离生成石墨烯微片。将石墨烯微片的溶剂无水乙醇补充至200ml以上，高强度超声震荡3min，马上弃去上层一半的分散液，重复以上过程至少5次，直至石墨烯微片的平均径向尺寸高于5um。
4)负压附着步骤：将含有前述平均径向尺寸高于5-10um的石墨烯微片质量百分比在5-10％之间的氯仿分散液120ml经1min超声分散，以极慢速度导入上筒体3内，在倾倒完毕之后，将所述抽气机以0.6L/min流率抽吸3s后停止6s的方式反复循环，直至透过下筒体观察到PCL电纺膜无明显液体滴下；用废液筒接收下液管(13)流出的液体并回收；重复步骤(4)前述部分操作15次；将附着石墨烯微片后的电纺膜剪下被石墨烯附着的圆形部分，依次使用足量的四氢呋喃、无水乙醇、双蒸水、无水乙醇分别清洗硅片至少1次，完全晾干，得到石墨烯PCL电纺膜复合材料。
实施例3
1)电纺膜制备步骤：选取适量PCL纤维加入100ml分析纯氯仿之中，超声分散25min，得到质量百分数在6％的PCL纤维氯仿分散液。
选取电纺电压12kV，挤出速度3.5ml/h，接收距离25cm，电纺时间2h，环境温度为5℃，得到PCL电纺膜。这里电压尽量低，速度尽量慢，环境温度高，是期望得到间隙尽量大些的电纺膜，为后续做准备。
2)膜夹持步骤：选取得到的大于上压环(2)或下压环(5)面积的PCL电纺膜，依次使用足量的四氢呋喃、无水乙醇、双蒸水、无水乙醇分别清洗硅片4次，完全晾干后，将清洗后的PCL电纺膜拉紧并夹持在上压环橡胶1和下压环橡胶4之间，使其无褶皱。
3)石墨烯微片分散液制备步骤：以预制的大量膨胀石墨片层为原料，在无水乙醇中经1h以上的超声剥离生成石墨烯微片。将石墨烯微片的溶剂无水乙醇补充至200ml以上，高强度超声震荡4min，马上弃去上层一半的分散液，重复以上过程至少8次，直至石墨烯微片的平均径向尺寸高于8um。
4)负压附着步骤：将含有前述平均径向尺寸高于5-10um的石墨烯微片质量百分比在5-10％之间的氯仿分散液140ml经2min超声分散，以极慢速度导入上筒体3内，在倾倒完毕之后，将所述抽气机以1.2L/min流率抽吸5s后停止8s的方式反复循环，直至透过下筒体观察到PCL电纺膜无明显液体滴下；用废液筒接收下液管(13)流出的液体并回收；重复步骤(4)前述部分操作15次；将附着石墨烯微片后的电纺膜剪下被石墨烯附着的圆形部分，依次使用足量的四氢呋喃、无水乙醇、双蒸水、无水乙醇分别清洗硅片至少1次，完全晾干，得到石墨烯PCL电纺膜复合材料。
实施例4
第一电极层或第二电极层的制备步骤：
C1)石墨烯微片制备步骤：以预制的大量膨胀石墨片层为原料，在无水乙醇中经1.5h以上的超声剥离生成石墨烯微片分散液；经过低频超声，取出上层分散液，未剥离的石墨留在容器中；将上层分散液的溶剂无水乙醇补充至220ml以上，高强度超声震荡4min，静置8s，马上弃去上层一半的分散液，再补充无水乙醇至220ml以上的容积，重复以上过程至少15次，直至用AFM或SEM确认石墨烯微片的平均径向尺寸高于5um；旋蒸掉所有溶剂，常温干燥，得到大径向尺寸的石墨烯微片。
C2)银氨溶液制备步骤：称取0.6g硝酸银缓慢加入到无水乙醇中使其完全溶解后，将氨水缓慢滴加到硝酸银醇溶液中，保证最后一滴氨水加入时沉淀刚好消失，调节pH值为8.5，得到银氨溶液，取80ml置于滴定管A中。
C3)葡萄糖溶液制备步骤：取优级纯葡萄糖溶于无水乙醇之中，制得0.07mol/L的葡萄糖乙醇溶液80ml，置于滴定管B中，滴定管B外裹有电加热套。
C4)双滴制备复合材料步骤：准备上端开口，下端有均匀排布的通孔阵列的石墨烯筛桶，承装大径向尺寸的石墨烯微片24g，准备上端开口且下端有均匀排布的通孔阵列的PVA筛桶，承装经过多次冻干粉碎至平均粒径在60um以下的PVA超细粉，所述石墨烯筛桶和PVA筛桶的下表面为平均孔径为100-150um的硬质聚氨酯多孔板；取一2L以上容积的四口瓶，取500ml无水乙醇，从四口瓶第一口插入搅拌棒以3-5转/秒搅拌，并保温在35-40℃持续搅拌；用PVA筛桶从四口瓶第二口上方缓慢地筛入PVA超细粉0.6g直至完全加入，再搅拌4min，用石墨烯筛桶从四口瓶第二口上方将前述石墨烯微片24g筛入直至加入完全；将滴定管A和滴定管B分别对准四口瓶的第三口和第四口，以24滴/min的相同速度同时滴加，四口瓶内保温在35-40℃持续搅拌，电加热套持续加热，滴加过程中以插入式温度探头确保滴定管B壁温度在40℃以上：待滴定管A和滴定管B的内容物全部滴加完毕后，将所得产物静置25min，去除大部分上层清液，将余下混合物在7800r/min下离心18min，去除离心后的纯粹液体部分，得到石墨烯/纳米银湿体。
C5)清洗杂质步骤：将步骤(4)所得石墨烯/纳米银湿体在至少10倍重量的1:1去离子水和无水乙醇混合物中搅拌漂洗，再经7800r/min下离心4min；重复以上过程至少10次，将全部的葡萄糖和大部分PVA超细粉去除，得到石墨烯/纳米银纯净湿体，浸泡在过量无水乙醇中。
C6)导电油墨的制备步骤：配置大量体积比为1:1:1的去离子水、无水乙醇和异丙醇的混合溶剂；将浸泡在无水乙醇中的前述石墨烯/纳米银纯净湿体经4min离心分离，得到石墨烯/纳米银纯净湿体，取10重量份用20重量份混合溶剂加入混合，并通过容器外加热石墨烯/纳米银纯净湿体分散液至30℃；取水性聚氨酯/聚丙烯酸酯10重量份，用20重量份混合溶剂加入混合，并通过容器外加热水性聚氨酯/聚丙烯酸酯分散液至30℃；取一2L以上容积的四口瓶，取40重量份混合溶剂，从四口瓶第一口插入搅拌棒以3-5转/秒搅拌，并保温在29℃持续搅拌；将前述30℃的石墨烯/纳米银纯净湿体分散液以及水性聚氨酯/聚丙烯酸酯分散液分别从四口瓶的不同口加入，并保持保温在29℃持续搅拌；旋蒸掉混合物的71％重量，得到导电油墨。
实施例5
第一电极层或第二电极层的制备步骤：
C1)石墨烯微片制备步骤：以预制的大量膨胀石墨片层为原料，在无水乙醇中经2h以上的超声剥离生成石墨烯微片分散液；经过低频超声，取出上层分散液，未剥离的石墨留在容器中；将上层分散液的溶剂无水乙醇补充至270ml以上，高强度超声震荡5min，静置10s，马上弃去上层一半的分散液，再补充无水乙醇至270ml以上的容积，重复以上过程至少20次，直至用AFM或SEM确认石墨烯微片的平均径向尺寸高于6um；旋蒸掉所有溶剂，常温干燥，得到大径向尺寸的石墨烯微片。
C2)银氨溶液制备步骤：称取0.8g硝酸银缓慢加入到无水乙醇中使其完全溶解后，将氨水缓慢滴加到硝酸银醇溶液中，保证最后一滴氨水加入时沉淀刚好消失，调节pH值为8.8，得到银氨溶液，取100ml置于滴定管A中。
C3)葡萄糖溶液制备步骤：取优级纯葡萄糖溶于无水乙醇之中，制得0.09mol/L的葡萄糖乙醇溶液100ml，置于滴定管B中，滴定管B外裹有电加热套。
C4)双滴制备复合材料步骤：准备上端开口，下端有均匀排布的通孔阵列的石墨烯筛桶，承装大径向尺寸的石墨烯微片28g，准备上端开口且下端有均匀排布的通孔阵列的PVA筛桶，承装经过多次冻干粉碎至平均粒径在60um以下的PVA超细粉，所述石墨烯筛桶和PVA筛桶的下表面为平均孔径为150-200um的硬质聚氨酯多孔板；取一2L以上容积的四口瓶，取500ml无水乙醇，从四口瓶第一口插入搅拌棒以5-7转/秒搅拌，并保温在40-45℃持续搅拌；用PVA筛桶从四口瓶第二口上方缓慢地筛入PVA超细粉0.9g直至完全加入，再搅拌5min，用石墨烯筛桶从四口瓶第二口上方将前述石墨烯微片28g筛入直至加入完全；将滴定管A和滴定管B分别对准四口瓶的第三口和第四口，以27滴/min的相同速度同时滴加，四口瓶内保温在40-45℃持续搅拌，电加热套持续加热，滴加过程中以插入式温度探头确保滴定管B壁温度在40℃以上：待滴定管A和滴定管B的内容物全部滴加完毕后，将所得产物静置30min，去除大部分上层清液，将余下混合物在8200r/min下离心24min，去除离心后的纯粹液体部分，得到石墨烯/纳米银湿体。
C5)清洗杂质步骤：将步骤(4)所得石墨烯/纳米银湿体在至少10倍重量的1:1去离子水和无水乙醇混合物中搅拌漂洗，再8200r/min下离心5min；重复以上过程至少12次，将全部的葡萄糖和大部分PVA超细粉去除，得到石墨烯/纳米银纯净湿体，浸泡在过量无水乙醇中。
C6)导电油墨的制备步骤：配置大量体积比为1:1:1的去离子水、无水乙醇和异丙醇的混合溶剂；将浸泡在无水乙醇中的前述石墨烯/纳米银纯净湿体经5min离心分离，得到石墨烯/纳米银纯净湿体，取10重量份用20重量份混合溶剂加入混合，并通过容器外加热石墨烯/纳米银纯净湿体分散液至30℃；取水性聚氨酯/聚丙烯酸酯10重量份，用20重量份混合溶剂加入混合，并通过容器外加热水性聚氨酯/聚丙烯酸酯分散液至30℃；取一2L以上容积的四口瓶，取40重量份混合溶剂，从四口瓶第一口插入搅拌棒以5-7转/秒搅拌，并保温在30℃持续搅拌；将前述30℃的石墨烯/纳米银纯净湿体分散液以及水性聚氨酯/聚丙烯酸酯分散液分别从四口瓶的不同口加入，并保持保温在30℃持续搅拌；旋蒸掉混合物的72％重量，得到导电油墨。
实施例6
柔性压力传感器制备步骤：D1)截取需要面积的石墨烯PCL电纺膜复合材料作为第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层。
D2)采用普通印刷或丝网印刷方式，在前述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层的内表面分别每区域刷6次前述导电油墨，得到第一电极层和第二电极层。
D3)在第一电极层和第二电极层未完全干燥之前，从上到下按照第一柔性薄膜层、第一电极层、纳米纤维复合薄膜介电层、第二电极层、第二柔性薄膜层的顺序叠放，用切除器切出需要形状，用导电银胶和金属导线在合适位置引出第一电极层和第二电极层的接头，然后放在上下压实板之间，从上压实板上方用每平方米350g的重量压实，保持8h，取出通风处干燥过夜，得到柔性压力传感器。
实施例7
柔性压力传感器制备步骤：D1)截取需要面积的石墨烯PCL电纺膜复合材料作为第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层。
D2)采用普通印刷或丝网印刷方式，在前述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层的内表面分别每区域刷8次前述导电油墨，得到第一电极层和第二电极层。
D3)在第一电极层和第二电极层未完全干燥之前，从上到下按照第一柔性薄膜层、第一电极层、纳米纤维复合薄膜介电层、第二电极层、第二柔性薄膜层的顺序叠放，用切除器切出需要形状，用导电银胶和金属导线在合适位置引出第一电极层和第二电极层的接头，然后放在上下压实板之间，从上压实板上方用每平方米400g的重量压实，保持12h，取出通风处干燥过夜，得到柔性压力传感器。
我们进行了一些简单的试验以证实结构效果，用10个现有技术的柔性传感器与本发明的柔性传感器做了对比，各取10个为一组，用末端圆滑的玻璃棒大力顶住划一条直线，然后纵剖开观察褶皱与空隙情况，总体上本发明出现的缺陷数量不足现有技术传感器的1/4，抗挠曲的特性有了明显提升。
还有就是针对电极层的粘附情况进行了实验，取10个现有技术的柔性传感器与本发明的柔性传感器做了对比，其中现有技术的传感器中电极层七成可以直接从另外两层上较完整撕下，且残余物不多，本申请的电极层几乎不可能用手或者镊子直接完整撕下，如果用刮刀在几乎不伤害外层的前提下刮去电极层，一个传感器约需几分钟的时间。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器的制备方法，其制备了一种以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器，其特征在于：
所述柔性压力传感器，其结构包括：
第一柔性薄膜层；
第二柔性薄膜层，与第一柔性纳米纤维薄膜层相对设置，设置在相对的两外侧；
第一电极层，附着于第一柔性薄膜层内侧；
第二电极层，附着于第二柔性薄膜层内侧；以及
纳米纤维复合薄膜介电层，设置于第一电极层与第二电极层之间；
所述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层均是分散有平均径向尺寸高于5-10um的石墨烯微片的掺杂PCL电纺膜，所述石墨烯微片占复合材料质量百分比在1-2.5％之间；
所述纳米纤维复合薄膜介电层，由聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(TPU)其中一种的纳米纤维静电纺丝而成；
该第一电极层和第二电极层分别由在所述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层每区域涂刷5-10次导电油墨制成；
该第一电极层和第二电极层中，每28-29重量份中含有10重量份的石墨烯/纳米银颗粒填料，该石墨烯/纳米银颗粒填料的特征在于，石墨烯微片表面附着的纳米银颗粒，80％以上的纳米银颗粒径向尺寸低于70-80nm，且所有石墨烯微片表面，平均每平方微米附着的纳米银颗粒聚团数量高于75-80个
A)纳米纤维复合薄膜介电层的制备步骤为：
A1)选择聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(TPU)其中一种的纳米纤维进行静电纺丝，纺丝电压为5-10kV；进液速度为0.1-0.2mL/h；接收距离为10-20cm；纺丝温度为45-55℃，纺丝时间为6-12h以上，所得纳米纤维复合薄膜介电层厚度不小于25-30um；
B)所述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层的制备利用一种制备装置，第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层的制备步骤为：
B1)电纺膜制备步骤：选取适量PCL纤维加入100ml分析纯氯仿之中，超声分散15-30min，得到质量百分数在3-7％的PCL纤维氯仿分散液；
选取电纺电压10-15kV，挤出速度2-4ml/h，接收距离20-30cm，电纺时.间2h，环境温度为4-8℃，得到PCL电纺膜；
B2)膜夹持步骤：选取得到的大于上压环(2)或下压环(5)面积的PCL电纺膜，依次使用足量的四氢呋喃、无水乙醇、双蒸水、无水乙醇分别清洗硅片至少1次，完全晾干后，将清洗后的PCL电纺膜拉紧并夹持在上压环橡胶(1)和下压环橡胶(4)之间，使其无褶皱；
B3)石墨烯微片分散液制备步骤：以预制的大量膨胀石墨片层为原料，在无水乙醇中经1h以上的超声剥离生成石墨烯微片；
将石墨烯微片的溶剂无水乙醇补充至200ml以上，高强度超声震荡3-5min，马上弃去上层一半的分散液，重复以上过程至少5-10次，直至石墨烯微片的平均径向尺寸高于5-10um；
B4)负压附着步骤：将含有前述平均径向尺寸高于5-10um的石墨烯微片质量百分比在5-10％之间的氯仿分散液100-150ml经1-2min超声分散，以极慢速度导入上筒体(3)内，在倾倒完毕之后，将所述抽气机以0.5-1.5L/min流率抽吸2-5s后停止5-8s的方式反复循环，直至透过下筒体观察到PCL电纺膜无明显液体滴下；用废液筒接收下液管(13)流出的液体并回收；
重复步骤(4)前述部分操作10-20次；
将附着石墨烯微片后的电纺膜剪下被石墨烯附着的圆形部分，依次使用足量的四氢呋喃、无水乙醇、双蒸水、无水乙醇分别清洗硅片至少1次，完全晾干，得到石墨烯PCL电纺膜复合材料；
C)所述第一电极层或第二电极层的制备步骤：
C1)石墨烯微片制备步骤：
以预制的大量膨胀石墨片层为原料，在无水乙醇中经1-2h以上的超声剥离生成石墨烯微片分散液；经过低频超声，取出上层分散液，未剥离的石墨留在容器中；将上层分散液的溶剂无水乙醇补充至200ml以上，高强度超声震荡3-5min，静置5-10s，马上弃去上层一半的分散液，再补充无水乙醇至200ml以上的容积，重复以上过程至少10次，直至用AFM或SEM确认石墨烯微片的平均径向尺寸高于5-10um；旋蒸掉所有溶剂，常温干燥，得到大径向尺寸的石墨烯微片；
C2)银氨溶液制备步骤：
称取0.5-1g硝酸银缓慢加入到无水乙醇中使其完全溶解后，将氨水缓慢滴加到硝酸银醇溶液中，保证最后一滴氨水加入时沉淀刚好消失，调节pH值为8-9，得到银氨溶液，取60-120ml置于滴定管A中；C3)葡萄糖溶液制备步骤：
取优级纯葡萄糖溶于无水乙醇之中，制得0.1-0.05mol/L的葡萄糖乙醇溶液60-120ml，置于滴定管B中，滴定管B外裹有电加热套；
C4)双滴制备复合材料步骤：
准备上端开口，下端有均匀排布的通孔阵列的石墨烯筛桶，承装大径向尺寸的石墨烯微片20-30g，准备上端开口且下端有均匀排布的通孔阵列的PVA筛桶，承装经过多次冻干粉碎至平均粒径在60um以下的PVA超细粉，所述石墨烯筛桶和PVA筛桶的下表面为平均孔径为100-200um的硬质聚氨酯多孔板；取一2L以上容积的四口瓶，取500ml无水乙醇，从四口瓶第一口插入搅拌棒以3-10转/秒搅拌，并保温在35-45℃持续搅拌；用PVA筛桶从四口瓶第二口上方缓慢地筛入PVA超细粉0.5-1g直至完全加入，再搅拌3-5min，用石墨烯筛桶从四口瓶第二口上方将前述石墨烯微片20-30g筛入直至加入完全；将滴定管A和滴定管B分别对准四口瓶的第三口和第四口，以20-30滴/min的相同速度同时滴加，四口瓶内保温在35-45℃持续搅拌，电加热套持续加热，滴加过程中以插入式温度探头确保滴定管B壁温度在40℃以上：待滴定管A和滴定管B的内容物全部滴加完毕后，将所得产物静置20-40min，去除大部分上层清液，将余下混合物在7500-8500r/min下离心15-25min，去除离心后的纯粹液体部分，得到石墨烯/纳米银湿体；
C5)清洗杂质步骤：
将步骤(4)所得石墨烯/纳米银湿体在至少10倍重量的1:1去离子水和无水乙醇混合物中搅拌漂洗，再经7500-8500r/min下离心3-5min；重复以上过程至少8-12次，将全部的葡萄糖和大部分PVA超细粉去除，得到石墨烯/纳米银纯净湿体，浸泡在过量无水乙醇中；
C6)导电油墨的制备步骤：
配置大量体积比为1:1:1的去离子水、无水乙醇和异丙醇的混合溶剂；
将浸泡在无水乙醇中的前述石墨烯/纳米银纯净湿体经3-5min离心分离，得到石墨烯/纳米银纯净湿体，取10重量份用20重量份混合溶剂加入混合，并通过容器外加热石墨烯/纳米银纯净湿体分散液至30℃；取水性聚氨酯/聚丙烯酸酯10重量份，用20重量份混合溶剂加入混合，并通过容器外加热水性聚氨酯/聚丙烯酸酯分散液至30℃；取一2L以上容积的四口瓶，取40重量份混合溶剂，从四口瓶第一口插入搅拌棒以3-10转/秒搅拌，并保温在25-30℃持续搅拌；将前述30℃的石墨烯/纳米银纯净湿体分散液以及水性聚氨酯/聚丙烯酸酯分散液分别从四口瓶的不同口加入，并保持保温在25-30℃持续搅拌；旋蒸掉混合物的75-65％重量，得到导电油墨；
D)柔性压力传感器制备步骤：
D1)截取需要面积的石墨烯PCL电纺膜复合材料作为第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层；
D2)采用普通印刷或丝网印刷方式，在前述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层的内表面分别每区域刷5-10次前述导电油墨，得到第一电极层和第二电极层；
D3)在第一电极层和第二电极层未完全干燥之前，从上到下按照第一柔性薄膜层、第一电极层、纳米纤维复合薄膜介电层、第二电极层、第二柔性薄膜层的顺序叠放，用切除器切出需要形状，用导电银胶和金属导线在合适位置引出第一电极层和第二电极层的接头，然后放在上下压实板之间，从上压实板上方用每平方米300-450g的重量压实，保持8-12h，取出通风处干燥过夜，得到柔性压力传感器。
2.如权利要求1所述的一种以石墨烯为电极材料的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，其中步骤(B)所述的制备装置具体为：
该制备装置具备：上筒体(3)、上压环(2)、上压环橡胶(1)、下压环橡胶(4)、下压环(5)、下筒体(6)、底板(7)、出气口(8)、出气管(9)、缓冲球(12)、下液管(13)、抽气管(10)、抽气机(11)；上述上筒体位于上压环之上，上筒体最下方具备一圈上凸缘，上压环最内侧具有与上凸缘相配合的上凹槽，上筒体和上压环通过上凸缘和上凹槽紧密配合；所述上压环橡胶(1)位于上压环下表面并呈圆环状，所述下压环橡胶(4)位于下压环上表面并呈圆环状，所述上压环橡胶(1)和下压环橡胶(4)是厚度在600um-1000um之间的均匀薄层，并用胶将所述上压环橡胶(1)粘合在上压环下表面，将所述下压环橡胶(4)粘合在下压环上表面；所述上压环橡胶(1)和下压环橡胶(4)在俯视方向投影完全重合，在两者之间夹持有完全展平的PCL电纺膜；上述下筒体位于下压环之下，下筒体最上方具备一圈下凹槽，下压环最内侧具有与下凹槽相配合的下凸缘，下筒体和下压环通过下凸缘和下凹槽紧密配合，所述下凸缘在Z轴方向的长度至少为1cm，所述下凹槽具有与之相配的深度；所述底板(7)和下筒体(6)是一体成型的，或者是相互配合紧密连接，并在连接处涂有密封胶；所述出气口(8)垂直于下筒体(6)侧壁，其中心轴线离底板(7)距离不大于10cm；所述抽气机(11)具有显示面板，用于显示当前开启与否以及抽出气体的流量；所述出气管(9)、缓冲球(12)、下液管(13)、抽气管(10)的材质为透明或半透明；所述下液管(13)的中部设有防反流片，该防反流片只能向下方打开；所述上压环橡胶(1)、下压环橡胶(4)的材质为耐刮擦的热硫化丁基橡胶，且表面带有凹凸不平的网状纹路；所述上筒体(3)、上压环(2)、下压环(5)、下筒体(6)、底板(7)、出气口(8)、防反流片的材质为聚丙烯或者聚碳酸酯材料；所述出气管(9)、缓冲球(12)、下液管(13)、抽气管(10)的材质为环氧树脂；所述抽气机有若干档位，抽气风量在0.5-5L/min之间，通过交流电转换的12V直流电供电。
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