CN109443609A - 一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本专利公开了一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料及其制备方法，与目前常规传感器材料不同，其特点是将具有优越生物相容性和三维网状结构的天然皮胶原，与具有优良导电性及分散性的聚苯胺‑碳纳米管复合导电材料有机掺杂，制备一种具备高灵敏度的传感器元件材料。该材料极大限度提高了传感器的生物特性，作为一种低导电阈值高灵敏度传感材料，可广泛应用在仿生皮肤、医用传感、可穿戴传感器等领域。

Description

一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器制作技术领域，具体涉及到一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料及其制备方法。
背景技术
柔性电子传感器在目前智能化生活中发挥着核心的作用，为医疗、健康、运动等领域的监控和测量提供着十分重要的数据。近年来，人们已经在柔性电子传感器领域取得了显著进步，例如利用电子皮肤向大脑传递皮肤触觉信息，利用三维微电极实现大脑皮层控制假肢，也可以用来测量体温、呼吸、血糖、心率、伤口愈合等生理参数与监测人体运动状态等。然而，实现电子传感器的生物相容性、高分辨、高灵敏、快速响应、低成本制造和复杂信号检测仍然是一个巨大地挑战。
碳纳米管上碳原子之间的sp2杂化键以及P电子形成大范围的离域π键使得共轭效应显著，在外界环境的作用下，电子就会发生定向移动，所以碳纳米管具有良好的导电性能。而一定程度酸化的碳纳米管具备更加优异的导电性能，作为导电填料可以极大改善复合材料的导电性。聚苯胺本身具备优秀的导电性、耐环境性、成本低廉的优点、且用它通过一定的分散方法制备的复合导电材料在填充量少至1%时仍能表现出导电聚苯胺材料的本征导电性能,有时甚至表现出比本征导电性更高的电性能。通过原位聚合法制备的导电聚苯胺-酸化碳纳米管复合物既结合酸化碳纳米管和导电高聚物的导电性，又结合碳纳米管的一维线性纳米形态和导电聚苯胺的自组装特性，制备出新型高性能的导电材料。此材料导电性较酸化碳纳米管和导电聚苯胺自身都有大幅度提高。
我国是制革大国，每年产生的固体废弃物多达140万吨，其中有30万吨为含铬高危废弃物，这些固体废弃物80%以上都是由天然皮胶原构成，如果不进行适当处理，不仅造成宝贵的天然资源的浪费，更对环境造成极大污染。随着我国对资源、环境等全球性生态问题的越加重视，皮革工业也在面对着“可持续发展”战略的严峻挑战。因此，含铬废弃皮胶原资源化、高值化再利用成为了国内制革和环境工作者致力研究的课题之一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料及其制备方法。本发明制备的传感器主要特点是：天然皮胶原提供的三维多孔结构使传感器具有高度灵敏、多维识别的特性，对垂直按压、平向挫动、弯折、拉伸等多维度形变展现差异化的电阻信号变化。此材料极大极限的提高了传感材料的生物相容性，使之在医学领域，仿生皮肤领域具备更广泛的前景。将此传感材料分别放置在人体不同部位，收集不同运动状态下的电阻信号，借助多分析统计分析方法，实现对人体复杂运动、操控动作的识别与检测，在可穿戴传感设备应用领域也具有极为广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料及其制备方法，其特征包括以下步骤：
（1）多壁碳纳米管酸化：将质量比为0.1~1:0.1~100:0.1~100的多壁碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸置于反应器中，超声分散20~90min，接着在35~80℃恒温搅拌回流2~20h。冷却至常温，300~1000mL去离子水稀释，在转速5000~20000×g下多次离心至上层清液至中性。过滤后冷冻干燥10~20h收集下层沉淀，待用；
（2）将0.2~1.5g的步骤（1）中收集的样品置于50~200mL去离子水中，加入质量为多壁碳纳米管0.5~2倍的苯胺和物质的量为苯胺单体1~5倍的磺基水杨酸，超声分散20~90min，转移至反应器，常温快速搅拌，将物质的量为苯胺单体0.5~2倍的过硫酸铵氧化剂融入20~100mL去离子水中，逐滴加入反应体系，在0~10℃条件下搅拌反应5~20h。分别用无水乙醇、蒸馏水过滤洗涤，冷冻干燥10~20h，收集样品，待用；
（3）取0.1~30g的天然皮胶原，30~70℃条件下缓慢搅拌5~60min，使之分散于10~100mL去离子水中，转移至反应器。取质量为胶原质量0.03~1倍的步骤（2）中收集的样品，超声20~90min分散于30~150mL去离子水中，逐滴加入胶原蛋白溶液中,常温搅拌2~10h。分别用无水乙醇、蒸馏水过滤洗涤，冷冻干燥12~48h，收集样品。
进一步地，天然皮胶原来源于猪、牛、羊等含铬废皮渣。
进一步地，具有优良导电性的三维网状皮胶原-导电聚苯胺-碳纳米管传感材料，其最佳质量比例为(0.1~30):(0.1~5):(0.1~5)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）与现有的合成材料相比，本发明采用的是天然皮胶原，来源于含铬废皮渣，实现废弃物的高值资源化再利用，且制得的基于皮胶原的高精度压阻传感器材料拥有较合成材料更加优异的生物相容性。
（2）本发明制备的传感器材料具备更高的灵敏度，可以更精确针对多维度形变展现差异化的电阻信号变化。
（3）本发明的导电基质是聚苯胺-酸化碳纳米管复合材料，与传统导电颗粒和导电纤维相比，电阻更小，机械强度更高，可循环利用次数大幅增加。
（4）本发明的应用领域包含仿生皮肤、医疗康复、智能服装、可穿戴传感器等，应用范围更加广泛。
具体实施方式
下面通过实施对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例专用于对本发明进行进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容做出非本质的改进和调整。
实施例一
（1）多壁碳纳米管酸化：将质量分别为0.2g、20g、0.02g的多壁碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸置于反应器中，超声分散20min，接着在80℃恒温搅拌回流2h。冷却至常温，300mL去离子水稀释，在转速5000×g下多次离心至上层清液至中性。过滤后冷冻干燥10h收集下层沉淀，待用；
（2）将0.15g的步骤（1）中收集的样品置于50mL去离子水中，加入质量0.3g的苯胺和质量为4.44g的磺基水杨酸，超声分散20min，转移至反应器，常温快速搅拌，将质量为1.58g的过硫酸铵氧化剂融入100mL去离子水中，逐滴加入反应体系，在0℃条件下搅拌反应5h。分别用无水乙醇、蒸馏水过滤洗涤，冷冻干燥10h，收集样品，待用；
（3）取0.1g的天然皮胶原， 70℃条件下缓慢搅拌5min，使之分散于10mL去离子水中，转移至反应器。取质量0.1g的步骤（2）中收集的样品，超声20min分散于30mL去离子水中，逐滴加入胶原蛋白溶液中,常温搅拌2h。分别用无水乙醇、蒸馏水过滤洗涤，冷冻干燥12h，收集样品。
实施例二
（1）多壁碳纳米管酸化：将质量分别为1.5g、75g、75g的多壁碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸置于反应器中，超声分散60min，接着在50℃恒温搅拌回流10h。冷却至常温，500mL去离子水稀释，在转速13500×g下多次离心至上层清液至中性。过滤后冷冻干燥15h收集下层沉淀，待用；
（2）将1g的步骤（1）中收集的样品置于120mL去离子水中，加入质量1g的苯胺和质量为8.87g的磺基水杨酸，超声分散60min，转移至反应器，常温快速搅拌，将质量为2.01g的过硫酸铵氧化剂融入60mL去离子水中，逐滴加入反应体系，在5℃条件下搅拌反应10h。分别用无水乙醇、蒸馏水过滤洗涤，冷冻干燥15h，收集样品，待用；
（3）取15g的天然皮胶原， 50℃条件下缓慢搅拌30min，使之分散于50mL去离子水中，转移至反应器。取质量0.75g的步骤（2）中收集的样品，超声60min分散于90mL去离子水中，逐滴加入胶原蛋白溶液中,常温搅拌6h。分别用无水乙醇、蒸馏水过滤洗涤，冷冻干燥24h，收集样品。
实施例三
（1）多壁碳纳米管酸化：将质量分别为2g、0.2g、200g的多壁碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸置于反应器中，超声分散90min，接着在35℃恒温搅拌回流20h。冷却至常温，1000mL去离子水稀释，在转速20000×g下多次离心至上层清液至中性。过滤后冷冻干燥20h收集下层沉淀，待用；
（2）将1.5g的步骤（1）中收集的样品置于200mL去离子水中，加入质量0.75g的苯胺和质量为2.22g的磺基水杨酸，超声分散90min，转移至反应器，常温快速搅拌，将质量为0.98g的过硫酸铵氧化剂融入20mL去离子水中，逐滴加入反应体系，在10℃条件下搅拌反应20h。分别用无水乙醇、蒸馏水过滤洗涤，冷冻干燥20h，收集样品，待用；
（3）取30g的天然皮胶原， 30℃条件下缓慢搅拌60min，使之分散于100mL去离子水中，转移至反应器。取质量1g的步骤（2）中收集的样品，超声90min分散于150mL去离子水中，逐滴加入胶原蛋白溶液中,常温搅拌10h。分别用无水乙醇、蒸馏水过滤洗涤，冷冻干燥48h，收集样品。

Claims (8)

1.一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料，其特征在于，包括三维网状结构的天然皮胶原基体、及分散在基体中的聚苯胺-酸化碳纳米管复合导电基质。
2.根据权利要求1所述的一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料，其特征在于，天然皮胶原:聚苯胺:酸化碳纳米管的质量比为(0.1~30):(0.1~5):(0.1~5)。
3.根据权利要求1所述的一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料，其特征在于，所述的天然皮胶原来源于动物的含铬废皮渣。
4.一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
以苯胺为单体、过硫酸铵为氧化剂，在包含磺基水杨酸、及酸化碳纳米管的分散体中反应制备聚苯胺-酸化碳纳米管复合导电基质材料；向胶原蛋白溶液逐滴加入聚苯胺-酸化碳纳米管复合导电基质材料的分散液，充分搅拌后冷冻干燥，得到基于皮胶原的高精度压阻传感器材料。
5.根据权利要求4所述的一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料的制备方法，其特征在于，用于制备聚苯胺-酸化碳纳米管复合导电基质材料的分散体中：多壁碳纳米管:苯胺的质量比为1:（0.5~2）；苯胺:磺基水杨酸的摩尔比为1:(1~5)；苯胺:过硫酸铵的摩尔比为1:(0.5~2)。
6.根据权利要求4所述的一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料的制备方法，其特征在于，向胶原蛋白溶液逐滴加入聚苯胺-酸化碳纳米管复合导电基质材料的分散液时，胶原:聚苯胺-酸化碳纳米管复合导电基质材料的质量比为1:(0.03~1)。
7.根据权利要求4所述的一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料的制备方法，其特征在于，所述酸化碳纳米管由包括以下步骤的方法得到：
将质量比为(0.1~1):(0.1~100):(0.1~100)的多壁碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸置于反应器中，超声分散20~90min，接着在35~80℃恒温搅拌回流2~20h；冷却至常温，300~1000mL去离子水稀释，在转速5000~20000×g下多次离心至上层清液至中性；过滤后冷冻干燥10~20h收集下层沉淀，得到酸化碳纳米管。
8.根据权利要求4所述的一种基于皮胶原的高精度压阻传感器材料的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
1）将0.2~1.5g的酸化碳纳米管置于50~200mL去离子水中，加入酸化碳纳米管0.5~2倍质量的苯胺、及苯胺单体1~5倍物质的量的磺基水杨酸，超声分散20~90min，转移至反应器，常温快速搅拌；将苯胺单体0.5~2倍物质的量的过硫酸铵氧化剂融入20~100mL去离子水中，逐滴加入反应体系，在0~10℃条件下搅拌反应5~20h；分别用无水乙醇、蒸馏水过滤洗涤，冷冻干燥10~20h，收集样品，得到聚苯胺-酸化碳纳米管复合导电基质材料；
2）取0.1~30g的天然皮胶原，30~70℃条件下缓慢搅拌5~60min，使之分散于10~100mL去离子水中，转移至反应器；取胶原0.03~1倍质量的聚苯胺-酸化碳纳米管复合导电基质材料，超声20~90min分散于30~150mL去离子水中，逐滴加入胶原蛋白溶液中,常温搅拌2~10h；分别用无水乙醇、蒸馏水过滤洗涤，冷冻干燥12~48h，收集样品。
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