CN109808113A - 一种基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，属于传感器技术领域，步骤为：取碳纳米纸，按模具尺寸裁剪碳纳米纸，将裁剪后碳纳米纸放在载玻片上并固定，使用胶粘剂将裁剪后碳纳米纸与导线粘接固定，进行固化，制得碳纳米纸传感器；其中，所述的固化温度为50～150℃，固化时间为15～30min；将硅橡胶与固化剂按配比混合均匀，配制成硅橡胶溶液；将碳纳米纸传感器浸泡在硅橡胶溶液中，并进行固化成型，制得基于碳纳米纸的柔性化传感器。本发明在制备过程中，采用硅橡胶浸泡碳纳米纸，结合真空成型，能够有效避免团聚，制得柔性化传感器具有良好导电性，并较金属传感器，能够极大减少厚度。

Description

一种基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法

技术领域：

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于碳纳米纸的柔性化的制备方法。

背景技术：

近年来，随着航空技术的发展，航空复合材料结构所经受的环境影响也更加复杂，尤其以变形产生的振动影响十分严重，因此使用传感器实时监测结构的损伤至关重要。自1937年金属传感器问世以来得到了广泛的应用，然而，常规的金属传感器因其低感测范围及低柔性，使用区域受到很大限制，因此开发出具有良好柔性和高延展性传感器已成为近年来重要的课题。

目前业内制作的纳米传感器主要以碳纳米管为重要成分，碳纳米管因其具有大范围的大π键及共轭效应显著，使其具有优良的导电性质，目前一些研究主要将碳纳米管分散于橡胶或树脂中使其均匀的分散于基体中以形成导电网络，然而，碳纳米管巨大的分子间作用力的物理特性使其在聚合物间更趋向于团聚，同时巨大比表面积也会导致基体的成型困难。由于以上的原因限制了柔性传感器的发展。

综上所述，目前的纳米材料传感器由于碳纳米管物理特性及制备工艺存在很大问题。一些研究中，他们将碳纳米管制备成薄膜(即碳纳米纸)，与一些基体进行组合，例如聚氨酯海绵或纤维素纸，但它们都有着拉伸特性不好的缺点(纯传感器在相关文献中只有0.5％)，因此，在本次发明专利中，我们对所有的基体及成型工艺进行改变以克服上述缺点。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，对其制备工艺做了改善以完成对传感器柔性化的目的；碳纳米纸可以说成是碳纳米管的一种组合结构，这种组合避免的碳纳米管团聚带来的性能影响，是由多壁(单壁)碳纳米管之间通过相互之间的范德华力拼接而成的自支撑三维立体结构，因其具有高导电性，在传感器的区域具有良好的使用空间。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，碳纳米纸传感器制备：

取碳纳米纸，按模具尺寸裁剪碳纳米纸，将裁剪后碳纳米纸放在载玻片上并固定，使用胶粘剂将裁剪后碳纳米纸与导线粘接固定，进行固化，制得碳纳米纸传感器；其中，所述的固化温度为50～150℃，固化时间为15～30min；

步骤2，碳纳米纸传感器浸泡：

(1)将硅橡胶与固化剂按质量比为(8～10)：1，混合均匀，配制成硅橡胶溶液；

(2)将碳纳米纸传感器浸泡在硅橡胶溶液中，形成浸有硅橡胶的传感器，其中，所述的浸泡时间为10～60min；

步骤3，传感器固化成型处理：

将浸有硅橡胶的传感器进行固化成型，制得基于碳纳米纸的柔性化传感器；其中，所述的固化温度为70～180℃，固化时间为1～5h。

所述的步骤1中，碳纳米纸待连接导线位置处裁剪为凸形，以形成连接接头，便于导线缠绕连接固定。

所述的步骤1中，胶粘剂为加热型热固性导电银浆。

所述的步骤1中，导线距裁剪后碳纳米纸两端距离保持一致。

所述的步骤1中，固化操作在电鼓风烘箱内进行。

所述的步骤2(2)中，硅橡胶溶液在浸泡之前预先进行抽真空处理，具体过称为：将硅橡胶溶液放于真空烘箱10～30min进行抽真空排除硅橡胶溶液内气泡。

所述的步骤3中，固化操作在烘箱中进行，具体的将浸有硅橡胶的传感器放置于两层模具之间，将模具放置于真空袋内，并进行密封。

所述的步骤3中，模具为不锈钢模具，所述的模具表面涂有脱模剂，方便传感器脱除。

所述的步骤3中，真空袋通过胶管连接有真空泵，通过打开真空泵，使真空袋在固化过程中持续保持真空状态。

所述的步骤3中，制备的基于碳纳米纸的柔性化传感器的厚度为100～170μm。

所述的步骤3中，制备的基于碳纳米纸的柔性化传感器拉伸率达到1.8～2.5％。

本发明的有益效果：

1、本发明的基于碳纳米纸的柔性化传感器制备过程中使用碳纳米纸与硅橡胶的组合方式，避免了现有技术中将碳纳米管分散在树脂或橡胶中产生团聚的情况；

2、本发明的基于碳纳米纸的柔性化传感器制备过程中使用的胶粘剂为加热型热固性导电银浆，形成导电层与导线的导电接触点，从而减少因导线与传感器的接触不良而造成传感器不灵敏的情况；

3、本发明的基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法中将浸泡硅橡胶的传感器放于涂有脱模剂的两个不锈钢模具中间并施加压力，能够控制柔性传感器的厚度，减少了传感器在监测过程中的延迟现象；

4、本发明的基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备采用的成型方法为真空成型法，这种方法的使用可以较大批量的生产该类传感器，同时对于传感器的厚度与均匀度得到很大的提高；

5、采用本发明的方法制备的基于碳纳米纸的柔性化传感器的厚度仅为100～170μm，相对于金属传感器极大的减少了厚度。

附图说明：

图1为本发明的基于碳纳米纸的柔性化传感器的成型过程示意图，

图2本本发明制备的基于碳纳米纸的柔性化传感器的结构示意图，其中：

1-碳纳米纸，2-加热型热固性导电银浆，3-导线，4-硅橡胶，5-不锈钢模具，6-真空袋；

图3本发明制备的基于碳纳米纸的柔性化传感器的拉伸曲线图；

图4为现有技术中纯碳纳米纸传感器与发明的基于碳纳米纸的柔性化传感器的拉伸性能对比图；

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

1、采用发明专利ZL2012104391772(基于碳纳米管三维网络薄膜的温度传感器制备方法)的方式，制备碳纳米管三维网络薄膜，即为本发明中的碳纳米纸；

2、基于碳纳米纸的柔性化传感器的成型过程示意图如图1所示，制得的基于碳纳米纸的柔性化传感器结构示意图如图2所示，按模具尺寸裁剪碳纳米纸1，并将碳纳米纸1待连接导线位置处裁剪为凸形，以形成连接接头，便于导线3缠绕连接固定，将碳纳米纸1放在载玻片上并固定，使用加热型热固性导电银浆2将碳纳米纸1与导线3粘接并固定，放于烘箱内，温度控制在80℃下固化15min，制得碳纳米纸传感器；

3、将橡胶按橡胶与固化剂比例为8：1配成溶液，并将所配成的溶液放于真空烘箱10min进行抽真空排除里面的气泡，将第2步制得的碳纳米纸传感器浸泡里面30min，形成浸有硅橡胶4的传感器；

4、将浸有橡胶4的传感器放在两个涂有脱模剂的不锈钢模具5中间，类似于三明治类型，将不锈钢模具5放于真空袋6中并使用密封胶密封，使用胶管与真空泵相连，将真空袋6放于电鼓风烘箱中，打开真空泵与烘箱，烘箱温度控制在150℃固化5h，制得基于碳纳米纸的柔性化传感器，厚度为135μm，拉伸率达到2％，拉伸曲线图如图3所示，现有技术中纯碳纳米纸传感器与实例制备的基于碳纳米纸的柔性化传感器的拉伸性能对比图如图4所示。

Claims (8)

1.一种基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，碳纳米纸传感器制备：

取碳纳米纸，按模具尺寸裁剪碳纳米纸，将裁剪后碳纳米纸放在载玻片上并固定，使用胶粘剂将裁剪后碳纳米纸与导线粘接固定，进行固化，制得碳纳米纸传感器；其中，所述的固化温度为50～150℃，固化时间为15～30min；

步骤2，碳纳米纸传感器浸泡：

(1)将硅橡胶与固化剂按质量比为(8～10)：1，混合均匀，配制成硅橡胶溶液；

(2)将碳纳米纸传感器浸泡在硅橡胶溶液中，形成浸有硅橡胶的传感器，其中，所述的浸泡时间为10～60min；

步骤3，传感器固化成型处理：

将浸有硅橡胶的传感器进行固化成型，制得基于碳纳米纸的柔性化传感器；其中，所述的固化温度为70～180℃，固化时间为1～5h。

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，碳纳米纸待连接导线位置处裁剪为凸形，以形成连接接头，便于导线缠绕连接固定。

3.根据权利要求1所述的基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，胶粘剂为加热型热固性导电银浆。

4.根据权利要求1所述的基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤2(2)中，硅橡胶溶液在浸泡之前预先进行抽真空处理，具体过称为：将硅橡胶溶液放于真空烘箱10～30min进行抽真空排除硅橡胶溶液内气泡。

5.根据权利要求1所述的基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，固化操作在烘箱中进行，具体的将浸有硅橡胶的传感器放置于两层模具之间，将模具放置于真空袋内，并进行密封。

6.根据权利要求1所述的基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，真空袋通过胶管连接有真空泵，通过打开真空泵，使真空袋在固化过程中持续保持真空状态。

7.根据权利要求1所述的基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，制备的基于碳纳米纸的柔性化传感器的厚度为100～170μm。

8.根据权利要求1所述的基于碳纳米纸的柔性化传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，制备的基于碳纳米纸的柔性化传感器拉伸率达到1.8～2.5％。