CN109853228B

CN109853228B - 一种基于镀银涤纶的柔性压力传感器的制备方法

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Publication number: CN109853228B
Application number: CN201811638875.9A
Authority: CN
Inventors: 徐锐; 俞丹; 王炜
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2038-12-29
Also published as: CN109853228A

Abstract

本发明涉及一种基于镀银涤纶的柔性压力传感器的制备方法，先将涤纶织物粗化，再将导电聚合物聚苯胺原位聚合在粗化后的涤纶织物表面上并形成薄膜，聚苯胺的还原性能将Ag⁺还原成Ag⁰成为催化中心，从而引起随后的化学镀银。镀银聚苯胺织物可以作为一种新颖、灵活和简单的压力传感器，根据身体运动产生各种信号。这种柔性传感器采用化学镀银聚苯胺织物制成，适用于人体各部分，如手掌，足底等部位，可有效监测人体的运动情况。

Description

一种基于镀银涤纶的柔性压力传感器的制备方法

技术领域

本发明属于压力传感器的制备领域，特别涉及一种基于镀银涤纶的柔性压力传感器的制备方法。

背景技术

电阻式压力传感器也是目前非常主流的压力传感器原理，其原理是制备具有压敏特性的柔性材料，在压力作用下输出相应的电阻变化而实现对压力的传感。柔性力敏传感器便是一种用于感知表面作用力分布的柔性器件，在机器人、生物力学、医学测量等领域有着广泛的应用前景。例如：把柔性力敏传感器贴附在机器人手指上，可以测量手指上夹持力的大小；贴附在运动员身体上，可以测量运动员运动时肌肉伸缩特性，为科学训练提供定量数据。

将导电填料分散到不导电的聚合物基体中制得的导电复合材料，在外力作用下，内部的导电通路会发生重构，具有一定的力敏性质。由于具有良好的柔顺性和加工性，而且性能容易调控，聚合物导电复合材料经常被用作柔性力敏传感器的敏感材料，但灵敏度和稳定性等指标有待提升。

常用的柔性压阻传感器是通过将导电填充粒子如碳黑和聚合物材料混合所得到的导电复合材料制得的，在受力应变时，其填充粒子间相互接触使得材料电阻改变。其优点是制作成本低，填充物粒子配比可调，但也存在重量大、柔性欠佳、大的迟滞现象、灵敏度低、与皮肤接触敏感等缺陷。如中国公开专利号CN 108797099 A公开了一种复合柔性导电织物、导电织物制备方法及其柔性传感器，将柔性织物置于碳纳米管的分散液中浸渍、烘干，制得柔性导电织物，能够同时感应和区分压力和摩擦力，传感器灵敏度高，耐受性强，不易损坏，但其导电性差，响应范围小，不具有抗菌性能。学术论文《纺织学报》发表基于PZT纳米纤维柔性压力传感器的研制，以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为柔性基底，用静电纺丝技术制备的锆钛酸铅(PZT)纳米纤维作为敏感材料，随着压强的增大，传感器的开路电压随之线性增大，最大约为10V，但其灵敏度和响应压力较差，灵敏度约为180mV/kPa，响应压力为20～60kPa。学术论文《传感技术学报》发表石墨烯/聚二甲基硅氧烷三维非织造结构压阻柔性压力传感器，相对电阻变化率的值与时间成正比，该传感器具有高灵敏度和耐久性，但其电阻相对变化率为较小。表1列出来近年来制备的柔性传感器与本发明的对比。

近年来，导电高分子化合物(聚苯胺、聚吡咯等)的制备及其应用被广泛的研究。其中聚苯胺具有质量轻、成本低、易处理等优点，同时具有一定的还原性能和导电性能。

众所周知，银有广泛的抗菌能力，可对抗革兰氏阴性菌、革兰氏阴性菌、真菌甚至病毒等。并且银具有细胞毒性低、稳定性好、有效浓度低和不易产生耐药性等优点。相比于真核细胞，银对原核细胞具有更大的毒性，因此银在拥有优异的抑制微生物生长增殖的性能同时对生物体细胞的细胞毒性较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于镀银涤纶的柔性压力传感器的制备方法，克服传感器的重量大、柔性欠佳、大的迟滞现象、灵敏度低、与皮肤接触敏感等缺陷，该方法可有效监测人体的运动情况。该发明的柔性压力传感器制备简单，轻质，成本低，响应时间段，灵敏性高，有抗菌功效。

本发明一种柔性压力传感器，所述传感器为银/聚苯胺/涤纶织物复合物。

本发明的一种柔性压力传感器的制备方法，包括：

(1)织物粗化

(2)苯胺原位聚合：

将粗化处理后的涤纶织物浸入含有苯胺单体的硝酸溶液中，浸渍，使其充分吸附苯胺单体，然后加入过硫酸铵溶液，均匀搅拌，密封反应，洗涤，晾干，得到聚苯胺涤纶织物；

(3)活化：

将上述聚苯胺涤纶织物于硝酸银溶液中密封浸渍，取出，洗涤，晾干；

(4)化学镀：

将步骤(2)织物浸渍还原液后，加入镀银液，超声化学镀，洗涤，晾干，即得基于镀银涤纶的柔性压力传感器。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中粗化处理具体为：按浴比为50:1，将涤纶织物浸渍氢氧化钠溶液中，进行处理，水洗，醋酸中和，水洗，晾干。

进一步，所述氢氧化钠溶液的浓度为30～40g/L，织物浸渍于氢氧化钠溶液时间为30～50min，温度为30～50℃。

所述醋酸的浓度为0.3～0.5g/L。

所述步骤(2)中苯胺单体浓度为0.15～0.25mol/L，硝酸溶液浓度为0.3～0.5mol/L；过硫酸铵溶液浓度为0.3～0.5mol/L。

所述步骤(2)中浸渍时间为30～60min；密封反应时间为1-2h。

所述步骤(2)中洗涤为充分水洗，丙酮洗涤，蒸馏水洗，重复数次。

所述步骤(3)中硝酸银的浓度为1～2g/L。

所述步骤(3)中浸渍时间为4-6h。

所述步骤(3)中洗涤为蒸馏水洗，乙醇洗，重复数次。

所述步骤(4)中还原液为：去离子水溶解葡萄糖，加入乙醇和聚乙二醇；镀银液为：用去离子水配制硝酸银溶液，滴加氨水至澄清，用氢氧化钾调节pH值，继续滴加氨水至澄清，加入乙二胺。

进一步，所述还原液中：葡萄糖浓度为10～20g/L，乙醇浓度为10～20mL/L，聚乙二醇浓度为20～40mg/L。

进一步，镀银液中硝酸银溶液浓度为3～5g/L，用氢氧化钾调节pH值为11～12，加入乙二胺浓度为4～6mL/L。

所述步骤(4)中所述织物浸渍还原液5～10s；超声化学镀为：30～40℃下超声化学镀1～1.5h。

所述步骤(4)中洗涤为多次水洗。

本发明的一种所述方法制备的柔性压力传感器。

本发明的一种所述柔性压力传感器的应用。

有益效果

(1)本发明制备了一种基于镀银涤纶的柔性压力传感器，根据身体运动产生各种信号，可有效监测人体的运动情况。

(2)本发明的柔性传感器采用化学镀银聚苯胺织物制成，具有良好的抗菌性能，适用于人体各部位，如手掌，足底等部位。

(3)与现有柔性传感器相比，该发明的柔性压力传感器制备简单，轻质，成本低，响应时间段，灵敏性高，有抗菌功效。

(4)本发明采用聚苯胺在涤纶织物表面原位聚合成膜，并利用聚苯胺的还原特性，将Ag⁺还原形成Ag⁰催化中心，在纤维表面形成活化层，从而引发之后的化学镀银，化学镀银的原理是银镜反应，银离子在还原剂存在的条件下被还原为银单质而附着在基体表面。

附图说明

图1为一种基于镀银涤纶的柔性压力传感器制备示意图；

图2为SEM图：(a)涤纶织物，(b)聚苯胺/涤纶织物，(c)银/聚苯胺/涤纶织物，(d)镀银涤纶织物；

图3为柔性传感器与灯泡串连，用手按压压力传感器时灯泡的亮暗程度照片(a～c)；

图4为万用表测量柔性传感器受到压力时的电阻变化(a～c)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明实施例中，涤纶织物购自中国三元控股集团有限公司，氢氧化钠购自平湖化学试剂厂，氨水购自上海凌峰化学试剂有限公司，无水乙醇购自上海和化学有限公司，苯胺、硝酸、过氧化铵、硝酸银、聚乙二醇1540、葡萄糖购自国药化学试剂有限公司(中国上海)，无需进一步纯化，聚乙二醇1540是化学纯的。其余的药物都是分析纯的，在使用过程中不需要进一步纯化。所有化学品均为分析级试剂，无需进一步纯化即可使用。

目前柔性传感器为前沿研究，没有统一测试标准，本发明结合GB/T 15478-2015压力传感器性能试验方法设计以下测试，(1)本发明测试中取镀银涤纶织物柔性压力传感器(2×5cm)与灯泡串联，如图3所示，通过按压方式来表现柔性压力传感器的性能。(2)用万用表测试制得的镀银涤纶织物柔性压力传感器，如图4所示，测量柔性传感器受到压力时的电阻变化。

实施例1

织物粗化处理：氢氧化钠30g/L，浴比50:1，将织物浸渍于处理液中，20℃，处理50min。随后将织物水洗两次，醋酸中和(0.5g/L)，水洗，晾干，待测。

实施例2

(1)织物粗化处理

氢氧化钠30g/L，浴比50:1，将织物浸渍于处理液中，20℃，处理50min。随后将织物水洗两次，醋酸中和(0.5g/L)，水洗，晾干。

(2)苯胺原位聚合

将粗化处理后的织物浸入含有苯胺单体0.25mol/L的硝酸溶液0.5mol/L中，浸渍30min，使其充分吸附苯胺单体，随后加入过硫酸铵溶液0.3mol/L，均匀搅拌，密封反应，聚合时间2h，充分水洗，丙酮洗涤，蒸馏水洗，重复数次，晾干，待测。

实施例3

(1)织物粗化处理

(2)苯胺原位聚合

将粗化处理后的织物浸入含有苯胺单体0.25mol/L的硝酸溶液0.5mol/L中，浸渍30min，使其充分吸附苯胺单体，随后加入过硫酸铵溶液0.3mol/L，均匀搅拌，密封反应，聚合时间2h，充分水洗，丙酮洗涤，蒸馏水洗，重复数次，晾干。

(3)活化

取适量聚合好的聚苯胺复合织物于2g/L的硝酸银溶液中密封浸渍5h，取出，蒸馏水洗，乙醇洗，重复数次，晾干，待测。

实施例4

(1)织物粗化处理

(2)苯胺原位聚合

(3)活化

(4)化学镀

①配制镀银液：配制镀银液，用去离子水配制硝酸银溶液，浓度为4g/L，滴加氨水至澄清，用氢氧化钾调节pH值为11～12，继续滴加氨水至澄清，加入乙二胺，浓度为5mL/L。

②还原液配制方法：去离子水溶解葡萄糖15g/L，加入乙醇20mL/L和聚乙二醇40mg/L。

将织物浸渍还原液5～10s后，加入配好的镀银液，40℃超声化学镀1h，取出多次水洗，晾干，待测。

用TM-1000型扫描电子显微镜(日本Hitachi公司)观察实施例1、2、3、4即涤纶织物、聚苯胺/涤纶织物、银/聚苯胺/涤纶织物和镀银涤纶织物，如图2所示，涤纶织物表面干净、光滑，表面出现了少量的凹坑；聚苯胺/涤纶织物表面形成一层薄膜，表面聚苯胺成功的吸附到纤维表面。银/聚苯胺/涤纶织物，表面许多银颗粒；镀银涤纶织物，图中可以看出纤维表面包覆一层金属银，为涤纶织物提供了良好的导电性。

将实施例4制得的镀银涤纶织物柔性压力传感器与灯泡串联，如图3所示，用手按压前，刚刚连接的灯泡亮度小，当手按压时，灯泡变亮，松开手时，灯泡恢复之前按压前的亮度，这表明制备的柔性压力传感器性能优异，灵敏性高。

用万用表测试实施例4制得的镀银涤纶织物柔性压力传感器，如图4所示，测量柔性传感器受到压力时的电阻变化，当砝码放到压力传感器时，其受到压力电阻变小，拿下砝码时电阻值恢复。

对比例1

参见专利201410852953.0

(1)配制苯胺和质子酸的混合溶液，其中苯胺0.2mol/L，盐酸0.4mol/L，放入织物浸渍40min，然后加过硫酸铵，使溶液中过硫酸铵浓度为0.2mol/L，聚合2h，取出充分水洗。

(2)配制浓度为8g/L的硝酸银溶液，20℃条件下，浸渍已经聚合好一层聚苯胺的织物2h，取出水洗，晾干。

(3)首先配制银氨溶液：10g/LAgNO₃，滴加氨水至澄清；再配制还原液：葡萄糖20g/L，酒石酸0.05g/L，乙醇100mL/L，乙二胺10mL/L。

(4)将银氨溶液和还原液以体积比为1:2混合，配制成化学镀银液。浸入织物，40℃下进行化学镀银，施镀60min，水洗，烘干，即制得导电性能良好的化学镀银织物。

专利201410852953.0，应用方向为电磁屏蔽，不能作为压力传感器。

而本发明区别于专利201410852953.0，其主要内容为柔性压力传感器的制备方法，制备过程中反应条件和用量不同，应用方向、测试内容等均不同。

专利201410852953.0为导电织物的方阻以及电磁屏蔽效能，本发明材料为其受压力变化时电阻值的变化，两者对材料的要求完全不同，不具有可比性。

表1对比了近年柔性压力传感器性能与本发明传感器性能，可知本发明制备的柔性压力传感器性能优异，响应时间段，灵敏性高，有良好的抗菌性能。

表1

参考文献：

[1]刘扬，谭晓兰，鲍娜娜，等.基于PZT纳米纤维柔性压力传感器[J].微纳电子技术，2018，(55)：733-737.

[2]李秀青，衣卫京.基于碳基导电胶的柔性压力传感器[J].北京服装学院学报，2017，37(1)：42-46.

[3]卢韵静，于星元，田明伟，等.石墨烯/聚二甲基硅氧烷三维非织造结构压阻柔性压力传感器[J].传感技术学报，2018，31(9)：1137-1340.

Claims

1.一种柔性压力传感器，其特征在于，所述传感器为银/聚苯胺/涤纶织物复合物；其中所述传感器由下列方法制备：

（1）将粗化处理后的涤纶织物浸入含有苯胺单体的硝酸溶液中，浸渍，然后加入过硫酸铵溶液，均匀搅拌，密封反应，洗涤，晾干，得到聚苯胺涤纶织物；其中粗化处理具体为：按浴比为50:1，将涤纶织物浸渍氢氧化钠溶液中，进行处理，水洗，醋酸中和，水洗，晾干；所述氢氧化钠溶液的浓度为30~40g/L，织物浸渍于氢氧化钠溶液时间为30~50 min，温度为30~50℃；

（2）将上述聚苯胺涤纶织物于硝酸银溶液中密封浸渍，取出，洗涤，晾干；

（3）将步骤（2）织物浸渍还原液后，加入镀银液，超声化学镀，洗涤，晾干，即得基于镀银涤纶的柔性压力传感器。

2.一种权利要求1所述柔性压力传感器的制备方法，包括：

（1）将粗化处理后的涤纶织物浸入含有苯胺单体的硝酸溶液中，浸渍，然后加入过硫酸铵溶液，均匀搅拌，密封反应，洗涤，晾干，得到聚苯胺涤纶织物；

3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中苯胺单体浓度为0.15~0.25mol/L，硝酸溶液浓度为0.3~0.5mol/L；过硫酸铵溶液浓度为0.3~0.5mol/L。

4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中浸渍时间为30~60min；密封反应时间为1-2h。

5.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中硝酸银的浓度为1~2g/L。

6.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中浸渍时间为4-6h。

7.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中还原液为：去离子水溶解葡萄糖，加入乙醇和聚乙二醇；镀银液为：用去离子水配制硝酸银溶液，滴加氨水至澄清，用氢氧化钾调节pH值，继续滴加氨水至澄清，加入乙二胺。

8.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中所述织物浸渍还原液5~10 s；超声化学镀为：30~40 ℃下超声化学镀1~1.5 h。