CN110137337A - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性压力传感器及其制备方法，所述方法包括：步骤S1：制备多层排列的胶体球模板；步骤S2：将柔性复合材料和多壁碳纳米管形成的聚合物浇筑在所述多层胶体球模板上，并放入真空抽气机中进行负压处理，待其完全渗入到胶体球的孔隙中，加热固化；步骤S3：将所述胶体球模板上固化的聚合物放入可溶化胶体球的溶剂中除去胶体球，然后进行清洗干燥处理得到具有多孔网络结构的超疏水柔性导电聚合物；步骤S4：分别在所述超疏水柔性导电聚合物的上下表面制作电极，得到超疏水柔性压力传感器。所述方法具有工艺简单和成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器领域，具体涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
传感技术是现今社会测量、测控和智能自动化系统的重要功能单元之一，传感技术的研究与发展成为了每个国家十分重视的发展领域。近年来，柔性电子技术以其巨大的性能优势与快速的发展速度在世界范围内掀起一场技术革命。柔性传感器的研究也成为研究人员面临的新挑战、新领域。
从国内外对柔性传感器的最新研究来看主要为柔性压力传感器的研究，压力传感器的常见的制备方法是将导电材料和柔性基底进行组装，常用的导电材料主要有金属、无机纳米材料、碳纳米管和石墨烯等。
柔性多孔材料的开发为制备压力传感器提供了契机。2013年，俞书宏课题组以石墨烯为导电材料，以聚氨酯海绵的微观结构为内部导电通道框架制备出了一种柔性压力传感器。Chengyi Hou等以单一石墨烯为材料制作石墨烯氧化泡沫，并在此基础上设计制作了压力传感器。然而石墨烯的产量低，价格高导致不能满足大量的需求。
发明内容
本发明提供一种柔性压力传感器及其制备方法，旨在解决现有的柔性压力传感器中使用的石墨烯产量低，价格高导致不能满足大量的需求的问题。
本发明第一方面提供一种柔性压力传感器，其包括具有多孔网络结构的超疏水柔性导电聚合物和分别粘结在所述超疏水柔性导电聚合物上下两表面的电极。
优选地，所述超疏水柔性导电聚合物由柔性复合材料和多壁碳纳米管聚合得到。
优选地，所述柔性复合材料是聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚乙烯二氧噻吩、聚苯胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯橡胶、聚丙烯酰胺中的一种。
优选地，所述多壁碳纳米管是直径为10～200nm、长度为0.5～3μm的多壁碳纳米管。
优选地，所述超疏水柔性导电聚合物的多孔网络结构的孔径范围为100nm～400μm。
本发明第二方面提供一种柔性压力传感器的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1：制备多层排列的胶体球模板；
步骤S2：将柔性复合材料和多壁碳纳米管形成的聚合物浇筑在所述多层胶体球模板上，并放入真空抽气机中进行负压处理，待其完全渗入到胶体球的孔隙中，加热固化；
步骤S3：将所述胶体球模板上固化的聚合物放入可溶化胶体球的溶剂中除去胶体球，然后进行清洗干燥处理得到具有多孔网络结构的超疏水柔性导电聚合物；
步骤S4：分别在所述超疏水柔性导电聚合物的上下表面制作电极，得到超疏水柔性压力传感器。
优选地，步骤S1具体包括：
提供一个清洁的基底；
将适量的胶体球溶液滴涂在基底上，以形成多层堆叠的、呈面心立方结构的胶体球阵列，干燥处理使胶体球溶液中的水分完全蒸发，得到多层排列的胶体球模板。
优选地，所述的胶体球可以是二氧化硅、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
优选地，在基底上形成多层堆叠的、呈面心立方结构的聚苯乙烯球阵列的方法采用旋涂法、自组装法、硅油覆盖法、模具辅助法和垂直沉积法中的一种。
优选地，所述柔性复合材料为聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚乙烯二氧噻吩、聚苯胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯橡胶、聚丙烯酰胺中的一种。
优选地，所述多壁碳纳米管是直径为10～200nm、长度为0.5～3μm的多壁碳纳米管。
优选地，所述柔性复合材料和多壁碳纳米管形成的聚合物的制备方法如下：
将多壁碳纳米管分散在分散溶剂中，使多壁碳纳米管均匀分散开，得到多壁碳纳米管的悬浮液，将多壁碳纳米管的悬浮液和液态的柔性复合材料混合均匀，加热除去分散溶剂，得到柔性复合材料和多壁碳纳米管的混合物；
将乙酸乙酯和固化剂加入所述柔性复合材料和多壁碳纳米管的混合物中，充分搅拌均匀，并在真空下脱气，除去气泡，得到柔性复合材料和多壁碳纳米管形成的聚合物。
优选地，所述分散溶剂为氯仿、四氢呋喃、无水乙醇中的一种。
优选地，所述胶体球采用聚苯乙烯，可溶化胶体球的溶剂采用甲苯、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的一种。
本发明提供的柔性压力传感器及其制备方法以多层排布的胶体球作为模板来提供多孔网络结构，通过在柔性复合材料中掺杂多壁碳纳米管使其具有疏水性和导电性，通过构筑柔性复合材料的的微观结构来增强其可压缩性，不仅具有很好的疏水性能，还具有稳定的压缩性能，制备工艺简单，成本低廉，对环境没有任何污染；进一步地，还可根据所选用的胶体球的大小来控制多孔网络结构的孔隙的大小，通过抽真空加速导电聚合物的渗透，大大节省了时间，提高了制备效率。
附图说明
图1是本发明的柔性压力传感器的结构示意图。
图2是本发明的柔性压力传感器的制备方法的流程图。
图3(a)-图3(e)是超疏水柔性压力传感器的制备过程中的形态示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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
如图1所示，本发明实施例提供一种柔性压力传感器，其包括具有多孔网络结构的超疏水柔性导电聚合物101和分别设置在所述超疏水柔性导电聚合物101的上下两表面的电极102。
优选地，所述超疏水柔性导电聚合物101由在柔性复合材料中掺杂多壁碳纳米管得到。所述柔性复合材料是聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚乙烯二氧噻吩、聚苯胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯橡胶、聚丙烯酰胺中的一种。所述多壁碳纳米管是直径为10～200nm、长度为0.5～3μm的多壁碳纳米管。所述超疏水柔性导电聚合物的多孔网络结构的孔径范围为100nm～400μm。
实施例2
如图2所示，本发明实施例还提供一种柔性压力传感器的制备方法，其步骤S1-S4，具体说明如下：
步骤S1：制备多层排列的胶体球模板。
步骤S1具体包括：
提供一个清洁的基底301，如图3(a)所示；
将适量的胶体球溶液滴涂在基底上，以形成多层堆叠的、呈面心立方结构的胶体球302的阵列，干燥处理使胶体球溶液中的水分完全蒸发，得到多层排列的胶体球模板，如图3(b)所示。
所述的胶体球可以是二氧化硅、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。在基底上形成多层堆叠的、呈面心立方结构的聚苯乙烯球阵列的方法采用旋涂法、自组装法、硅油覆盖法、模具辅助法和垂直沉积法中的一种。所述柔性复合材料为聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚乙烯二氧噻吩、聚苯胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯橡胶、聚丙烯酰胺中的一种。
步骤S2：将柔性复合材料和多壁碳纳米管形成的聚合物303浇筑在所述多层胶体球模板上，并放入真空抽气机中进行负压处理，待其完全渗入到胶体球302的孔隙中，加热固化，如图3(c)所示。
优选地，所述多壁碳纳米管是直径为10～200nm、长度为0.5～3μm的多壁碳纳米管。
所述柔性复合材料和多壁碳纳米管形成的聚合物的制备方法如下：
将多壁碳纳米管分散在分散溶剂中，使多壁碳纳米管均匀分散开，得到多壁碳纳米管的悬浮液，将多壁碳纳米管的悬浮液和液态的柔性复合材料混合均匀，加热除去分散溶剂，得到柔性复合材料和多壁碳纳米管的混合物；
将乙酸乙酯和固化剂加入所述柔性复合材料和多壁碳纳米管的混合物中，充分搅拌均匀，并在真空下脱气，除去气泡，得到柔性复合材料和多壁碳纳米管形成的聚合物。
优选地，所述分散溶剂为氯仿、四氢呋喃、无水乙醇中的一种。
步骤S3：将所述胶体球模板上固化的聚合物303放入可溶化胶体球的溶剂中除去胶体球302，然后进行清洗干燥处理得到具有多孔网络结构的超疏水柔性导电聚合物303,如图3(d)所示。
其中，如果所述胶体球采用聚苯乙烯，可溶化胶体球的溶剂采用甲苯、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的一种。
步骤S4：分别在所述超疏水柔性导电聚合物303的上下表面制作电极304，得到如3(e)所示超疏水柔性压力传感器。
实施例3
本实施例中，提供一种柔性压力传感器的制备方法，具体说明如下：
提供一个硅基底，首先对基底进行清洁处理，即：分别用丙酮、乙醇和去离子水对硅片进行超声处理，清洗时间各20分钟，干燥后进行亲水性处理，将基底放入去离子水、氨水和过氧化氢体积比为5:1:1的混合溶液中超声20分钟，目的是获得表面亲水性，然后再用乙醇和去离子水进行多次清洗，以除去基底表面残留物质，烘干后使用。取浓度为2.5％的单分散的聚苯乙烯球水溶液，将适量的该聚苯乙烯球溶液滴涂在硅基底上，以形成多层堆叠的、呈面心立方结构的聚苯乙烯球阵列，干燥处理使水溶液完全蒸发。
制备具有多孔网络结构的超疏水柔性导电聚合物，将直径为10～200nm，长度为0.5～3μm的多壁碳纳米管分散在氯仿中，超声5小时，使碳纳米管均匀分散开，得到碳纳米管的悬浮液。用旋涡混合器将多壁碳纳米管(WCNT)和液态的聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合均匀，在90℃加热6小时除去溶剂氯仿，得到WCNT和PDMS的混合物。将乙酸乙酯和PDMS固化剂(5:1)加入WCNT和PDMS的混合物中，充分搅拌均匀，并在真空下脱气，除去气泡。再将上述混合物旋涂在上述的多层聚苯乙烯球阵列上，放入真空抽气机中施加负压，抽出聚苯乙烯球阵列中的空气，使得WCNT和PDMS的混合物充分均匀地进入聚苯乙烯球的空隙中，然后放入真空烘箱加热80℃固化3小时。除去多余WCNT和PDMS的混合物，将WCNT和PDMS和聚苯乙烯球的混合物放入溶剂甲苯中12小时，充分除去聚苯乙烯球后进行干燥处理，得到具有多孔网络结构的超疏水柔性导电聚合物。
然后在上述超疏水柔性导电聚合物的上下两表面分别用导电银胶粘结上电极，即得到超疏水柔性压力传感器。
综上所述，本发明提供的柔性压力传感器及其制备方法以多层排布的胶体球作为模板来提供多孔网络结构，通过在柔性复合材料中掺杂多壁碳纳米管使其具有疏水性和导电性，通过构筑柔性复合材料的的微观结构来增强其可压缩性，不仅具有很好的疏水性能，还具有稳定的压缩性能，制备工艺简单，成本低廉，对环境没有任何污染；进一步地，还可根据所选用的胶体球的大小来控制多孔网络结构的孔隙的大小，通过抽真空加速导电聚合物的渗透，大大节省了时间，提高了制备效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括具有多孔网络结构的超疏水柔性导电聚合物和分别粘结在所述超疏水柔性导电聚合物上下两表面的电极。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述超疏水柔性导电聚合物由柔性复合材料和多壁碳纳米管聚合得到。
3.根据权利要求2所述的超疏水柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性复合材料是聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚乙烯二氧噻吩、聚苯胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯橡胶、聚丙烯酰胺中的一种。
4.根据权利要求2所述的超疏水柔性压力传感器，其特征在于，所述多壁碳纳米管是直径为10～200nm、长度为0.5～3μm的多壁碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述超疏水柔性导电聚合物的多孔网络结构的孔径范围为100nm～400μm。
6.一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：制备多层排列的胶体球模板；
步骤S2：将柔性复合材料和多壁碳纳米管形成的聚合物浇筑在所述胶体球模板上，并放入真空抽气机中进行负压处理，待其完全渗入到胶体球的孔隙中，加热固化；
步骤S3：将所述胶体球模板上固化的聚合物放入可溶化胶体球的溶剂中除去胶体球，然后进行清洗干燥处理得到具有多孔网络结构的超疏水柔性导电聚合物；
步骤S4：分别在所述超疏水柔性导电聚合物的上下表面制作电极，得到超疏水柔性压力传感器。
7.根据权利要求6所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
提供一个清洁的基底；
将适量的胶体球溶液滴涂在基底上，以形成多层堆叠的、呈面心立方结构的胶体球阵列，干燥处理使胶体球溶液中的水分完全蒸发，得到多层排列的胶体球模板。
8.根据权利要求7所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的胶体球可以是二氧化硅、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
9.根据权利要求7所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，在基底上形成多层堆叠的、呈面心立方结构的聚苯乙烯球阵列的方法采用旋涂法、自组装法、硅油覆盖法、模具辅助法和垂直沉积法中的一种。
10.根据权利要求6所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性复合材料为聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚乙烯二氧噻吩、聚苯胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯橡胶、聚丙烯酰胺中的一种。
11.根据权利要求6所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管是直径为10～200nm、长度为0.5～3μm的多壁碳纳米管。
12.根据权利要求6所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性复合材料和多壁碳纳米管形成的聚合物的制备方法如下：
将多壁碳纳米管分散在分散溶剂中，使多壁碳纳米管均匀分散开，得到多壁碳纳米管的悬浮液，将多壁碳纳米管的悬浮液和液态的柔性复合材料混合均匀，加热除去分散溶剂，得到柔性复合材料和多壁碳纳米管的混合物；
将固化剂加入所述柔性复合材料和多壁碳纳米管的混合物中，充分搅拌均匀，并在真空下脱气，除去气泡，得到柔性复合材料和多壁碳纳米管形成的聚合物。
13.根据权利要求12所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述分散溶剂为氯仿、四氢呋喃、无水乙醇中的一种。
14.根据权利要求6所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述胶体球采用聚苯乙烯，可溶化胶体球的溶剂采用甲苯、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的一种。
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